GPR無損檢測技術在道路病害檢測中的應用

宋大鵬， 楊 進

(深圳高速工程顧問有限公司)

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GPR無損檢測技術在道路病害檢測中的應用

宋大鵬， 楊 進

(深圳高速工程顧問有限公司)

采用GPR技術對梅觀高速公路改造段的原有混凝土道路質量情況進行連續掃描數據采集，通過這些大量采集的數據對道路原有混凝土的厚度、鋼筋分布、板底脫空等情況進行評價，全面反映了原有道路混凝土路面板的質量及其存在的質量缺陷，改變以往一貫不連續、數據采集少，反映不全面的破壞試驗檢測。

擴建改建工程；道路病害；無損檢測；GPR技術

1 工程概況

梅觀高速公路擴建工程是深圳市高速公路網規劃“七橫十三縱”中的一條縱向高速公路，同時也是廣東省規劃珠江三角洲二環高速公路的重要組成部分。梅觀高速公路南接梅林海關，經皇崗路延伸到亞洲最大的陸路口岸—皇崗口岸，北與莞深高速公路相通，形成了深圳—東莞高速直通干道新局面。

為了更好的滿足交通量增長，適應區域經濟發展，進一步完善深圳市高快速干線路網及廣東省高速公路網功能，提高梅觀高速公路的行車舒適性，深圳高速公路股份有限公司決定對梅觀高速公路進行擴建。梅觀高速公路改造段全長18.862 km，其中起點至清湖立交段為雙向六車道，路基寬31.5 m，清湖立交至終點段為雙向四車道，路基寬24.5 m，此次擴建全線按雙向八車道加寬，標準路基寬41 m。

2 探地雷達檢測的基本原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)也稱作地質雷達，是一種利用地下介質對廣譜電磁波的不同響應來確定地下介質分布特征的地球物理技術。探測時，探地雷達由發射天線向隧道實體發射某一中心頻率附近的高頻、寬帶的短脈沖電磁波。電磁波在隧道實體介質中傳播時，其振幅、相位和頻率等波形特征會隨介質的特性、幾何形狀等變化而變化，經隧道實體或目標體反射而返回表面，被另一天線R所接收。探地雷達接收天線則記錄下反射回表面的電磁波，通過分析所穿過介質的相關信息，以確定道路混凝土實體的厚度、鋼筋分布、底板脫空等質量狀況或存在的質量缺陷分布。

3 現場數據采集

3.1 檢測設備

現場檢測儀器設備采用的是美國地球物理勘探公司(GSSI)推出的新一代探地雷達系統(SIR-3000型探地雷達)，該系統具有多通道、多天線、掃描快、低噪聲等優點，既可以連續測量，也可以點測。天線配置主要從分辨率、穿透力、穩定性三個方面綜合衡量，通常選用400 MHz和900 MHz的屏蔽天線。

3.2 測線布置方式

本次試驗檢測沿道路方向采用縱向測線布設，對于問題比較集中的地方，加密布線或者橫向布設測線。縱向布置測線的優越性：可連續檢測，防止遺漏，檢測覆蓋范圍廣，檢測效率高。

公路技術狀況評定標準中5.3.1檢測與調查方法對于路面破損狀況檢測的規定是：路面破損狀況檢測，宜采用自動化的快速檢測方法，條件不具備時，可人工檢測。采用快速檢測設備檢測路面破損時，應采用連續檢測，橫向檢測寬度不得小于車道寬度的70%。采用人工方法調查時，可采用抽樣調查方法，抽樣規模為10%左右(每公里取100 m，或者每個子路段選取10%的子路段長度)。

由其規范可看出人工破損檢測方法存在以下缺點：一是工作量大，且效率很低；二是不能連續作業，不能很好反映工程實體的整體質量及其存在質量缺陷。

3.3 相對介電常數的標定

介電常數是一個無量綱物理量，它表征一種物質在外加電場情況下，儲存極化電荷的能力。自然界中物質的介電常數最大的物質是水，介電常數為81，最小的是空氣，數值為1。工程狀態下的巖土介質，其介電常數的主要差異決定于含水量的大小。

在已知埋地目標體的厚度h，假設雷達位于目標體正上方時測量的雙程行進時間為t。然后將雷達移至目標體水平距離x處測量雙程行進時間t1，則道路混凝土的波速為

從而可以得到隧道襯砌的相對介電常數ε0為

3.4 天線中心頻率選擇

在保證分辨率且場地條件允可時，盡量使用中心頻率低的天線。天線的中心頻率可由下式確定

式中：x為空間分辨率。在一般公路道路質量檢測中，通常選用中心頻率為400MHz和900MHz的屏蔽天線。

3.5 掃描時窗選擇

掃描時窗的選取既不能選得太小丟掉重要數據，也不能選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度h為目標深度的1.5倍。根據探測深度h和介電常數ε，可確定下式估算采樣時窗長度(Range)：

3.6 其他參數的選擇

掃描樣點數：1 024sample/scan；增益方式：一般取5點自動增益方式；采集方式：連續剖面測量；采樣頻率：15倍的天線中心頻率。

4 數據的處理

探地雷達資料處理的主要任務是，利用雷達探測的基本原理及電磁波在介質中的傳播規律和數字信號處理的方法在計算機上對采集的雷達數據進行有效處理，得到記錄中與隧道結構信息的位置、形態、結構和大小等有關的信息，為后期的反演解釋提供依據。數據處理的主要目的是抑制隨機干擾和有規律的干擾，最大限度提高探地雷達的分辨能力，提取電磁反射波的各種有用參數，來解釋不同介質的物理特征，進而實現雷達信號特征的識別。將野外測量數據采用專業處理分析系統進行資料處理、分析和解釋。數據處理對文件進行預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的處理，最終得到物探成果圖。其中，經過背景去噪、疊加、濾波、反褶積等處理后有良好的效果。

5 結 論

采用GPR技術對梅觀高速公路改造段進行了全方位掃描，全面檢測了舊道路存在的質量問題，通過現場對檢測存在的脫空、無鋼筋信號、路基下沉、基層破損處進行了鉆芯確認，驗證了GPR技術在檢測出質量缺陷的準確性，為參建單位提出可信依據，確保了工程的質量。

[1] 李大心．探地雷達方法與應用[M]．北京：地質出版社，1994．

[2] 劉云禎．工程物探新技術[M]．北京：地質出版社，2006．

[3] 粟毅，黃春琳，雷文泰．探地雷達理論與應用[M]．北京：科學出版社，2006．

2015-02-18

宋大鵬(1982-)，男，吉林人，工程師，研究方向：道路與鐵道工程。

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1008-3383(2015)11-0130-01