三维探地雷达在公路工程检测与质量管理中的应用分析

李兴荟

摘 要：三维探地雷达技术是一种非破坏性地质勘探方法，它能够对路面下的地质结构进行精确探测。技术人员通过分析雷达数据，精确定位病害位置和范围，评估严重程度，制定维修计划，确保道路安全和畅通。文章通过对三维探地雷达在公路工程检测与质量管理中的应用进行分析，解释雷达工作原理，强调实际修路中的关键因素，并结合案例展示雷达技术的应用，以期能为公路工程检测与质量管理提供参考。

关键词：三维探地雷达 公路工程检测 雷达技术

随着公路网的完善，新建道路工程减少，现有旧路面临大规模翻新或拓宽以适应社会发展。这些老路因使用年限长、不同单位施工质量参差不齐，导致路面内部结构存在损伤。要全面了解旧路的状况，关键在于探查那些不可见的地下结构是否完好。三维地质雷达技术在此发挥着关键作用，它能够无损地深入检查路面以下的隐蔽情况。这项技术具有快速、精确的检测优势，且便携易用，对交通影响小，因而受到广泛欢迎。本文将通过实际修路案例，深入分析三维探地雷达的应用效果，并总结经验，为公路养护提供科学的参考依据。

1 公路工程检测要求

公路在长期使用过程中，会因天气变化、交通负荷等因素出现损坏，如裂缝、坑洼等。为确保道路安全和使用性能，必须进行定期的检查和维护。路面损坏的检查通常有两种方法：一是人工检查，二是使用探地雷达。人工检查是最直接的方法，由专业检查员沿着道路行走，通过目视和触摸来识别裂缝、坑洼、鼓包等损坏情况，评估损坏的程度和位置。这种方法简便易行，成本较低[1]。其次是使用探地雷达，该设备通过发射电磁波并接收反射波来探测路面下的损坏情况，这种方法可以快速、准确地检测出路面下的问题，无需挖掘路面，减少了对道路的破坏。在实际工作中，这两种方法往往结合使用：对于表面明显的损坏，采用人工检查；对于深层或难以直接观察的损坏，则使用探地雷达进行探测。

2 三维探地雷达检测的基本原理

2.1 三维探地雷达检测原理

三维探地雷达是一种先进的地下探测技术，它能够透视地表，发现并分析地下结构和潜在问题。该技术通过发射电磁波来实现，这些电磁波穿透地表，遇到不同材质的物体时会产生反射。雷达接收到这些反射波后，工作人员利用电脑软件对它们的形状和强度进行分析，并将信息转化为图像，从而揭示地下物体的位置、大小和深度。三维探地雷达设备由主机、天线和配套零件组成，其工作原理是通过雷达发射电磁波，然后天线接收反射回来的波[2]。在实际应用中，雷达首先将电磁波发射到空气中，穿透混凝土层，产生明显的回波，形成雷达图上的一个特殊标记。随后，电磁波继续穿透路基和岩石层。如果这些层次之间存在不紧密或空洞的情况，雷达剖面相位和幅度会也随之产生变动，提示可能存在问题。此外，如果电磁波遇到地下的金属管道，几乎所有的波都会被反射回来，形成强烈的信号，从而帮助工作人员准确定位地下管线的位置。三维探地雷达探测公路病害时的工作原理如图1所示。

2.2 数据处理

雷达数据处理是一项精细且专业的工作，它依赖于专用的处理软件来优化和修正道路雷达探测所得的原始数据[3]。原始数据可能存在多种问题，如因数据含有直流漂移量导致振幅正负半周不对称，这需要通过偏移处理来解决。接着，进行静校准，确保所有数据都能统一参照道路表面高度，从而使雷达从不同角度探测的数据能够准确对应地下实际位置。随后，执行能量增强，通过增益调整提高弱信号的可见度，避免强信号淹没弱信号，确保信息的全面识别。数字滤波处理则用于去除数据中的低频和高频噪声，保留反映地下结构的有效信号，类似于摄影中使用滤镜去除杂光。最后，滑动平均技术被用于消除随机噪声和瞬间波动，提升图像的清晰度和稳定性，从而使得道路下方的实际情况更加准确和直观地展现在工作人员面前。

2.3 探地雷达应用要点

在应用三维探地雷达探测前，首先需进行现场勘查，收集环境、地质、地形信息，评估工地状况、交通流量和潜在干扰。随后，选择合适的雷达天线和测线布置，确保数据收集的准确性。探测过程分为两阶段：初步的大范围扫描和对可疑区域的详细检查，将问题区域在雷达图像上标记并记录坐标。接着，对发现的病害进行分类和评级。最后，根据病害的类型和严重程度，制定相应的解决方案和应对措施。

3 探地雷达对路面深层次裂缝的识别应用

3.1 设备选择

三维探地雷达技术在市场上应用广泛，主要分为频域雷达和时域雷达两种类型。频域雷达采用步进频率天线，能够发射100MHz至3000MHz的信号，探测深度介于0.2米至10米之间，擅长发现未知位置的深层地下结构问题，如裂缝和空洞。而时域雷达则配备固定频率天线，此天线由频率相同的天线等距排列组成，类似于一支精准的探测小队，适合对已知深度的地下缺陷进行精确扫描[4]。

实验对比了两种雷达在探测路面裂缝方面的性能。频域雷达虽然能够探测地下情况，但生成的图像清晰度不足，难以细致识别路面下的具体损伤，因此不适用于精细的道路病害调查。相较之下，固定频率天线雷达在探测路面微小损伤方面表现出色，尤其是配备1300MHz高频天线阵列时，能够更准确地定位路面下方的细小损伤。

3.2 路面裂缝识别

为了深入探究经人工检查和钻孔取样的路面裂缝情况，采用了探地雷达技术进行细致检测，以评估沥青路面半刚性基层的完整性及其他潜在问题。探地雷达的操作是沿着车辙印进行扫描，并对发现的裂缝进行标记，通过雷达图像揭示裂缝下方的具体情况。雷达图像显示裂缝下方的状况大致分为两类：第一类是“单一型”裂缝，其特点是仅裂缝处雷达信号增强，周围未发现土壤松散或层间粘接问题。第二类是“面积型”裂缝，不仅裂缝处信号增强，连同周围较大区域的信号也显著，表明裂缝下方存在土壤松散、层间粘接不良等问题，且影响范围较广。通过这种分类，可以更准确地评估裂缝的严重程度和维修需求。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

某公路自1997年启用，至今仍在使用。此公路双向四车道设计，限速80公里/小时，总宽度26米。外观检查揭示了轮胎印痕、垂直及半刚性层的水平裂缝等表面病害。进一步取样发现，尽管外观无损，内部结构已疏松[5]。为探测隐蔽病害，采用三维雷达技术进行路面下扫描，并通过钻芯验证。综合雷达扫描与其它检测数据，全面分析公路病害，确保评估的准确性。

4.2 检测结果统计

依据路面病害的多项特征参数，包括病害编号、所在层次、尺寸及厚度等，可以精确计算出病害的具体位置和损坏状况。综合分析揭示了路面凹陷的精确区域、凹陷深度、影响范围；裂缝的确切位置、长度；以及路面与底层之间的空隙区域、空隙大小。此外，详细地标出了病害所在的路面段落及层次。所有检测数据如表1所示。

5 结果分析及处治建议

路面病害的形成是多因素共同作用的结果。要查明原因，需综合考虑各种检查数据、路面的当前状况及其使用历史，通过细致分析才能准确诊断问题所在，进而制定出有效的修复方案。

5.1 结果分析

5.1.1 病害与路表弯沉

右侧病害区域的凹陷程度相对较轻，而左侧病害区域的凹陷则更深，平均超出0.01至0.04毫米。造成这一现象的原因与样本段落有关系。右侧病害区域数量较少，仅9段，而左侧多达44段。此外，仪器测量的凹陷中心点可能与实际病害位置存在偏差。

5.1.2 病害与地质条件

在公路工程检测中，沥青路面和水稳基层的纵向裂缝分布、数量和与填挖深度的关系被详细记录[6]。沥青路面的长裂缝（超过10米）在填筑路段有两处，开挖路段有四处，半填半挖路段有一处。而水稳基层的相应裂缝在这些路段分别出现了九处、八处和五处。总体来看，填筑路段有十一处，开挖路段十二处，半填半挖路段六处裂缝。

进一步分析显示，裂缝长度与填挖深度之间没有明显的线性关系。在沥青层面，每百平方米超过10米的裂纹率在填筑路段有四处，在开挖路段有一处，而半填半挖路段没有。水稳基层的裂纹率超过10米/百平方米的区域在填筑路段六处，开挖路段十二处，半填半挖路段两处。这表明土质基础类型对水稳基层裂纹率有显著影响，尤其是开挖路段裂纹率较高，而填筑路段较低。所有裂纹率超标区域均为非软基地段，分布相对均匀。检测未包括软基地段，进一步证实了裂缝与填挖深度之间缺乏显著的线性关联。

5.1.3 病害与养护历史

经检查，53段道路中12段因病害严重需机器铣刨旧路面后重新铺设，占总数的1/5。维修记录显示，最早维修在2010年，最近一次在2015年。通常维修仅涉及沥青层，忽略了底层水稳层。在这12段全面翻新的道路中，有11段发现水稳层亦损坏，占比超过90%。因此，无论是未修或仅表面维修的道路，其病害问题均严重且明显。

5.1.4 病害与结构层模量

在对路面病害的调查中，发现沥青层有9处存在问题，而水稳层问题更为严重，涉及44处。沥青层病害区域的模量变化相对较小，仅比正常区域低22%。水稳层则出现了22处硬度差异显著的地方，病害区域的硬度降低幅度在44%至62%之间。沥青层由于经常维护，病害较少；水稳层由于长期未得到适当保养，强度减弱，导致病害频发。

5.1.5 芯样与结构层模量

在40次钻芯检测中，沥青路面发现4处内部裂缝，上层基层有4处，下层5处问题。16处水稳层病害严重，无法取样。沥青病害区硬度3256兆帕，低于正常值19%；水稳层病害区硬度仅517兆帕，低于正常值67%。

5.2 病害发生机理

5.2.1 自然因素

硬化水泥混合物易因干燥和温差产生裂缝，导致坚实的水稳层也裂开。温差引起的压力集中是路面开裂的主因。钻芯检测揭示，即使表面完好，内部也可能受损，反映层间粘结不足。路面湿度也影响其状况。持续高温会使路面与地基温差增大，进一步增加开裂风险。

5.2.2 人为因素

公路上的车流量大，超载车辆多，以及在进行保养工作的疏忽和使用的材料与保养技术不合格，这些都属于人为因素。

5.3 处治建议

5.3.1 脱空、松散、沉降

上行车道第三段存在两处超过一平方米的空洞，而下行方向路肩K66+452处有一个约17.2平方米的大空洞。建议采用注浆法修补这些较大空洞。对于较小破损，目前可以不处理，但仍要定期检查，一旦发现问题恶化，应立即通知责任方进行维修。

5.3.2 纵缝

纵向裂缝长度超过十米的，可以利用铣刨重铺的方法来处理，如果路基出现凹陷，应当对其进行注浆补强。

5.3.3 裂缝率每百平方米超过10米

当路段裂缝出现较多时，可以结合路段情况铣刨1至2层，并在对基层注浆处理后，还需注意路面是否平整。

5.3.4 使用无损检查的频率

为能够及时发现病害，应当加强对此公路的检测力度，通过使用三维探地雷达反复检测，可以高效的发现病害并进行处理。

综上所述，三维探地雷达技术在路面结构病害检测中的应用经过了严格的验证和多维度分析，其结果不仅证明了该技术在无损检测方面的高精准度，而且通过与传统检测方法的比对，进一步确认了其在识别承载力下降和材料强度退化方面的有效性。此外，结合室内试验数据和地质条件报告，深入剖析了病害成因，为病害的科学治理提供了重要依据。这些发现不仅推动了探地雷达技术在公路养护领域的应用，而且促进了养护实践的科学化和精准化，为未来的路面养护工作提供了宝贵的经验和技术支撑。

参考文献：

[1]马强.三维探地雷达在公路病害检测中的应用[J].设备管理与维修，2023（10）：92-93.

[2]黄鹂.三维探地雷达在道路裂缝检测中的应用探析[J].科学与信息化，2023（9）：46-48.

[3]祝争艳，蔡文龙，张浩浩.三维探地雷达在道路裂缝检测中的应用[J].山西建筑，2021，47（5）：121-124.

[4]李军.探地雷达在公路改扩建工程检测中的应用[J].科技和产业，2021，21（8）：295-300.

[5]赵杰.无损检测技术在沥青路面检测中的应用[J].智能建筑与工程机械，2020，2（2）：100-101，1044

[6]马一飞.三维探地雷达的典型病害识别检测与应用[J].中国公路，2022，625（21）：90-91.