探地雷達法在公路隱性病害檢測中的應用

陳裕權

（廣州誠安路橋檢測有限公司，廣東 廣州 510420）

近年來，隨著道路交通事故的頻發，使得人們提高了對公路養護的重視程度。尤其是一些運營年限較長的公路，經過長時間的運營，其路面不僅出現了多種病害，且內部結構也存在很多隱性病害，已無法滿足人們安全行車的要求。但由于公路病害具有較高隱蔽性的特點，如：內部結構松散、裂縫，地基比較軟，這些病害相對比較隱蔽，采用傳統的檢測技術很難檢測出其結構內部所存在的隱性病害，且容易給路面帶來極大的破壞性，檢測結果存在較大誤差，檢測分辨率低，很難將公路結構內部的隱性病害反映出來，只能任由隱性病害不斷發展，這也給公路的安全運營帶來嚴重的安全隱患。為了能夠有效提升道路交通安全，降低公路交通事故發生率，亟需一種操作簡單、精準度高、效率高、對公路不存在破壞性的檢測技術。為此，探地雷達無損檢測技術應運而生。其因操作方便、檢測精度高、效率高、實時成像，不會對路面產生破壞而在公路檢測中得到了廣泛應用。通過將其應用到公路日常檢測中，能夠有效檢測出公路結構中所存在的隱性病害，使公路管理維護人員能夠及時修復公路病害，確保公路安全運營。

1 探地雷達系統構成與工作原理

1.1 系統構成

探地雷達法作為眾多無損檢測技術之一，其主要由主機、收發機、收發天線所組成，且分為兩個系統，一個是主控系統，另外一個是收發系統。主控系統負責采集信號、信息儲存；收發系統則負責發射電磁波、A/D轉化、接收電磁波等工作，具體見圖1所示：

圖1 探地雷達法系統構成圖

1.2 工作原理

探地雷達是一種利用高頻電磁波信號在界面上的反射來檢測公路結構隱性病害的方法。其在檢測過程中，通過向發射機和接收機發送一系列控制命令。發射機根據命令向地下發射電磁波，接收機則根據命令對地下介質界面反射波進行數據采集。經過采樣和A/D轉換后，接收的反射信號轉換成數字信號被顯示和保存。由于發射天線和接收天線緊靠地面，發射機發射出來的短脈沖電磁波經發射天線輻射傳入大地，電磁波在地下傳播過程中，當遇到介質的分界面后便會被反射或折射回來，而被反射回地面并被接收到的電磁波便是回波。工作人員可以根據回波訊號、傳播時間以及實時圖像來推斷地下介質分布、病害情況，從而判斷出公路內部存在哪些隱性病害。

2 公路隱性病害識別

2.1 底部土質松散

公路結構內土質松散一般是由于公路在施工過程中，因為施工材料沒有壓實，或是材料之間不黏結，使得土體中存在很多空隙。長期受行駛車輛荷載和降雨的影響，公路內部的結構便會出現不穩定、承載力下降的現象。通過探地雷達法檢測圖像可以看出公路結構不同程度土質松散病害的分布，如：施工材料沒有壓實或土體不黏結的部位，電磁波傳播速度快，頻率增強，波長變短，介電常數小，圖像中會出現很多不密實的黑白點，說明其松散程度較為嚴重；而經過壓實的部位，其頻率變小，波長變長，圖像中黑白點相對比較少，振幅介電常數也比較高，如圖2~圖3所示：

圖2 探地雷達法工作原理圖

圖3 公路底部土質松散病害數據圖

2.2 內部裂縫較多

高速公路的路面出現沉降、開裂等情況，主要是因為結構層隱藏裂縫所致。一般裂縫會分為很多種，有水平裂縫、傾斜裂縫，還有垂直裂縫，但結構內出現的裂縫大多是垂直裂縫居多。通過雷地探測單一結構層中垂直波時，能夠看到垂直裂縫其頂部和底部的兩條粗線的雷達波比較明顯，斷面的線段則會出現很多小段，且小段后面都會有一個小點，并逐漸形成一條曲線波（見圖4所示）；對多層結構層垂直裂縫進行檢測，可以看到這些結構層的表面出現開裂，則能夠發現結構層所存在的裂縫，并透過檢測圖像，能清楚確定垂直裂縫不同位置裂縫的深度。但若其表面沒有裂縫，底層或基層卻早已開裂，如若不及時檢測，則難以發現結構層中的隱藏的裂縫。為此，通過探地雷達無損檢測技術能夠及時發現結構內部底層所存在的裂縫，以便能夠及時對其進行修復，避免其不斷發展。

圖4 垂直裂縫波形成圖

2.3 內部結構脫空

公路內部結構存在脫空或空洞隱性病害時，主要是因為結構內部面層、基層或底層之間的材料部黏結，在長期受到車輛來回荷載影響下，容易造成結構內部各個層與層之間離析，從而出現脫空現象。此時，如果還得不到及時修復，任由其不斷發展，久而久之，這些脫空的結構層的土體便會慢慢變得松散，在行車和降雨的作用下，結構層內松散的材料會隨著雨水流失，從而逐漸形成空洞。為此，通過對公路內部結構進行鉆心取樣對比時，能夠準確掌握存在脫空或空洞病害的具體位置與病害深度，并透過檢測圖像可以清楚看到不存在病害的結構層，其電磁波頻率小；而存在脫空或空洞的結構層，其電磁波頻率一般在17 000~18 000 Mv之間，且圖像中能夠清楚看到存在脫空或空洞部位的結構層周邊存在明顯的橫直條紋，由此可以確定該部位存在脫空或空洞病害，如圖5所示：

圖5 脫空/空洞病害結構層的雷達圖像

3 應用實例

3.1 工程概況

文章以某高速公路為例，主線全長13.88 km，該段高速路設計車速80~120 km/h，設計車流量6萬次/日，雙向六車道，至今已運行了二十多年。在此運營期間內，由于每日行駛車流量多，據統計，高峰時每日車流量高達10萬次/日，且大多都是重載車輛，使得該高速公路一直處于超負荷運營狀態。久而久之，K0+420m-K2+850m多個主車道路面存在不同程度的受損現象，K1+300m-K2+600m路段的路面還存在嚴重的龜裂、坑槽、沉陷情況（見圖6所示），還要個別合同段路肩出現下沉，已嚴重影響到高速公路的行車安全。由此可見，該路段結構內部存在嚴重的松散、裂縫等隱性病害，亟需對該高速公路進行病害檢測，以提高公路路面承載能力，確保公路安全運營。

圖6 某高速公路路面病害圖

3.2 探地雷達隱性病害檢測

針對該高速公路相關路段所存在的病害，如若采用傳統的檢測方法，不僅檢測范圍小，檢測效率低，同時，還會對路面造成二次傷害。尤其是一些表層完好路面，傳統的檢測技術很難檢測出其內部結構層所存在的隱性病害。為了能全面查清K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段內部結構所存在的隱性病害，故采用探地雷無損檢測對這些路段路面的結構進行檢測分析。

（1）現場測線布置。考慮到K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m這些路段車流量比較多，為了保障檢測人員人身安全，故選擇在K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段左右輪跡帶進行測線布置，以便能夠準確定位出隱性病害的具體位置。（2）檢測設備。本次采用脈沖探地雷達進行病害檢測。該雷達具有檢測范圍廣、精準度高、使用簡單、數據采集速度快、質量高、性價比高等特點，將其應用到該高速公路內部結構隱性病害檢測中，能夠滿足其檢測要求。

3.3 檢測結果分析

通過對K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600 m路段進行現場開挖取芯，并根據雷達圖像所顯示的病害區域公路內部結構進行驗證，見圖7所示：

圖7 公路內部病害圖

根據雷達檢測結果可以看出，K0+420m-K2+850m路段主車道圖像顯示結構內存在土質松散，不密實的病害時，其雷達波會出現上部輕下部重的雜亂波線；而K1+300m-K2+600m路段主車道結構內部土體含水量相對比較高，且局部存在脫空現象，此時雷達圖像上的同相軸會出現連續、平滑波形，這主要是因為結構層間脫空。而該高速公路的K0+420m-K2+850m和K1+300m-K2+600m路段結構內之所以存在土質松散、不密實、含水量高、脫節空洞等隱性病害，主要還是因為該路段在施工時因為沒有壓實，使得土體內部存在空隙。加上該路段每日行車量比較大，久而久之，在行車的作用下該段路面便會出現裂縫或沉降病害；若不及時進行修補，在遇到雨季時，雨水會順著裂縫滲入表層內，若不及時將雨水排出，雨水便會慢慢滲入結構底層，導致結構內部土體含水量高、松散等隱性病害，嚴重的還會造成土體結構內出現脫節、空洞等病害，嚴重降低公路承載力。

4 總結

根據對某高速公路雷達檢測實踐可以看出，作為創新技術的雷達無損檢測法，其具有使用方便、高精準度、高效率、無損壞、檢測范圍廣、檢測結果比較準的特點，將其應用到高速公路隱性檢測中，能夠檢測出公路在運營期間所存在的病害具體位置、類型、大小以及原因，為高速公路管理養護單位提供解決病害的依據。