三維探地雷達在路面內部病害檢測中的應用

王釗棟，彭勇均，熊春龍

(1.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司，廣東 廣州 510000；2.佛山市交通運輸綜合服務中心，廣東 佛山 528000)

目前我國高速公路路面養(yǎng)護需求和養(yǎng)護方案決策主要以《公路技術狀況評定標準》為依據(jù)，除路面結構強度指數(shù)外，瀝青路面狀況的評價指標基本上是路表指標。然而，道路結構內部隱蔽性病害的發(fā)育、發(fā)展程度，對于路表病害的產生和發(fā)展有必然影響。根據(jù)路表病害確定的道路預防性養(yǎng)護需求存在時間上的滯后性。近年來，我國探地雷達技術的應用取得了長足的發(fā)展，但應用較多的是二維探地雷達技術，檢測效率低，檢測點按線性布置，易遺漏重要結構病害信息，如縱向檢測時，易遺漏內部縱向開裂病害，而橫向檢測時，易遺漏內部橫向裂縫病害等。相對于傳統(tǒng)二維探地雷達，三維探地雷達可實現(xiàn)瀝青層全寬范圍的內部異常識別(內部結構縫、結構內積水、以及層間脫空等)。因此，采用三維探地雷達對瀝青路面結構內部病害進行檢測，是提高路面結構內部隱蔽病害識別的有效方法，為準確判定瀝青路面養(yǎng)護需求狀況提供支撐。

1 三維探地雷達無損檢測技術

探地雷達無損檢測技術是在地球物理學方法、計算機方法和電磁學方法的基礎上發(fā)展起來的一種病害檢測技術，其發(fā)展可追溯至20世紀70年代。通過電磁波在結構物中的傳播理論，并利用結構物介電特性的差異，可發(fā)現(xiàn)如管道、水等異常或病害，并可推斷異常的幾何形態(tài)、空間位置等。三維路面探地雷達是當前公路病害的主要無損檢測技術之一，三維探地雷達工作模式示意見圖1。三維探地雷達采用步進頻率技術，連續(xù)頻率范圍為200 m Hz～3 000 m Hz，可獲得不同深度的最佳分辨率，同時滿足探測深度和最佳分辨率。天線陣子間距為7.5 cm，可實現(xiàn)100 km/h的車速，并提供7.5 cm×7.5 cm網格檢測三維信息。三維雷達檢測的信息具有三維屬性，可分解為縱斷面、水平面、橫斷面三個方向的視圖，見圖2。

圖1 三維探地雷達工作原理示意圖

圖2 三維探地雷達檢測信息分解

2 工程應用實例

2.1 工程背景

廣東省京珠高速公路，是7918國高網的主要南北縱向路線的一部分，設計時速為120 km/h，路基設計寬度35 m，全線雙向6車道高速公路標準。至今已運營長達15年之久，路面出現(xiàn)了較多裂縫、坑槽等病害。

為了對比三維探地雷達檢測結果與路表病害的對應性，對三維雷達檢測路段的路表病害狀況進行調查，結果見表1。

表1 路表病害統(tǒng)計結果

2.2 三維探地雷達檢測方案

為了提高對瀝青路面內部結構隱蔽異常的檢測精確性，在檢測前，對三維探地雷達進行檢測參數(shù)的設置，參數(shù)設置見圖3。

圖3 三維探地雷達檢測參數(shù)設置

三維探地雷達的采樣間距Trigger Spacing為7.6 cm，檢測時窗Time Window設置為50 ns，駐波時間Dwell Time設置為30 ns，三維探地雷達的檢測速度為20 km/h。

3 結果分析

3.1 三維探地雷達檢測結果

為了驗證三維探地雷達檢測結果的準確性，對三維探地雷達檢測路段進行同步對點鉆芯。三維探地雷達檢測結果與鉆芯孔洞、芯樣狀況的對比分析結果見圖4。

圖4 不同樁號位置雷達檢測路面內部病害與鉆芯孔洞、芯樣比對

由圖4(a)和圖4(b)可知，瀝青路面表面狀況良好時，從對點鉆芯的孔洞、芯樣狀況來看，與YK18+876處三維探地雷達檢測的路面內部橫向裂縫對應的是鉆芯孔壁的開裂，與YK28+761處三維探地雷達檢測的路面內部脫空對應的是鉆芯孔壁的孔洞。由圖4(c)可知，瀝青路面表面存在縱向裂縫時，從對點鉆芯的芯樣狀況來看，與K19+350處三維探地檢測的路面內部縱向裂縫對應的是鉆芯芯樣的縱向貫穿裂縫。路面鉆芯顯示內部結構狀況與三維探地雷達檢測結果具有較好的對應性。圖4(d)中瀝青路面路表無病害，三維探地雷達檢測未發(fā)現(xiàn)路面內部存在病害，對應的鉆芯芯樣未發(fā)現(xiàn)異常。

從鉆芯和三維探地雷達成像結果可知，三維探地雷達圖像與鉆芯結果的對應關系明顯。三維探地雷達能夠較好的識別和檢測道路結構內部病害狀況。

根據(jù)對廣東省京珠高速公路瀝青路面內部結構病害的三維探地雷達信息識讀分析，以及對識讀信號與鉆芯結果的對比，提出瀝青路面內部結構的典型病害的三維探地雷達信號判讀標準，見表2。從縱斷面、水平面、橫斷面三個方向綜合判定路面結構內部異常。

表2 典型病害的三維探地雷達信號識讀標準

3.2 路面養(yǎng)護需求分析

依據(jù)《公路技術狀況評定標準》，根據(jù)檢測路段的路表狀況對檢測路段瀝青路面的養(yǎng)護需求進行判定，結果見表3。

表3 依據(jù)路表狀況判定的瀝青路面養(yǎng)護需求

由表3可知，除YK28+000～29+000需要進行輕度養(yǎng)護外，其他路段現(xiàn)階段無養(yǎng)護需求。但這個結果僅僅基于路表病害得到，對于瀝青路面結構內部病害的情況未做考慮。為了使瀝青路面養(yǎng)護需求的判定更加科學合理，對三維探地雷達檢測的路面結構內部病害進行統(tǒng)計分析，結果見表4。

表4 路面結構內部病害統(tǒng)計匯總

由表3和表4可知，路面結構內部病害與路表病害的程度具有一定的相關性，路面結構內部病害對路表病害存在影響，路表病害一定程度上是路面結構內部病害發(fā)展到終期的表征。在路表病害評價為優(yōu)良時，路面內部結構可能已經處于一個較差的狀態(tài)，采用《公路技術狀況評定標準》的方法對瀝青路面進行評價，忽略了路面結構的內部病害，易導致路面養(yǎng)護需求等級的判定結果存在時間滯后性，延遲了對路面狀況的維修和恢復。

4 結 語

對比分析三維探地雷達檢測結果與鉆芯結果的對應性，并根據(jù)三維探地雷達檢測結果，對采用路表病害判定的瀝青路面養(yǎng)護需求結果進行分析。主要結論如下：

(1)三維探地雷達無損檢測結果與鉆芯結果符合性良好，三維探地雷達無損檢測技術對瀝青路面結構內部病害的檢測有效。

(2)提出瀝青路面內部結構病害的三維探地雷達信號識讀標準。

(3)依靠路表病害判定瀝青路面養(yǎng)護需求，忽略了路面結構內部病害的影響，易導致瀝青路面養(yǎng)護需求存在時間滯后性，不利于瀝青路面結構的耐久性。