探地雷達在公路改擴建工程檢測中的應用

李 軍

(廣東省高速公路有限公司， 廣州 510640)

隨著粵港澳大灣區發展規劃的實施，大灣區城市群緊緊聯系在一起，發達的公路網絡更是為大灣區城市群的聯系、發展提供了強有力的支持[1]。截至2020年12月，廣東省高速公路通車里程達到 9 895 km。廣東省高速公路改擴建工程正處于快速發展階段，準確探測原路面技術狀況，針對性設計處治方案，有助于提升工程質量[2-5]。Lee等通過脈沖探地雷達檢測路面厚度，表明了路面實際厚度與實際測試值具有極高的匹配性[6]。許松燕等通過實例和模型試驗研究，指出探地雷達可實現路面脫空病害的檢測，脫空的雷達反射波振幅與脫空的垂向高度之間符合近似正比的關系[7]。許獻磊等提出一種基于差值檢測的道路地下病害檢測方法，用于解決地下病害一次性檢測中存在嚴重環境干擾和檢測精度低的問題，經工程驗證，該方法能夠有效提高病害檢測的精度[8]。鄭正龍通過西安機場高速檢測，表明探地雷達可準確探測出基層病害，具有人為因素干擾少、探測效率高的特點[9]。童崢總結雷達成像原理后，提出了裂縫、沉降和層間脫空等病害在探地雷達剖面圖上的異常波場信號特征，借助CNN模型和探地雷達圖像可實現路面病害類型的識別[10]。

改擴建一般采取邊通車邊施工的方式，在車輛荷載不斷作用下，病害將持續發展[11-13]。因此，歷年定檢表面數據目前已不能完全反映路面的整體狀況，采用三維路面探地雷達檢測舊路全斷面路面結構內部(深至土基)病害，確定路面結構內部病害的分布，對實現改擴建路面結構內部病害的精準探測具有重要意義。

1 工程概況

開陽高速公路是廣東省“十縱五橫兩環”高速公路主骨架中第五條橫線的一段，發揮著重要的交通運輸作用，2004年建成通車后，交通量穩步上升，現狀全線交通量平均已達6.9萬輛/d(折算小客車)，交通擁堵的情況普遍存在，特別是在節假日期間，堵塞尤為嚴重。2017年，開陽高速八車道改擴建工程正式開始施工，路基標準寬度有原來的28 m擴建至42 m，按速度120 km/h的雙向八車道高速公路標準設計。舊路路面結構為19 cm瀝青層+36 cm 水穩基層+20 cm水穩底基層，需加鋪 10 cm 瀝青層(4 cm SMA-13+6 cm AC-20C)，全面處治舊路病害，對于提高加鋪后路面使用壽命具有重要意義。

選取開陽高速公路K3252+020～K3258+360段作為對象。改擴建路面施工前，養護單位采用路面多功能檢測車對路表病害進行了定期檢測，多功能檢測車在程序設定方面，不計入已維修處理過的路面表面損壞，但實際中發現，存在較大比例的路面裂縫壓縫帶損壞或未完全貼縫，坑槽修補出現掉粒、松散、透水等情況；且隨著車輛荷載的作用，病害會持續發展甚至產生新的病害。因此，多功能檢測車的檢測結果不能完全反映路面的整體狀況。為了對該路段的路表狀況檢測結果進行驗證，采用人工徒步調查的方式對路表病害進行檢測，更精確獲得現階段的路表損壞狀況數據，并對相關數據進行統計分析，如圖1所示。

根據該路段路表狀況指數的結果分析，路表狀況指數評級優良率超過90%，評級為中的比例約占8.4%，路段表面狀況表現優良。

2 三維探地雷達檢測

2.1 檢測設備

檢測所采用三維探地雷達系統可三維成像，大大減小了過去在二維成像狀況下對道路內部結構的誤判情況。三維探地雷達系統主要包括GeoscopeTM MKIV雷達主機、DXG系列多通道地面耦合天線陣，如圖2所示。

2.2 檢測原理

三維探地雷達檢測融合了電磁技術、現代電子技術和信息技術，可快速實現道路全斷面的無損檢測。基本原理是地面耦合天線陣向路面內部發送脈沖形式的高頻電磁波，并將反射的電磁波接收、處理、分析，獲得道路結構相關狀況。雷達檢測原理如圖3所示。

圖3 雷達檢測原理

電磁波在地下介質傳播過程中，當遇到管道、脫空、路面結構層分界處等差異介質時，電磁波便發生反射，反射信號最終由地面耦合天線陣接收。經過信號處理機分析和整理后，形成相應的波形顯示，依據得到的雷達波形、強度和雙程走時等參數，準確判斷地下目標體的空間分布、幾何形態和結構形式，進而實現探測地下隱蔽物的目標。

當接收天線發生移動時，即可接收到連續的探地雷達反射波，采用肖寧道路工程技術研究事務所自編程序對其進行后期數據處理，即可形成清晰直觀的高分辨率三維雷達圖像，如圖4所示。

圖4 一般橫向裂縫和縱向裂縫病害概覽圖雷達特征信號示例圖

2.3 檢測方法

檢測路段的樁號為右幅K3252+020～K3258+360，檢測寬度為7.5 m，單次檢測寬度為1.5 m，設置5個檢測道，以實現主車道和超車道的全寬覆蓋檢測。三維探地雷達檢測參數如下：采樣間距Trigger Spacing設置為2.0 cm，駐波時間Dwell Time設置為0.6 ms，時窗Time Window設置為 85 ns。以10 km/h的速度逐條掃描檢測道，全斷面覆蓋待測區域，記錄每個數據矩陣對應的檢測道編號、起點樁號及終點樁號。三維探地雷達檢測現場如圖5所示。

圖5 三維探地雷達檢測現場

3 結果及分析

采用三維探地雷達對路面進行全斷面覆蓋掃描，探明路面結構損傷位置以及相關指標(體積、面積、長度以及最大高程差等)，檢測結果匯總見表1。

表1 路面結構損傷匯總

由表1可知，舊路路面病害以裂縫為主，因此，舊路路面內部病害推薦以裂縫率作為主要的評價指標。另外，對比人工徒步調查結果發現，三維探地雷達檢測路表病害結果具有較高的準確度，達到95%的匹配率。

根據檢測結果，計算面層裂縫率和基層裂縫率，分析檢測范圍內裂縫分布情況，計算公式為

(1)

式中：γ為裂縫率，m/100 m2；lc為段落內面層、基層裂縫長度，m；Area為段落面積，m2。

對開陽高速公路K3252+020～K3258+360段深度為8 cm的面層裂縫率和24 cm的基層裂縫率進行匯總分析，裂縫率分布情況如圖6所示。

由雷達檢測裂縫率結果分析可知：

1)路面結構基層裂縫率呈現非常明顯的高位集中，在K3252+020和K3254+400附近，裂縫率超過50 m/100 m2，基層裂縫的密集程度明顯高出其他位置，其他位置的基層裂縫率基本在10 m/100 m2以下。

圖6 路面面層裂縫率和基層裂縫率分布狀況

2)K3252+020、K3254+400、K3254+900、K3258+000附近，24 cm深度位置基層裂縫率明顯大于8 cm深度位置面層裂縫率，基層干縮裂縫、縱向裂縫和網裂病害非常明顯，而面層裂縫較少。8 cm 深度位置面層為原4 cm上面層+4 cm罩面層，上基層表面裂縫向上反射尚未貫穿路面表面，另外，由于該段落表面罩面處治時間不長，部分反射裂縫被修復。

3)瀝青路面的8 cm深度面層裂縫率小于20 m/100 m2，K3252+920、K3253+280～K3253+630、K3257+330附近8 cm深度位置面層裂縫率明顯大于24 cm深度位置基層裂縫率，路面表面除了基層反射裂縫外，還存在一小部分自上而下發展的疲勞裂縫和溫縮裂縫。

選取K3254+320-400段路面進行開挖驗證，該段各結構層雷達影像如圖7所示。

圖7 K3254+320-400路面各結構層雷達影像

雷達圖像結論：面層有小量輕微裂縫，下基層整體開裂情況基本和上基層一致，存在較嚴重的網狀開裂，底基層仍然有較多裂縫，略少于下基層，土基整體狀況良好。

結合現場情況與雷達圖像分析：對于路表，主車道有銑刨，超車道未銑刨，超車道出現裂縫而主車道未出現裂縫。雷達可以識別主車道基層的裂縫，實現隱形病害的探測，開挖后基層病害情況如圖8所示。

圖8 開挖后基層病害情況

從開挖驗證結果來看，三維探地雷達檢測的病害結果與開挖后發現的路面病害結果在三維空間上具有高度的吻合性，實現了對3 mm裂縫的探測。

4 結論

依托開陽高速公路改擴建工程，開展了人工調查路表、三維探地雷達檢測病害與開挖驗證等工作，研究探地雷達的應用效果，得到如下結論：

1)三維探地雷達檢測參數設置不同影響精度，當采樣間距設置為2.0 cm、駐波時間設置為0.6 ms、時窗設置為85 ns時，可達到較好的檢測精準度。

2)三維探地雷達對毫米級病害依然敏感，縫寬為3 mm時，三維探地雷達可識別出面層、基層橫向、縱向裂縫、網狀裂縫等。

3)三維探地雷達可實現對路面結構內部不同深度位置的裂縫病害進行探測，并據此了解裂縫的發展方向及性質。