高速公路建设中的快速无损检测技术分析

熊延华,田 华,阳应荣,温肖博

（贵州省公路建设养护集团有限公司,贵州 贵阳 550014; 2.苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211100）

0 引言

近年来，我国在基础设施建设方面投入了大量资金，推动经济社会的健康发展。为鼓励交通运输基础设施建设，政府实施了一系列优惠政策。然而，高速公路混凝土路面存在材料差异和孔隙率高等问题，传统探测技术难以直观分辨道路损伤情况。近年来，探地雷达技术被广泛应用于公路工程领域，并取得了良好效果。该技术能无损检测公路路面结构层厚度和路基路面质量，提供各项指标参数和公路使用性能评价，同时也能获取公路路基、钢筋混凝土路面结构层厚度、路拱横坡和病害情况等数据，为病害原因分析和补强加固提供准确参考，有助于提高公路性能和延长使用寿命。该文探讨了探地雷达技术在提升工程质量、加快施工进度和降低成本等方面的作用和意义，并通过对现有技术的综合研究和实践经验的总结，旨在为高速公路建设提供更快速、更准确的无损检测解决方案，以推动高速公路建设的可持续发展。

1 探地雷达无损检测技术

1.1 探地雷达技术原理

三维探地雷达利用高频脉冲电磁波在地下传播时，当不同介电属性的物质层存在界面差异时，电磁波会发生折射和反射，返回地面并通过接收天线接收回波信号。在电磁波的反射和穿透过程中，其波形和强度会因介质的几何形状和电磁特性变化而改变。通过分析接收到的探地雷达脉冲波形和绘制雷达波谱图，可以利用计算机对双程走时、振幅、波长和信号强度等特征进行分析和处理，进而获得地下的三维空间、几何形态和介电特性信息。通过分析雷达图像，可以直观地观察地下道路损伤情况，实现对路面内部病害的快速、无损检测[1]。

1.2 探地雷达的作用

探地雷达在高速公路建设中的应用有利于进一步提高高速公路建设质量和效率。

（1）精确无损检测。探地雷达可以对高速公路的路基、路面和钢筋混凝土结构层精确地进行无损检测，包括测量厚度、质量和结构特征等。通过获取准确的数据，可以评估工程质量、发现病害和缺陷，并及时采取修复和加固措施[2]。

（2）提高施工效率。探地雷达以高速率进行数据采集和处理，可以快速获取地下结构的信息，有助于加快施工进度和决策过程，减少工程延误，并提高施工效率。

（3）降低施工成本。通过精确的无损检测，可以避免不必要的拆除和重建，减少施工中的浪费和成本。探地雷达可以帮助识别结构的强度和质量问题，并及时采取适当的措施，降低施工过程中的风险和成本[3]。

（4）延长使用寿命。通过定期或阶段性的探地雷达检测，可以监测和评估高速公路的结构健康状况，及时发现并修复潜在的病害和损伤，有助于延长公路的使用寿命，提高交通安全性和可持续性[4]。

（5）数据支持决策。探地雷达提供的数据可以用于工程设计、施工监控和维护管理等方面的决策支持。通过对数据的分析和解释，可以制定合理的工程方案，并进行有效的资源分配和管理。

探地雷达在高速公路建设中起着重要的作用，可以提供精确的无损检测、提高施工效率、降低成本、延长使用寿命，并为决策提供可靠的数据支持[5]。这种技术的应用有助于提升高速公路的质量和可持续发展。

1.3 探地雷达技术优点

三维探地雷达在近地表工程勘探中广泛应用，具备高分辨率、准确性高、效率高、结果直观、全覆盖等特点。其主要优点包括：

（1）数据全覆盖、高密度：通过多通道采集技术，三维探地雷达获取的雷达数据具有全覆盖和高密度的特点，能够较全面地了解地下结构的信息。而且，采取多通道采集技术时，数据的安全性相对较高。

（2）高数据分辨率：三维探地雷达具备高数据分辨率，能够直观地查看地下物体的异常状态可以，并可以满足不同深度探测的要求，通过选择不同中心频率的雷达天线，可以获得更详细和精确的数据。

（3）任意平面和深度数据截取：该技术可以对获取的数据进行截取和分析，使得处理结果可以展示在任何平面和深度上，实现了数据的三维展示，方便对地下结构进行全方位观察和分析。

（4）高数据采集效率：三维探地雷达的数据采集效率较高，不会影响施工作业的进行。这使得在探测作业期间可以高效率、快速地获取数据，同时不会损坏路面或结构，实现了无损探测。

（5）广泛适用范围：三维探地雷达适用范围广泛，不仅可以对公路路面的厚度、强度和结构层质量进行检测，还可用于工程质量评价和结构层厚度测试等领域。其在土木工程、建筑工程、地质勘探等领域有着广泛的应用。

（6）高探测速度：三维探地雷达采用低频率的雷达发射天线，使得探测速度非常快。在高速公路路基、路面和钢筋混凝土路面结构层厚度检测中，可以在短时间内完成大型检测项目。

（7）快速数据处理和成像速度：由于三维探地雷达的天线频率较低，数据采集速度相对较快，有助于加快数据处理和成像速度，提高工作效率。

（8）强大的图像识别能力：三维探地雷达具备较强的图像识别能力，可以分辨出微小的差异。通过软件处理和图像识别的方法，对采集的数据进行优化处理，得出可靠的结果。

（9）应用范围广泛：三维探地雷达技术广泛应用于公路路基、路面和钢筋混凝土路面结构层厚度检测，以及工程质量评价和结构层厚度测试等领域，为这些领域提供了一种高效、准确的探测方法。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某高速公路建设线路K33+356~K93+920地下存在大量沉陷、裂缝、坑槽等病害。为探明该公路建设线路地下病害发育情况，明确高速公路建设难点，确定道路病害解决对策，同时为道路施工设计提供技术支撑，采用探地雷达对K33+356~K93+920段沿线地下病害分布情况进行探测。检测线路长度约为11 km，由于受到地形和地质限制，大部分道路均使用点测方法，采用100 MHz雷达天线开展探测工作，采用时窗为300 ns，探测深度约为15~20 m，采样点距为0.5 m。

2.2 道路内部损伤情况

以1 000 m为基准划分单元段落，根据探地雷达对道路内部损失结果，统计不同道路单元沉陷面积、脱落空体积及裂缝率，并绘制道路病害分布图，以此来直观地表征该高速公路建设路段不同类型病害分布情况[6]。其中，道路裂缝率计算公式如下所示：

式中，r——裂缝率（m/1 000 m2）；s——检测区域面积（m2）；l——裂缝程度，包括纵向和横向裂缝（m）。

图1所示为道路裂缝病害分布情况。从图中可以看出，该段道路裂缝病害较多，主要集中于道路基层和面层，土基和底基层裂缝病害相对较少。该段道路裂缝病害较为严重的路段分别为K112+000~K118+000、K89+000~K99+000及K77+800~K80+000基层和面层位置[7]。

图1 道路裂缝病害分布图

图2所示道路空洞病害分布情况，由图可知该段道路空洞病害主要集中于基层和面层，底基层空洞病害相对较少，土基无空洞病害。该段道路空洞病害主要分布于K107+000~K113+000、K99+00~K102+000、K87+000~K95+000、K77+800~K80+000，以上路段空洞病害较为严重，此外K112+00~K119+000、K115+000~K119+000、K107+000~K117~000路段病害严重程度相对较低。

图2 道路空洞病害分布图

图3所示为道路沉陷病害分布情况。通常情况下道路沉陷病害主要由土基层陷落所引起的，因此针对该病害主要检测土基。由图可知该段道路沉陷病害主要分布于K84+000~K86+000、K88+00~K94+000、K110+000~K116+000，以上几段道路沉陷病害较为严重，呈现集中沉陷情况。

图3 沉陷病害分布图

从图1~3可以看出，该段高速公路裂缝病害较为严重，沉陷病害和空洞病害相对较轻，可见该段高速公路裂缝为主要病害。根据探地雷达检测结果分析得知，该段道路病害产生的原因包括以下几方面：一是道路在温度和荷载双重作用下出现疲累裂缝；二是土基土质不稳定出现土基下沉现象，进而导致道路结构层脱落出现空洞病害；三是道路空洞病害在车辆荷载作用下会引发裂缝病害。另外，该段道路底基层和基层采用半刚性结构材料，由于受材料特性影响，道路底基层、基层出现温缩和干缩裂缝[8]。

2.3 路面结构层厚度

为简化分析工作量，选择具有代表性的路面内部和表面状况路段K90+000~K100+000进行分析。

图4所示为高速公路各结构层裂缝率分布曲线。从图中可以看出，该段道路水稳基层、沥青面层开裂程度相对严重，其中水稳底基层开裂问题相对较轻。从变化曲线来看，不同结构层裂缝率分布规律基本一致，尤其是水稳基层和沥青面层裂缝率分布规律一致性较高。由此可见，该段道路结构层裂缝病害主要为干缩裂缝和温缩裂缝；而沥青面层裂缝病害主要为底基层、基层干缩裂缝和温缩裂缝，并且该病害具有向上发展的趋势，并最终形成反射裂缝[9]。

图4 道路各结构层裂缝率分布

该路段底基层雷达影像较为模糊，并且底基层积水较多，水稳基层－底基层、沥青面层－水稳基层、空气－沥青面层三个界面清晰看见，但是水稳底基层－路基层无法明确辨识，由此可见该路段底基层受积水的影响较为严重。造成雷达影像模糊不清的原因是底基层水介电常数为81，大于底基层介电常数，并且由于水与路基材料介电常数差距较大，导致电磁波混乱无序，进而使得雷达影像模糊。

底基层出现大量积水的原因主要包括以下几点：一是该道路段所处区域为海洋性亚热带季风气候，年降雨量相对较大；二是该道路中央分隔带不具备隔水作用；三是道路结构层与中央分隔带的隔水措施相对较差，导致雨水通过中央分隔带渗入道路内部。

3 结论

探地雷达技术作为一种新型的无损检测方法，在高速公路建设中发挥了重要的作用，其通过快速、无损、准确的特点可以为施工提供高质量的施工资料，保证了施工质量；同时可以发现工程建设中存在的问题，从而提高工程建设质量。因此，在高速公路建设中应根据工程具体情况选择探地雷达技术进行检测。从探地雷达检测结果来看，该路段裂缝病害较为严重。实际上所有的道路病害均是道路内部结构和整体结构承载能力弱化的表现，在实际施工过程中应针对裂缝、空洞和沉陷病害展开针对性的养护。