三维探地雷达在路面内部病害检测中的应用

王钊栋，彭勇均，熊春龙

(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广东 广州 510000；2.佛山市交通运输综合服务中心，广东 佛山 528000)

目前我国高速公路路面养护需求和养护方案决策主要以《公路技术状况评定标准》为依据，除路面结构强度指数外，沥青路面状况的评价指标基本上是路表指标。然而，道路结构内部隐蔽性病害的发育、发展程度，对于路表病害的产生和发展有必然影响。根据路表病害确定的道路预防性养护需求存在时间上的滞后性。近年来，我国探地雷达技术的应用取得了长足的发展，但应用较多的是二维探地雷达技术，检测效率低，检测点按线性布置，易遗漏重要结构病害信息，如纵向检测时，易遗漏内部纵向开裂病害，而横向检测时，易遗漏内部横向裂缝病害等。相对于传统二维探地雷达，三维探地雷达可实现沥青层全宽范围的内部异常识别(内部结构缝、结构内积水、以及层间脱空等)。因此，采用三维探地雷达对沥青路面结构内部病害进行检测，是提高路面结构内部隐蔽病害识别的有效方法，为准确判定沥青路面养护需求状况提供支撑。

1 三维探地雷达无损检测技术

探地雷达无损检测技术是在地球物理学方法、计算机方法和电磁学方法的基础上发展起来的一种病害检测技术，其发展可追溯至20世纪70年代。通过电磁波在结构物中的传播理论，并利用结构物介电特性的差异，可发现如管道、水等异常或病害，并可推断异常的几何形态、空间位置等。三维路面探地雷达是当前公路病害的主要无损检测技术之一，三维探地雷达工作模式示意见图1。三维探地雷达采用步进频率技术，连续频率范围为200 m Hz～3 000 m Hz，可获得不同深度的最佳分辨率，同时满足探测深度和最佳分辨率。天线阵子间距为7.5 cm，可实现100 km/h的车速，并提供7.5 cm×7.5 cm网格检测三维信息。三维雷达检测的信息具有三维属性，可分解为纵断面、水平面、横断面三个方向的视图，见图2。

图1 三维探地雷达工作原理示意图

图2 三维探地雷达检测信息分解

2 工程应用实例

2.1 工程背景

广东省京珠高速公路，是7918国高网的主要南北纵向路线的一部分，设计时速为120 km/h，路基设计宽度35 m，全线双向6车道高速公路标准。至今已运营长达15年之久，路面出现了较多裂缝、坑槽等病害。

为了对比三维探地雷达检测结果与路表病害的对应性，对三维雷达检测路段的路表病害状况进行调查，结果见表1。

表1 路表病害统计结果

2.2 三维探地雷达检测方案

为了提高对沥青路面内部结构隐蔽异常的检测精确性，在检测前，对三维探地雷达进行检测参数的设置，参数设置见图3。

图3 三维探地雷达检测参数设置

三维探地雷达的采样间距Trigger Spacing为7.6 cm，检测时窗Time Window设置为50 ns，驻波时间Dwell Time设置为30 ns，三维探地雷达的检测速度为20 km/h。

3 结果分析

3.1 三维探地雷达检测结果

为了验证三维探地雷达检测结果的准确性，对三维探地雷达检测路段进行同步对点钻芯。三维探地雷达检测结果与钻芯孔洞、芯样状况的对比分析结果见图4。

图4 不同桩号位置雷达检测路面内部病害与钻芯孔洞、芯样比对

由图4(a)和图4(b)可知，沥青路面表面状况良好时，从对点钻芯的孔洞、芯样状况来看，与YK18+876处三维探地雷达检测的路面内部横向裂缝对应的是钻芯孔壁的开裂，与YK28+761处三维探地雷达检测的路面内部脱空对应的是钻芯孔壁的孔洞。由图4(c)可知，沥青路面表面存在纵向裂缝时，从对点钻芯的芯样状况来看，与K19+350处三维探地检测的路面内部纵向裂缝对应的是钻芯芯样的纵向贯穿裂缝。路面钻芯显示内部结构状况与三维探地雷达检测结果具有较好的对应性。图4(d)中沥青路面路表无病害，三维探地雷达检测未发现路面内部存在病害，对应的钻芯芯样未发现异常。

从钻芯和三维探地雷达成像结果可知，三维探地雷达图像与钻芯结果的对应关系明显。三维探地雷达能够较好的识别和检测道路结构内部病害状况。

根据对广东省京珠高速公路沥青路面内部结构病害的三维探地雷达信息识读分析，以及对识读信号与钻芯结果的对比，提出沥青路面内部结构的典型病害的三维探地雷达信号判读标准，见表2。从纵断面、水平面、横断面三个方向综合判定路面结构内部异常。

表2 典型病害的三维探地雷达信号识读标准

3.2 路面养护需求分析

依据《公路技术状况评定标准》，根据检测路段的路表状况对检测路段沥青路面的养护需求进行判定，结果见表3。

表3 依据路表状况判定的沥青路面养护需求

由表3可知，除YK28+000～29+000需要进行轻度养护外，其他路段现阶段无养护需求。但这个结果仅仅基于路表病害得到，对于沥青路面结构内部病害的情况未做考虑。为了使沥青路面养护需求的判定更加科学合理，对三维探地雷达检测的路面结构内部病害进行统计分析，结果见表4。

表4 路面结构内部病害统计汇总

由表3和表4可知，路面结构内部病害与路表病害的程度具有一定的相关性，路面结构内部病害对路表病害存在影响，路表病害一定程度上是路面结构内部病害发展到终期的表征。在路表病害评价为优良时，路面内部结构可能已经处于一个较差的状态，采用《公路技术状况评定标准》的方法对沥青路面进行评价，忽略了路面结构的内部病害，易导致路面养护需求等级的判定结果存在时间滞后性，延迟了对路面状况的维修和恢复。

4 结 语

对比分析三维探地雷达检测结果与钻芯结果的对应性，并根据三维探地雷达检测结果，对采用路表病害判定的沥青路面养护需求结果进行分析。主要结论如下：

(1)三维探地雷达无损检测结果与钻芯结果符合性良好，三维探地雷达无损检测技术对沥青路面结构内部病害的检测有效。

(2)提出沥青路面内部结构病害的三维探地雷达信号识读标准。

(3)依靠路表病害判定沥青路面养护需求，忽略了路面结构内部病害的影响，易导致沥青路面养护需求存在时间滞后性，不利于沥青路面结构的耐久性。