探地雷达技术在多元结构道面检测中的应用

王富鹏

民航机场建设工程有限公司（300456）

据 《2019 年交通运输行业发展统计公报》[1]统计，年旅客吞吐量超100 万人次的通航机场有106个，年旅客吞吐量超1 000 万人次的通航机场有39个； 年货邮吞吐量超10 000 t 以上的通航机场有59 个。 可见，随着我国社会经济的快速发展，航空运输日渐成为的人们的首选。

机场的道面类型主要可以分为两类:一类是用水泥混凝土构筑成的刚性道面，一类是用沥青混凝土构筑成的柔性道面。 欧洲、中亚地区以柔性道面为主，而我国则以刚性道面为主[2]。在机场道面日常使用、维修过程中，沥青道面因其具有维修、养护便捷，飞机行驶平稳舒适，施工速度快、周期短等明显优点， 在国内外的各大中型机场的新建、 改建、扩建、修复道面等工程中被广泛采用。

对机场道面检测理论、方法、技术等进行研究，是促进我国民航业高速发展的重要举措。

文章依托某机场道面改扩建工程，对探地雷达在机场道面病害检测方面的应用进行分析。

1 检测计划

1.1 检测原理

在雷达检测中最常用的计量单位是纳秒（ns），它是一个时间单位。 另外，时窗也是利用雷达进行数据采集时必须要设置的参数， 其单位就是纳秒（ns）。雷达使用者通过设置的时窗来确定探地雷达主机系统在发射电磁波信号后什么时间就可以开始记录天线接收到的、 经地下反射回的电磁波，也就是控制整个传播过程的时间。

雷达的电磁波信号的穿透能力与被测目标所在环境的介质有很大关系，也就是与介质的电导率有关。电导率可以理解为阻抗，介质的电导率越大，电磁波能够穿透的深度越浅。雷达发射的雷达波在介质中的传播速度与介质的介电常数有很大关系，介质的介电常数越小，雷达波在介质中的传播速度就越大。

1.2 检测参数

探地雷达的检测参数见表1。

表1 探地雷达检测参数

1.3 检测方案

一般而言，雷达检测技术是沿线追踪技术，其可以解决特殊定位问题。 雷达除了可以探测非金属物体，还可以扫描较大的区域，在该区域事先并不知道管线的位置和数量。当探测管线时，垂直于探测的方向做许多扫描线，通过一系列的扫描可以得到正确的图像。

机场公司提供的道面结构资料显示， 机场跑道原结构设计情况如下（自下至上）:跑道两端为15 cm级配碎石+22 cm 水泥混凝土+16 cm 沥青混凝土（86 年加盖）+14 cm（96 年加盖），总厚度为 67 cm；跑道中段为15 cm 级配碎石+20 cm 水泥混凝土+15 cm 沥青混凝土（86 年加盖）+14 cm（96 年加盖），总厚度为64 cm。 该机场跑道的横向宽度为45 m，检测长度为2.7 km，测线方向为东西向，由南到北平行布置29 条测线（S1～S29），每条测线与相邻测线的间距为1.5 m。 停机坪B2 长×宽为108 m×106 m，停机坪 B4 长×宽为108 m×76 m，测线方向为东西向，测线间距为1.5 m，由南到北布置35 条测线；停机坪E4 长×宽为88 m×60 m， 测线方向为东西向，测线间距为3 m，由南到北布置19 条测线。

滑行道C、E 的横向宽度为23 m，测线方向为南北向，测线间距为3 m，由西向东布置7 条测线；滑行道M 的横向宽度为23 m，测线方向为东西向，测线间距为4 m，由南到北布置5 条测线。

2 检测结果分析

根据雷达检测结果分析， 不同检测部位的道面下方的病害种类均为5 种:松散不密实、空洞、脱空、含水和沉陷。 其中，松散不密实和空洞为主要病害，分布广泛；局部有脱空、含水和沉陷病害。

2.1 病害示例

2.1.1 松散不密实

表现特征:雷达波的反射接收信号非常强，同相轴不连续，表现为为错断、杂乱无章，多数情况下出现区域性质的分布。 此外，针对松散不密实病害，可以利用雷达对其进行准确定位，然后进行现场钻芯验证（如图 1 所示）。

图1 松散不密实典型病害示例

通过钻取的芯样可知，构层（由上至下）:30 cm沥青混凝土+21.6 cm 水泥混凝土+碎石；层厚:第一层沥青混凝土为70 mm， 第二层沥青混凝土为75 mm，第三层沥青混凝土全部松散，第四层沥青混凝土部分松散，水泥混凝土为216 mm；层间:第一层沥青混凝土与第二层沥青混凝土粘接较好，第二次与第三层、第四层沥青混凝土无粘接，第四层沥青混凝土与水泥混凝土无粘接。

2.1.2 空洞

表现特征:雷达波的反射接收信号非常强，具有典型的孤立体相，一般情况下为规整或非规整的类似于双曲线形状的特征，并且三振相迹象特别显著，下方出现不同介质的明显的反射介质界面信号（如图 2 所示）。

图2 空洞典型病害示例

2.1.3 脱空

表现特征:雷达波的反射接收信号非常强，大多情况下出现水平状的条带，为经过多次反射的信号（如图 3 所示）。

图3 脱空典型病害示例

2.1.4 高含水

表现特征:雷达波的反射接收信号非常强，低频占据主要部分，大多情况下同时出现显著的震荡迹象（如图 4 所示）。

图4 高含水典型病害示例

2.1.5 沉陷

表现特征:雷达波的反射接收信号非常强，有明显下沉迹象（如图5 所示）。

图5 沉陷典型病害示例

2.2 病害检测结果统计分析

对整条跑道道面29 条测线的病害检测结果进行统计（以每100 m 为一个测线段，对每个测线段的病害进行单独统计），可以得到如下统计图:

图6 各个测线段不同病害统计图

由图6 可知，整条跑道不同位置处所出现的病害情况各异。 松散不密实病害类型在整条跑道上表现最为明显，其最少处位于1 300～1 400 m 测线段，总数约为250 个；最多处出现于2 100～2 300 m 处，总数约为900 个。 空洞病害现象在整条跑道上呈现西多东少的趋势，但是东西两侧的空洞数量并没有太大的差异，整条跑道的空洞个数约为200 个/hm。脱空、高含水两种病害的出现频率较为接近，且数量较少，在每个测线段内分布较为均匀，约为25 个/hm。 总体来看，某机场的跑道病害情况已经较为严重了，急需修复。

3 钻芯验证

当雷达检测工作结束后，可根据检测结果综合判定道面情况，并依据判定结果进行现场钻芯检测。在每个钻芯区域至少钻取5 个芯样。 在跑道两端以及跑道中段，着重选取探地雷达测试中病害状况表现明显的位置钻取芯样， 同时应避开飞机起降区域，以免对机场运行和飞行安全造成影响。

钻芯结果如下:

1）位置:横向距南边线5.0 m、纵向为P0+44 m处。

结构层 （由上至下）:30 cm 沥青混凝土+20 cm水泥混凝土+碎石。

层厚:第一层沥青混凝土为8.4 cm；第二层沥青混凝土大部分破碎松散；第三层沥青混凝土大部分破碎松散；底部水泥混凝土芯为20 cm。

层间结构: 芯样中部的沥青混凝土呈部分或全部松散脱落状，中部不能明确分层，底部的水泥混凝土上表面离析现象明显，呈蜂窝状。

2）位置:中线偏南 2.5 m、纵向为 P0+72 m 处。

结构层（由上至下）:36.6 cm 沥青混凝土+30 cm水泥混凝土+碎石。

层厚:第一层沥青混凝土为3.5 cm ；第二层沥青混凝土为5.6 cm；第三层沥青混凝土为12 cm；第四沥青混凝土为6 cm； 第五层沥青混凝土为9.5 cm；底部水泥混凝土为30 cm。

层间:第一层与第二层分开，界限明显，交界面无黏结力，老化严重；第二层与第三层黏结较好，第二层顶部松散，其中2 cm 深度碎裂；第三层与第四层黏结在一起，第四层在取出时因受力而断成两截；第四层与第五层分界明显，未黏结，已经分离；沥青混凝土与水泥混凝土分离，无粘接。

3）位置:横向距北边线 8.5 m、纵向为 237（即P2+37 m）m 处。

结构层 （由上至下）:21 cm 沥青混凝土+30 cm水泥混凝土+碎石。

层厚:第一层为100 mm；第二层沥青混凝土为6 cm，大部分破碎松散；第三层沥青混凝土为5 cm，大部分破碎松散； 底部水泥混凝土芯样未取出；层间:第一层、第二层、第三层沥青混凝土分离，无粘接；沥青混凝土与水泥混凝土无粘接。

4）位置:距中线2.5 m、C 滑行道由北向南65 m处。

结构层（由上至下）:25 cm 沥青混凝土+23 cm水泥混凝土+碎石；层厚:第一层沥青混凝土为10 cm；第二层沥青混凝土为5 cm； 第三层沥青混凝土为10 cm，松散脱落，大部分破碎。

水泥混凝土芯样长度为23 cm。第一层、第二层沥青混凝土和水泥混凝土完整。

通过在整条跑道不同位置处对病害情况进行钻芯取样验证，直观地证明了雷达检测结果的正确性。

4 结论与展望

通过雷达检测发现，机场道面下方存在松散不密实、空洞、脱空、含水和沉陷等病害，其中以松散不密实、空洞为主。 这些病害广泛存在，对机场跑道、滑行道、以及停机坪的性能有着较大影响。

检测软件的采集界面友好简单，测试文件名可以取中文名或数字、字母名称，方便客户选择；有中英文采集界面；不但可以利用二维剖面对数据进行解释、判断，也可以方便、直观、准确地对目标进行定位，确定其位置和范围[3]；数据存储、显示可以方便、自由地搭配军工笔记本电脑或常规笔记本电脑，方便客户选择。

文章针对机场沥青道面采用探地雷达进行检测技术研究，对机场道面的建养与检测工作有重要借鉴意义。