三維探地雷達的典型病害識別檢測與應用

馬一飛

（邢臺市公路工程質量監督站，河北 邢臺 054000）

目前，我國高速公路在響應綠色基建的理念背景下，由原先注重投資額度、以犧牲環境為代價的粗放模式，逐步轉為高質量、綠色發展的新型可持續模式。三維探地雷達路面病害無損檢測屬于高質量養護的一種創新形式，本文通過分析三維雷達的檢測原理、統計檢測結果，總結了這種檢測方法的優缺點，為今后高速公路養護、改擴建檢測提供了一種新思路。

本文在某高速公路區間的檢測路段應用三維雷達，檢測路段總長度約為3km，大部分采用雙向六車道設計，兩側分布有應急車道。經初步分析和實地勘察，認為該路段下方有極大概率存在空洞、不密實、脫層等質量病害，具體位置可能位于結構層或路基下面層。為精確病害位置，試驗擬采取全球定位系統初步確定，再使用便攜式探地雷達和手持RTK定位裝置復測，最后根據病害嚴重程度給出相應的處治建議。

一、工作原理及設備

三維探地雷達是近年來新興的一項技術，其工作原理是通過高頻電磁波的傳播與反射信息，經過技術手段轉換與處理，最終實現結構內部雷達圖像的呈現。其中，高頻電磁波由天線發出，于路面構造介質中傳播，并在介電常數各異的物質接觸面處發生反射，再由天線接收獲取后，經過去噪、濾波及模型構建等技術處理，從而獲得路面結構內部的雷達顯示圖像。該系統能實現地毯式高速公路檢測，借由雷達數據形成的圖像切片，分析地下異常部位，包括位置、形狀及病害類型等，并提出施工建議。此次檢測任務應用的設備為GPRMIMO4003D10RS型陣列探地雷達系統。

二、數據采集及處理

由于檢測路段車流量較大，白天出行車輛較多，不具備探測條件，因此選擇夜間23時之后對該路段的所有車道開展三維探地雷達掃描探測，數據采集過程中，采用差分GPS定位及距離觸發相結合的方式工作。

（一）數據處理

三維探地雷達采集的數據為原始雷達數據，在分析雷達數據前，需要提前消除數據中的干擾信號，提高信噪比，增強數據的可讀性，提高病害識別的準確性。采用主要的雷達數據處理方法有去除零偏、增益調節、FIR濾波、背景消除等。得到可讀性強的三維雷達數據后，逐一分析每一車道每條測線的數據，標注并導出每個病害的GPS坐標位置。

（二）現場定位

根據三維探地雷達的檢測結果，確定異常區域并導出病害GPS坐標后，再通過手持RTK定位裝置確定病害的位置，使用便攜式通用探地雷達定位點復測，進一步精確病害位置。

（三）典型病害識別

高速公路病害的種類較多，常見的早期病害包括裂縫、車轍、表面破損、地下裂隙、脫空、空洞等，后期如果伴隨地下管線漏水、雨水沿裂縫的滲透沖刷侵蝕，道路下土壤會流入年久失修坍塌的防空洞等地下工程或暗河中，導致路面塌陷。由于很多病害無法通過肉眼觀測到，因此需要借助無損檢測手段，定期開展養護檢測，建立包括地表、地下、分布范圍、不同時期的道路狀況四維數據庫，針對不同的病害種類及等級，采取相對應的處治方法。

1.正常路面基層的標準雷達異常圖像

正常施工后的路面為層狀，不同層面上的填筑材料的介電性存在某些差別，所以相應的基層標準雷達圖像的色譜圖應當顯示為水平層次方向的延展，且同一層內的信號強度類似，表現為沒有顯著的突變。

2.富水體

結構層中的富水體介電常數較大，且富水程度越高，與普通土體的介電常數差值越大，表現為雷達圖譜上的頂部反射信號增大，而下面則衰減迅速，如圖1所示，同向軸較連續，頻率通過水的濾波作用降低。

圖1 道路下富水體雷達剖面

3.公路局部不密實

在路面基層內有破碎、疏松等病害現象時，此區域的介電常數將有突變，導致反射信號顯著，探測器中接收的雷達剖面圖像出現異常情況。一般非密實土體與密實土體的交界處會存在較大幅度的反射差值，具體不密實范圍的邊界確定方式為：正常的連續反射波遇到非密實土體時，其同向軸將出現斷開或發生凹凸升降，波長變大，波幅晃動，并存在顯著的波組特征，如圖2所示。

圖2 道路結構層不密實雷達剖面

4.局部脫空或空洞

對于一般的土體而言，其相對介電常數的數值處于6～40范圍內，而在空洞與脫空位置，相對介電常數為1。因此，不同土層之間的介電性差異非常顯著，此時雷達波的反射界面將尤其顯著，同時波的傳遞速度變小。在雷達圖譜上，此種病害的表現形式為反射的信號能量增大，頻率、振幅及相位等均發生突變，同時空洞區域下方存在多次反射波，且有繞射現象發生于邊界處，如圖3所示。

圖3 道路空洞探地雷達剖面

5.鋼筋、管線及規則形狀異常干擾

由于公路具有復雜的特性，因此探測環境中異常目標較多，如圖4所示。這些異常目標通常形狀規則，能夠通過陣列探地雷達的成像剔除，避免發生誤判。

圖4 管線探地雷達剖面

三、數據解釋及病害統計

案例中某高速公路區間的檢測路段平路測量長度約為3km，檢測區域包括雙向六車道，以及兩側分布的應急車道。初次篩選得到23處可疑病害點位置，經過進一步復測除去14處，保留9處病害位置，病害位置信息如表1所示。

表1 某高速公路病害信息及處理建議

四、結語

本文以某高速公路為試驗路段，充分證明三維雷達能夠準確檢測高速公路路面結構中的裂縫、空洞、破碎等病害。但這種檢測方法也存在一些弊端，包括無法準確判斷半剛性基層的細小裂縫、三維雷達檢測通車路段時速率較慢。因此，建議相關人員在運用時提高數據采集、處理效率，為后續處治高速公路路面結構病害打下基礎。