探地雷达在高速公路病害检测中的应用

谢源

（福建省水利水电勘测设计研究院，福州 350001）

随着高速公路营运年限的增加，交通量大、严重超载等情况的存在和雨水的侵蚀作用，部分高速公路出现一系列的公路病害。若不及时进行治理，路面在交通荷载的作用下，使用性能将会迅速下降［1］。这不仅大大降低了高速公路的安全、快速、舒适行车的使用功能，还增加了公路养护成本。所以分析高速公路路基、路面暴露出的典型病害，包括桥头跳车、桥头搭板脱空、涵管顶及两侧脱空、路面裂缝、网裂、路基脱空、车辙、水损坏、桥面破损等一系列病害［2－4］是很有必要的。这些高速公路病害的初期具有隐蔽性，而常规的钻孔取芯试验、探坑挖验、路表断面测量等检测方法［5－7］，具有对路面的破坏性、检测深度有限、采样点有限、检测结果随机性大、代表性差、效率低等缺点，为此急需发展一种快速、有效、简便的高速公路病害检测技术。

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是利用高频宽带电磁波来探测地下结构和目标体的一种重要浅部地球物理检测方法［8］，它具有效率高、分辨率高、无损性、抗干扰能力强、结果直观等特点，非常适用于高速公路的快速无损检测［9－11］。

1 探地雷达检测原理

探地雷达是一种运用电磁波传播理论进行探测的方法，该方法利用发射天线向地下媒质发射广谱、高频电磁波（脉冲宽为数纳秒以至更小，主频十数兆赫兹至数百以至千兆赫兹），如果电磁波遇到有电性（介电常数、磁导率、电导率）差异的地下目标体，就会发生折射和反射现象，然后接收天线在地面接收并记录地下的电磁波返回信号，经过对接收到的返回信号进行相应的数据处理与分析，再结合工程地质就可以分析推断出地下目标体的情况。目前，用于生产实践中的探地雷达大多采用发射天线和接收天线合二为一，即自激自收方式。可根据式（1）计算出目标体深度［12－14］：

式中：h为目标体的埋深深度；Δt为电磁波的双程走时；v为电磁波在地下媒质中的传播速度。

v可由以下公式计算：

式中：c为光速；ε为媒质的相对介电常数。

反射信号的振幅与反射系数成正比，反射系数r可表示成：

式中：ε1、ε2分别为上、下层媒质的相对介电常数。

由式（3）可以看出反射信号振幅的强度取决于上、下层媒质的电性差，电性差越大，反射信号越强［15］。

2 工程应用实例与分析

笔者检查的高速公路已营运多年，该高速公路为双向隔离、单幅三车道，由于路基填方比例大，路面所见病害多。桥头跳车搭板脱空、涵管顶及两侧脱空、路面脱空是水泥路面主要的破坏形式。选用的仪器是SIR－3000型探地雷达。按技术要求，探测目标深度在0.5～6m，因此笔者在检测过程中分别使用900，400，100MHz的不同频率天线相结合对比的方式，采用了点测与连续测量，通过皮尺加测距轮保证精度，每道采样点为1024个。根据公路路面桥头跳车踏板、圆管涵埋深及其路面脱空需要同时检测的要求，为保证雷达信号清晰，反射信号明显可辨，将分辨率、现场媒质的介质特性以及天线尺寸等因素综合考虑，选用中心频率为900MHz与400MHz的两种天线进行路面脱空及桥头踏板脱空病害检测，选用中心频率为400MHz与100MHz的两种天线进行圆管涵管顶及两侧脱空病害检测，采用自激自收，天线方向与测线方向平行同步移动的方法。每道扫描采样点数设为1024或512，点测量的采样间隔为0.1m，即每米采10个点，路面连续测量设为每米20个点，利用皮尺加测距轮探制其横向精度。图1～4所示雷达剖面图均为此次高速公路检测图。

2.1 完好基层雷达剖面图

一般来说，由于介质的均匀性，正常路基分布区的雷达波反射形成的同相轴层序清晰，水平、均匀、连续，无杂乱较强的反射信号，如图1所示。

图1 完好基层雷达剖面图

2.2 路面病害检测图

局部不密实和局部脱空是在早期较难被发现的高速公路病害，及时发现并治理它们能提高道路修建质量，延长道路使用寿命。局部不密实是由于高速公路建设初期压实度不够或者一些其他原因造成的，在不密实范围内媒质通常不均匀，与周围媒质存在一定的物性差异。典型不密实异常如图2（a）所示，在0.8m深，水平位置4～8m处为局部不密实处，在雷达波形图中表现为波形比较紊乱，反射能量强弱变化较大，层状波形不连续。局部脱空是由于建设期压实度不够或者运营期一些其他原因造成的。如图2（b）为典型的局部脱空，在脱空处出现典型的双曲线绕射波，双曲线绕射波的弧顶为脱空顶点位置。

图2 高速公路路面病害雷达剖面图

2.3 桥梁搭板沉陷检测图

高速公路建成后车流量大，桥头与路面衔接处搭板下由于路基土固结沉降，桥台部位积水渗入基层后容易沿着搭板聚集到搭板下端，在雨水和地下水的侵蚀作用下，使路基强度降低、承载力下降，在搭板和素混凝土下容易发生不同程度的不密实和脱空现象，从而严重威胁高速公路的安全使用。土体受到较大冲刷或排水不利引起构造处理不当，会使台后填土失去稳定性或长期处于潮湿状态，水不能及时排出，致使土体强度降低，进而发生失稳而导致沉陷。典型的桥头搭板沉陷如图3所示，从雷达剖面图中可以清晰地看出桥头搭板沉陷与路桥连接缝，搭板下面路基结构已遭到破坏。

图3 桥头搭板沉陷雷达剖面图

2.4 圆管涵埋深与脱空检测图

混凝土路面在实际使用过程中，由于车辆荷载的重复作用，圆管涵的管顶及两侧易产生填沙蠕动、路面面板下路基易产生一定的塑性变形，致使圆管涵或混凝土板的局部范围不再与路基保持连续接触，即为涵管附近或板下脱空。图4（a）为100MHz雷达天线探测图像，圆管涵的异常波形得到了很好的体现，双曲线弧顶对应实际圆管涵埋深，双曲线弧形的两翼跨度为10m，比实际的管径大很多，要得到管径大小必须选用准确的雷达波波速，进行偏移后处理。但是在100MHz雷达天线探测图像中混凝土路面的面层、基层等分界面及路面、路基中的小的异常体、空洞等并不能得到充分的反映，这是频率和分辨率未能达到所致。图4（b）为同一位置、同一测线400MHz雷达天线探测图像，图中可见：圆管涵双曲线异常清晰可见，双曲线弧形的两翼跨度为5m，管涵顶部及两侧未见明显反射异常，路基各层分界面清楚、面层与基层分界面、基层的下界面都得到了很好的反映，浅部异常能得到很好的反映。

3 结论

探地雷达是一种高效、无损、快捷的高速公路病害检测工具，它可以快速地检测出高速公路在建设期间的工程质量，运营期间的隐患和病害类型、成因、存在位置与规模等，为高速公路维护单位解决高速公路病害，制定科学的维护方案提供科学依据，能产生显著的经济效益与社会效益，具有广泛的应用前景。

图4 管涵埋深与脱空雷达剖面图

探地雷达能够探测不同深度、不同类别的高速公路病害和隐患，为了能发现小的异常体，在探测深度有保证时，应尽量选择频率更高的雷达天线。

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