王江飛

【摘 要】隨國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)投資規(guī)模不斷增大，公路工程質(zhì)量控制得到空前重視?；谔降乩走_(dá)高精度、連續(xù)的無(wú)損檢測(cè)方式，其在公路面基層厚度和路面下存在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用日益得到重視。本文對(duì)其在公路建設(shè)前期的地質(zhì)勘察、施工質(zhì)量檢測(cè)和后期維護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例加以分析，最后就探地雷達(dá)技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用前景作一展望。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá) 基本原理 公路缺陷 路面探測(cè)

1概述

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。交通是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，它的迅速發(fā)展直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)，在整個(gè)交通運(yùn)輸體系中，公路又是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，國(guó)家每年投資成巨大資金用來(lái)修建公路，全國(guó)的高速公路迅猛發(fā)展，形勢(shì)十分喜人。但同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的問(wèn)題，如現(xiàn)有落后的公路檢測(cè)手段和高速發(fā)展的公路建設(shè)之間的矛盾，怎樣保證又快又好地檢測(cè)施工質(zhì)量，如何提高公路養(yǎng)護(hù)管理的水平等，都是一些亟待解決和探討的問(wèn)題[1]。本文對(duì)其在公路建設(shè)前期的地質(zhì)勘察、施工質(zhì)量檢測(cè)和后期維護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例加以分析，最后就探地雷達(dá)技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用前景作一展望。

2探地雷達(dá)基本原理

2.1探地雷達(dá)檢測(cè)原理[2]～[4]

探地雷達(dá)是利用主頻數(shù)十至數(shù)千兆赫的高頻電磁波由地面發(fā)射天線（T）送入地下，以寬頻帶短脈沖形式發(fā)射傳播，而后通過(guò)地下介質(zhì)界面反射，通過(guò)地面一天線（R）接收。如果地下結(jié)構(gòu)有多層介質(zhì)時(shí)，則反射波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)均要反射，此種狀況反射波為多次反射波。探地雷達(dá)主要是通過(guò)接收天線和發(fā)射天線互相接收電磁波進(jìn)行工作，并且發(fā)射天線與接收天線距離非常近，現(xiàn)在很多設(shè)備將兩種天線并為一根天線。在公路面層檢測(cè)時(shí)，因介質(zhì)不同并且界面傾角比較小，反射路徑與地面幾乎垂直。因此，在測(cè)線的不同位置上，電磁波通過(guò)介質(zhì)的雙程走時(shí)的變化就反映了檢測(cè)目的層厚度的變化。

2.2探地雷達(dá)系統(tǒng)原理

探地雷達(dá)工作時(shí)，在雷達(dá)主機(jī)控制下，是通過(guò)脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號(hào)傳輸給發(fā)射天線，發(fā)射天線傳輸信號(hào)在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體或者均勻面時(shí)，產(chǎn)生反射信號(hào)，地面接收天線接收反射信號(hào)后直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)；接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形和放大等處理后通過(guò)電纜傳輸?shù)竭_(dá)雷達(dá)主機(jī)，而后傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對(duì)信號(hào)根據(jù)信號(hào)幅度的大小進(jìn)行詳細(xì)的編碼，并以偽彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來(lái)，經(jīng)事后處理，技術(shù)人員可用來(lái)判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)。

3探地雷達(dá)基本技術(shù)[5]

3.1天線頻率的選擇

通常情況下，簡(jiǎn)易路面厚度為10～20cm、高等級(jí)公路路面厚度為20～30cm、機(jī)場(chǎng)跑道面層厚度為40cm。在檢測(cè)中需根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)界面的埋深，選擇合理的天線中心頻率，方可取得最佳效果。天線中心頻率的選擇要兼顧目標(biāo)深度、目標(biāo)最小尺寸以及天線尺寸是否符合場(chǎng)地需要。在滿足分辨率且場(chǎng)地條件許可的情況下，應(yīng)盡量選擇中心頻率低的天線。3影響探地雷達(dá)測(cè)厚精確度的幾個(gè)主要參量作為探地雷達(dá)，它所面對(duì)的是十分復(fù)雜的對(duì)象，有很多未知而不定的因素。因此，正確的操作，合理的使用，綜合的分析，才能減少誤差，達(dá)到規(guī)定要求的精確度。應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先要調(diào)整好波形，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間窗口、步長(zhǎng)（測(cè)點(diǎn)距）等，以獲取最佳信息。有了全部信息，要從中提取出路面的真實(shí)厚度值，必須確定以下幾個(gè)主要參量，即底界面的回波、地面零點(diǎn)和路面的介電常數(shù)。能否正確地確定這些參量，會(huì)直接影響探測(cè)厚度的精確性。

3.2確定底界面的回波

由于目前還不能從原始波形中直接精確區(qū)分路面與路基界面的反射回波，因此，如何提取界面回波信號(hào)是解決問(wèn)題的核心。干擾波形狀很有規(guī)律性，因此可以用相關(guān)分析的方法來(lái)抑制干擾波或雜波。在實(shí)際操作中，選擇路面結(jié)構(gòu)中最厚點(diǎn)作為參考點(diǎn)，利用一個(gè)不含界面反射信號(hào)的回波信號(hào)與含有界面反射信號(hào)的回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的底界面回波信號(hào)，計(jì)算出回波時(shí)間。而后在探測(cè)圖像上尋找多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，直至底界面回波信號(hào)顯示清晰滿意為止。則參考點(diǎn)就可以通過(guò)探測(cè)的波形分析來(lái)確定，或選用已有鉆探的最大厚度的探測(cè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

3.3確定地面零點(diǎn)

有了底界面的回波時(shí)間，還必須正確判定地表面的位置，才能確定電磁波在面層中的實(shí)際傳播時(shí)間。地面零點(diǎn)判斷不正確，就會(huì)直接影響厚度值的讀數(shù)。在探測(cè)前，可以先把一塊金屬板放在收發(fā)天線下面，這時(shí)顯示屏上得到的是一個(gè)很強(qiáng)的全反射波形；拿掉金屬板，顯示屏上出現(xiàn)雷達(dá)波對(duì)路面的反射波形；這兩種波經(jīng)過(guò)相關(guān)對(duì)比分析，很容易確定地面水平零線反射波的位置。

3.4標(biāo)定路面的介電常數(shù)

設(shè)定合適的路面介電常數(shù)是保證路面厚度值探測(cè)精度的關(guān)鍵參數(shù)，由于介質(zhì)的介電常數(shù)受很多因素的影響，如路面材料、結(jié)構(gòu)變化、施工工藝、密實(shí)程度、含水量等，各探測(cè)點(diǎn)的介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)差別。為了保證檢測(cè)結(jié)果的有效性和可信度，必須進(jìn)行標(biāo)定，通常采用的是鉆孔取樣。取樣點(diǎn)的選擇可以在探測(cè)圖像中尋找比較均勻、有代表性的地段以及面層最厚和最薄的特殊點(diǎn)。這樣，可以從多方面進(jìn)行標(biāo)驗(yàn)，選擇出最合適的介電常數(shù)值。這種方法，經(jīng)實(shí)際使用，厚度檢測(cè)的效果良好，探測(cè)精度誤差可控制在±5%以內(nèi)。

4探地雷達(dá)在工程建設(shè)中的應(yīng)用

4.1道路建設(shè)與管理中的應(yīng)用

探地雷達(dá)可成清晰直觀的圖像，并且精度比較高；故公路興建前，探地雷達(dá)可用于對(duì)預(yù)定建設(shè)路段的地質(zhì)基礎(chǔ)進(jìn)行勘察，確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)，劃分不良地質(zhì)體（流砂體、暗河、暗塘、墓穴等），路基下是否埋設(shè)了電纜和管線等，為道路設(shè)計(jì)提供地質(zhì)基礎(chǔ)的依據(jù)。

4.2公路建設(shè)過(guò)程中和竣工驗(yàn)收時(shí)的應(yīng)用

目前，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)可以精確測(cè)量路面面層厚度，效果良好。多次工程探測(cè)結(jié)果表明，其平均誤差可以達(dá)到≤±5mm；還可成像顯示各層結(jié)構(gòu)的均勻性，圈定質(zhì)量不合格地段的范圍，因此，使用道路探測(cè)雷達(dá)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控路面的施工質(zhì)量，在施工各個(gè)階段中，分階段跟蹤進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，從打地基到鋪面層，鋪一層快速檢測(cè)一層，并將實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果打印，現(xiàn)場(chǎng)分析，有問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正；這樣不但能保證施工質(zhì)量，還大大節(jié)約了一旦返工所造成的費(fèi)用損失。

4.3 道路使用維護(hù)期的應(yīng)用

道路投入使用后，應(yīng)用道路探測(cè)雷達(dá)可進(jìn)行道路狀態(tài)的日常維護(hù)監(jiān)察、階段性路基質(zhì)量普查、路基內(nèi)隱性災(zāi)害或病害（如裂縫、下陷、脫空、變形）的探測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面下的問(wèn)題，防患于未然。

某高速開(kāi)通后不久，路面上就出現(xiàn)許多塌陷，給行車安全帶來(lái)嚴(yán)重影響。利用探地雷達(dá)對(duì)道路下巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面排查。圖2是探地雷達(dá)配置GC100MHz天線檢測(cè)得到的一幅雷達(dá)剖面，可以看出該地區(qū)巖石均勻且衰減小，雷達(dá)剖面背景干凈，從淺至深的異常反應(yīng)明顯：上部明顯的雙曲線反應(yīng)對(duì)應(yīng)過(guò)路的管道，下部出現(xiàn)多處幅度和相位異常，后經(jīng)開(kāi)挖檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多處裂隙，找到了路面發(fā)生裂縫和沉降的原因。最后經(jīng)分析處理，圈定地下裂隙和溶洞近100處，為全面整治提供了第一手資料，避免了公路反復(fù)養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的人力物力浪費(fèi)，快速消除了行車安全隱患。

4 結(jié)論及應(yīng)用前景展望

通過(guò)近年來(lái)的工程實(shí)踐可以認(rèn)為探地雷達(dá)是一種快速高效、安全的無(wú)損檢測(cè)方法，該方法只要少量鉆孔配合以了解公路的結(jié)構(gòu)及地層變化情況。探地雷達(dá)無(wú)論是在道路厚度質(zhì)量檢測(cè)，還是病害隱患檢測(cè)，都將產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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