市政道路养护管理和探测技术分析

罗 坤

(合肥市市政工程管理处，安徽 合肥 230041)

0 引 言

随着城市规模的快速扩张，地下空间大量开发，地铁、高架、隧道的修建运营及越来越密集的地下管线，导致城市路面塌陷频繁发生。此外，随着我国公路重载交通的快速增长以及早期修建的高等级公路路面性能的退化，公路养护规模正在快速攀升，公路管理部门正面临着越来越沉重的养护压力；同时，随着城市的不断发展及扩张，早些年修建的城市道路也逐渐达到了设计使用年限，城市道路养护工程规模必将不断扩大。如何在保证不影响市政管线正常使用的前提下对路面实施养护工程，将成为未来城市道路养护工程的一大难点。

因此，市政道路的正常运行离不开对道路状况的及时的检测和评价，以及准确与科学的道路养护方案。而方案设计的准确性，又在很大程度上依靠前期路况调查的全面性及准确性。现阶段，我国已基本普及了路面表面性能的快速自动化检测，检测指标包括路面破损、路面平整度、路面车辙及路面抗滑等；但对于深层结构破坏层位、破坏程度及结构层完整性等指标，仍停留在点状的有损检测或慢速的无损检测层面，无法做到快速及全断面覆盖；而对于城市道路路面结构内部管线铺设位置及破损情况，测量难度更高，从而导致养护方案设计准确性不足，道路塌陷问题频发，因此构建一套科学的道路健康状况评价方法是市政道路养护需要进一步解决的问题。

1 市政道路养护管理机制

市政道路的养护需要加快构建规范高效的养护管理体系，提升养护资金的使用效率和路况水平，深入推进养护高质量发展。因此，应该做到以下几点。

1.1 加强市政道路的养护管理，建立养护机制

随着道路建设不断饱和，在役道路的养护、维修必将成为趋势，市政道路的养护重要性不言而喻。养护管理部门必须充分重视，建立一整套系统的养护机制，包括设计、施工、检测等循环模式，用科学、系统的方法对道路进行全方位体检[2-4]。

1.2 规范开展市政道路状况数据采集和评定分析，加强自动化检测技术的应用

应按照相关管理规定和技术标准的要求，对市政道路进行检测，全面掌握市政道路技术状况，及时排查和发现各类风险。定期开展全面的技术状况分析工作，科学评估基础设施的安全性、耐久性、适应性，把握当前薄弱环节。运用科学的分析手段进行综合分析、评估，探索建立以病害为导向的回溯机制，分析性能衰减规律和病害成因。完善路况自动化检测技术，大力推广应用多功能一体化检测设备，提高检测专业化水平。推广应用日常养护巡查设备和手持移动终端，提升巡查的时效性和安全性[5]。

1.3 加快构建市政道路基础数据库，夯实养护工程科学决策基础

准确、翔实的市政道路全设施基础数据库是养护工程科学决策的基础。应对管养的基础设施进行全面系统的梳理，梳理范围包括路线、路基、路面、附属设施等城市道路资产的各类数据，涵盖基础属性数据、建设和养护历史数据、交通数据、其他决策数据等。充分利用信息化手段，将市政道路全设施要素数字化，整合并升级完善各类单项数据库，构建覆盖全面、数据准确、管理便捷的市政道路全设施基础数据库[6]。

1.4 完善养护检测体系，提升信息化管理水平

提高养护的整体工作效率必须在原先管理模式的基础上，建立起一套更高效、可行的养护管理信息化新模式。建立丰富的数据库，及时更新，确保信息的时效性，开放管理、使信息透明公开，以适应现代化城市道路养护数据精确、全面和快速的信息化需求，形成城市道路专用管理系统[7]。

1.5 合理设定养护目标，测算养护需求

市政道路养护目标以市政道路技术状况指标为主，兼顾城市路网运行状况指标。应结合本地区市政道路的技术状况现状、交通量、管理因素、资金约束等因素，针对不同基础设施种类，分别确定养护目标。在特征差异明显的地区，应分区域分别制定合理的目标。

依据当前市政道路状况数据和设定的目标，开展养护需求分析，筛选出未来一定时期内需要实施养护工程的路段或者构造物部件等，提出下一年度或下一阶段的养护投资建议。以此为主要依据，结合管理需求等，编制中长期规划和确定养护工程项目库。应不断完善养护需求分析技术，构建本地化的结构模型库、养护方案模型库、养护决策模型库等。积极开展市政道路状况预测模型的本地化验证工作，针对典型结构类型和养护方案，开展长期性能研究，建立适合本地特征的性能预测模型，并不断修正完善[8-12]。

1.6 优化提出养护工程年度建议计划，做好项目统筹

结合安全运行状况，综合考虑年度养护资金规模、养护目标、项目库的储备更新情况，优化提出养护工程年度建议计划。当养护资金不足的情况下，应在养护工程项目库和年度养护需求分析基础上，开展资金优化分配分析，在确保安全的前提下，按总效益最高或费用最低的原则，将养护资金优化分配到最需要养护的项目上。

随着市政道路通行压力逐年增大，市政道路的建设标准也在不断提高，如何更好地使道路长期处于优良状态，更好地满足城镇发展的需求，必须重视、加强市政道路养护管理工作。市政道路检测和评价是养护工作的基础，《城镇道路养护技术规范》作为市政道路养护工作中的重要标准，为市政道路养护工作提供了重要的评价依据，但是在实际养护工作开展中对该规范使用不充分，有待进一步提升。因此应加强《城镇道路养护技术规范》的推广和应用。

2 探地雷达技术在市政道路检测中的应用

根据道路养护设计的需求及特点，结合国内外先进的路况检测装备研究成果，开发出一套可以在正常车流速度下准确检测路面结构层内部破坏状况的检测设备，并形成配套的处理软件及数据使用分析方法，将可以有效提高道路养护方案设计的准确性及工作效率，提高地下灾害预警能力。探地雷达虽出现得较晚，但是在探测浅层地下目标上其技术较为新兴，与需求相符。

2.1 探地雷达国内外发展状况

探地雷达作为目前道路地下隐形病害的主要检测方式，其发展大致可以分为三个阶段，即发明阶段(1900—1960年)、发展阶段(1960—1980年)和成熟阶段(1980—至今)[13]。

第一个阶段的主要成就是提出了采用电磁波进行地下探测的概念，并阐明了其可行性，开展了简单的实验。第二个阶段的主要成就是研究出了探地雷达系统，并逐步将探地雷达系统在低耗介质中的探测发展到有耗介质的探测，建立了电磁波脉冲完成地下探测的基本理论。第三个阶段，探地雷达进行地下探测的机制清楚，建立了从数据采集、数据处理到解释的方法技术，广泛地开展探地雷达的应用，取得了非常好的探测效果，成为一种成熟的探测技术[14]。

我国在对国外探地雷达仪器进行引进的同时，也开始自主研发探地雷达系统。20世纪70年代初期，西安交通大学、青岛电波传播研究所、成都电子科技大学、北京邮电大学等单位先后开展了探地雷达的研制工作。虽然我国的探地雷达研究起步较晚，但我国及时引进和借鉴了国外的先进技术，近些年来，我国在该领域也取得了较为突出的成果，许多单位推出了自己的探地雷达样机。这些雷达系统虽然存在许多缺点和不足，但是作为我国自主研发的探地雷达系统，它们打破了长期以来进口产品在国内的垄断地位，逐渐开始在市场上占有一席之地。此外，多家单位及其他一些高校和研究所均做过探地雷达仪器研制和野外试验工作，但由于种种原因，研究成果未能得到广泛应用。

2.2 探地雷达技术路线

二维探地雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体，或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收，如图1所示。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态[15]。

图1 二维探地雷达工作原理

实测时将雷达的发射和接收天线沿道路表面施测，电磁波通过天线进入被测物体中，遇到检测物体中间的不连续面、检测物体与空气分界面、检测物体各层分界面、基础中的裂面等产生反射，接收天线接收到反射波，测出反射波的入射、发射双向走时，即可算出反射波走过的路程长度，从而求出天线距反射面的距离。雷达天线可沿测线连续滑动，每个测点的时间曲线可以汇成时间剖面图像，多个测点资料汇成的时间剖面，将各测点接收到的同一反射波绘成图像，就可直观地反映出各种不同的反射面。雷达实测时的工作原理如图2所示。

图2 二维探地雷达实测时工作原理

三维阵列探地雷达系统，采用了矩阵式阵列天线和多通道实时三维成像技术，对地下空洞和各类道路结构病害检测目标可以精确实现空间真三维成像。应用车载式三维阵列雷达系统，进行公路道路全断面、全覆盖三维透视综合检测，以达到以下目的[16]：

(1) 对公路道路结构层厚分布做出全断面检测，详细查明道路全断面宽带范围内面层、基层、垫层等结构层(亦可包含下处理及桥涵回填工程)的厚度及其三维空间精确位置分布，全面准确评价公路道路结构层工程施工质量。

(2) 对道路结构层表面和内部的各类病害进行由表及里的全断面综合检测，详细查明道路各类裂缝及其在结构层内的三维空间发育位置和延展深度，查明结构层破碎、沉陷、脱空、浸水、唧泥等各类病害的空间位置、发育范围和深度。

(3) 对道路路床、路基进行全断面综合检测，详细查明路基富水弹软、松散、沉陷、脱空、塌陷空洞等各类病害的三维空间位置、发育范围和深度。

(4) 形成检测结果，全面评估和评价道路工程施工质量、道路结构层和路基的病害情况，道路结构运营服务功能状况，并依据检测数据对道路质量缺陷和结构病害成因做出分析。

(5) 分析道路工程质量和病害现状可能产生的影响程度，为缺陷处理和道路养护设计提出建议和工程方案，实现精细化养护和预防性养护。

(6) 实时真三维成像，易于解译判读。由于采用了矩阵式阵列天线和多通道实时三维成像技术，对地下空洞和各类道路结构病害检测目标可以精确实现空间真三维成像，成像精度和数据信息质量和可靠性均远远高于二维多通道雷达。同时，实时真三维成像技术可以对各类不规则目标进行完全一致的空间三维成像，因此对于解译雷达数据、判读目标将大大提高解译判读的效率和准确性，确保取得真实可靠的精确检测成果。

(7) 精确定位，精确确定工程量。精确坐标定位和实时三维成像相结合，能够准确可靠地定位目标位置，发育范围，发育深度，从而准确定性目标属性，精确测量出目标的空间形态和体量， 据此编制对目标采取工程处治、养护施工的技术方案，精确确定其工程量。

(8) 道路塌陷灾害检测与日常管养检测相结合。ZRY-TD 三维阵列探地雷达系统与 CICS 激光光学路况快速检测平台集成和融合，实现了道路塌陷灾害检测预警与道路病害日常管养相结合，实现了防灾预警的可持续常态化。同时，三维阵列雷达技术的引入，将道路路况检测从传统表面光学检测提升到从表面到结构内部的全方位三维立体综合检测，极大地提高了道路检测的质量和效率，有助于实现道路精细化养护和预防性养护。

采集软件特点：如图3所示，实时采集、处理和保存雷达检测数据，显示三维切片图；提供实时经纬度信息，并在地图上显示实时位置及测线。

图3 三维阵列探地雷达“管道”检测图谱

三维阵列探地雷达数据处理软件数据处理软件特点：查看三维切片图；数据编辑、分析处理；高精度地理位置信息(配合 GPS、RTK、全站仪、惯性组合导航)。如图4所示。

图4 三维阵列探地雷达数据处理

2.3 二维、三维探地雷达对比

三维阵列雷达可实时真三维成像，对检测目标的测量和判读更加精确可靠； 同时，三维阵列雷达数量众多的矩阵式天线单元确保了对目标的数据采集和信息提取更加完整可靠。二维雷达不能对目标三维成像，仅能以回波波形方式对目标进行抽象成像，因此，其目标识别难度较大，判读二义性不高；同时，二维雷达对目标的数据采集和信息提取的质量和可靠的性远低于三维阵列雷达。 但三维阵列雷达设备价格比二维雷达昂贵，设备投资较大；三维阵列雷达的检测作业数据采集量远远高于二维雷达，因此三维雷达的内业数据处理工作量显著高于二维雷达[17]。

3 结束语

准确及科学的道路养护方案，是实现养护目标及养护工程投资效益最大化的前提。相信雷达检测技术在未来会随着科技的不断进步而开展得更加便捷有效，从而得到广泛的应用，更好保障城市道路运营的安全和稳定，更好地服务于公众日常出行。