張 威，胡 繞，劉 伍

(上?？辈煸O計研究院(集團)有限公司, 上海 200082)

1 引 言

隨著城市部分公路超負荷運載，受大型重車的作用以及地基變形沉降的影響，公路表面瀝青層易出現(xiàn)較大面積的松散、剝落、貫穿裂縫等路面損壞現(xiàn)象，致使路面凹凸不平，影響了公路日常運營的交通安全(董榮偉等，2009)[1]。

通常長期超負荷運營的公路，其路基層內(nèi)部結(jié)構會存在不同程度的病害隱患。這種病害隱患是直接觀察不到的，若僅僅通過盲目修補等措施，而不找出路基層內(nèi)部真正的病害分布情況，是無法針對性地制定處理措施，難以根治病害。因此，如何通過有效手段來快速查明路基層內(nèi)部結(jié)構病害隱患是學者們非常關心的課題(李小平，2008)[2]。

目前運營中的公路病害隱患檢測傳統(tǒng)手段為鉆孔取芯或明挖法，其優(yōu)點是檢測結(jié)果直觀可見，缺點是破壞程度高、效率低、隨機性大、代表性差，無法滿足公路的全面、快速檢測需求，難以達到理想的檢測目的(李成香等，2004；俞先江，2015)[3,4]。

探地雷達技術是近年來發(fā)展起來的高精度、高效率、連續(xù)、無損的檢測技術；迄今為止，已有很多學者將其成功應用于多個地區(qū)的高速公路路基病害檢測中[5-8]。由于高速公路路基層深度較淺，結(jié)構相對簡單，探地雷達均取得了較好的檢測效果。但是，針對公路隧道路基層病害探測應用較少，由于公路隧道路基層結(jié)構相對復雜，對探測精細程度提出了更高的要求。

因此，本文結(jié)合高低頻探地雷達天線的探測特點，將不同頻率天線進行有機組合，應用于某公路隧道的路基病害精細探測中，在保證有效探測深度的基礎上提高探測分辨率；并結(jié)合三維可視化交互解釋技術，立體直觀展示了路基層分層、地下病害分布等情況，為公路隧道日常養(yǎng)護提供科學依據(jù)。

2 探地雷達原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar)簡稱GPR，是利用介質(zhì)間的電導率、介電常數(shù)等電性差異分界面對高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫)的反射來探查地下目標體的。當路基層內(nèi)部結(jié)構破壞時，雷達圖像上會出現(xiàn)異常的反射信號，可通過分析異常反射信號的特征及能量強弱，便可確定地下異常體的埋藏深度及平面位置[9]。其探查原理如圖1所示。

圖1 探地雷達探查原理Fig.1 The principle of ground penetrating radar

脈沖波行程需時：

(1)

其中，V為介質(zhì)中的電磁波速(m/ns)；H為目標體的埋深(m)；x為發(fā)射、接收天線之間的距離(m);t為電磁波的雙程走時(ns)。

當介質(zhì)中的波速V為已知時，可根據(jù)測到的精確t值，由(1)式求出反射體的深度H。式中x值在剖面探測中是固定的，V值可以用寬角方式直接測量，也可以根據(jù)(2)式近似算出(當介質(zhì)的導電率很低時)。

(2)

其中，c為光速(c=0.3 m/ns)， 為介質(zhì)的相對介電常數(shù)值。

3 工程概況及探測工作實施

3.1 工程概況

本次檢測對象為某公路隧道，該公路隧道交通流量大，長期經(jīng)受大型重車的作用以及隧道地基變形沉降的影響，公路表面瀝青層經(jīng)常出現(xiàn)較大面積的松散、剝落、貫穿裂縫等路面損壞現(xiàn)象，致使路面凹凸不平，影響了公路隧道日常運營的交通安全，給隧道日常養(yǎng)護工作帶來了挑戰(zhàn)。

由于該公路隧道區(qū)段經(jīng)過多次翻修，其路基層結(jié)構與當初設計資料存在較大偏差，為了給公路養(yǎng)護提供科學依據(jù)，需查明路基層分層情況以及內(nèi)部結(jié)構是否存在病害隱患，如存在脫空、錯位、破碎等情況，并提供相應病害的分布范圍和深度。

3.2 現(xiàn)場方法試驗

本次選用美國GSSI公司的SIR-30E型雙通道探地雷達及4 00 MHz和1 600 MHz天線相結(jié)合的方法進行探測，以便獲取不同深度的信息。

圖2為試驗測線高頻1 600 MHz雷達天線的探測剖面。由圖2可見，剖面中清晰可見三個典型的反射界面，說明1 600 MHz雷達天線能很好地反映路基淺部結(jié)構分層情況。為了準確標定結(jié)構層各層厚度，現(xiàn)場在試驗測線4.5 m位置通過鉆孔取芯進行驗證。K1孔取芯結(jié)果如圖3所示，由圖3可見，第一層為瀝青層，其厚度為10.0 cm；第二層為混凝土層，其厚度為16.0 cm。結(jié)合鉆孔取芯結(jié)果，對雷達數(shù)據(jù)進行波速標定、校正，進而得到反映路基分層真實深度的雷達剖面。

圖2 探地雷達探測剖面(1 600 MHz)Fig.2 Ground penetrating radar profile(1 600 MHz)

圖3 K1孔鉆孔取芯結(jié)果Fig.3 Coring results of hole drilling

根據(jù)現(xiàn)場試驗，400 MHz天線主要對深基層中隱患病害進行探測，根據(jù)路基層結(jié)構、材料及密實程度等因素，其探測深度可達1.5 m；1 600 MHz天線主要對淺基層進行分層、厚度檢測以及隱患病害檢測，最大探測深度達0.8 m。

3.3 探測工作實施

本次路基檢測工作分別選取公路表面修補痕跡明顯的幾個區(qū)域進行重點探測。按照平行車道和垂直車道交叉布置網(wǎng)格狀測線，從橫縱兩個方向?qū)崿F(xiàn)對檢測區(qū)域下方的全覆蓋檢測，從而取得檢測區(qū)域下方三維全空間檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對路基層結(jié)構及病害的全方位檢測。

4 探地雷達探測成果分析

通過對現(xiàn)場采集的探地雷達數(shù)據(jù)進行背景噪音壓制、帶通濾波、增益、反褶積等預處理，對噪音進行壓制，提高數(shù)據(jù)剖面的信噪比和分辨率[10]。經(jīng)過分析，得到了路基層分層、路基預埋物以及內(nèi)部結(jié)構病害分布等情況。其中內(nèi)部結(jié)構病害主要分為以下幾種類型：①層間松散；②層位錯斷。

4.1 路基分層情況

圖4 探地雷達探測剖面Fig.4 Ground penetrating radar profile

圖5 層位分層解釋成果Fig.5 Stratified interpretation results map

圖4為K0+662測區(qū)中垂直車道(南北向)測線的探地雷達探測剖面，其中圖4(a)為高頻探地雷達天線探測剖面，圖4(b)為低頻探地雷達天線探測剖面。從圖4(a)中可見，路基結(jié)構層存在三個典型的反射界面，根據(jù)歷史施工資料，原隧道路面結(jié)構經(jīng)過大修整改，將原瀝青、水泥混凝土銑刨清除后，在隧道基底層從下至上增設了礫石砂層、素混凝土層、瀝青層。其中第一個層為瀝青層，平均厚度10.0 cm；第二層為混凝土層，平均厚度49.0 cm；第三層為礫石砂層，平均厚度9.0 cm，其底界面深度從左至右逐漸變淺。從圖4(b)中可見，基底層表面有密集鋼筋分布，對探地雷達信號形成顯著的屏蔽作用，因此基底層底部界面反射信號無法獲取。該檢測區(qū)域?qū)游环謱咏忉尦晒鐖D5所示，可以更加直觀地看到該路段路基分層情況以及層位厚度變化情況。

4.2 層間松散異常

圖6 混凝土層松散異常探地雷達探測剖面(1 600 MHz)Fig.6 The loose abnormal offirst concrete layer in ground penetrating radar profile(1 600 MHz)

圖7 瀝青層松散異常探地雷達探測剖面(1 600 MHz)Fig.7 The loose abnormal ofasphalt layer in ground penetrating radar profile(1 600 MHz)

圖6、7分別為K1+680測區(qū)中兩條垂直車道測線(南北向)的探地雷達探測剖面。圖6中左側(cè)混凝土層底界面反射波組缺失(藍色虛線方框所示)，表現(xiàn)為該區(qū)段混凝土層結(jié)構存在松散現(xiàn)象。圖7中局部區(qū)域瀝青層底界面反射波組缺失(藍色虛線方框所示)，表現(xiàn)為該區(qū)段瀝青層結(jié)構存在松散現(xiàn)象。該測區(qū)層間松散范圍主要集中在距離道路表面0.1～0.5 m范圍內(nèi)，即瀝青層和混凝土層?？梢姡缆窚\部病害在高頻探地雷達剖面中具有較好的分辨率，其病害特征能被有效識別，而在低頻探地雷達剖面中無法被識別。

4.3 基層錯位異常

圖8 層位錯位異常探地雷達探測剖面(400 MHz)Fig.8 The abnormal dislocation of layers in ground penetrating radar profile(400 MHz)

圖9 層位錯位異常探地雷達三維可視化成果(400 MHz)Fig.9 The abnormal dislocation of layersin 3D ground penetrating radar profile(400 MHz)

圖10 交叉測線探地雷達三維成果圖(400 MHz)Fig.10 The 3D cross-line result map of ground penetrating radar(400 MHz)

圖8為K0+627測區(qū)中平行車道測線的探地雷達探測剖面，檢測區(qū)域西側(cè)發(fā)現(xiàn)基底層存在明顯的錯位異常。圖9為三維可視化成果圖，可見，垂直車道(南北向)測線的探地雷達剖面顯示反射同相軸平整且連續(xù)，而平行車道(東西向)測線的探地雷達剖面顯示反射同相軸出現(xiàn)錯斷，錯斷位置西側(cè)明顯高于東側(cè)，高差約18.0 cm。同時在錯斷邊緣以及上部混凝土層頂部均存在典型的斷點繞射波，說明錯斷位置處上部的混凝土層也發(fā)生了貫穿式斷裂?？梢?，低頻探地雷達天線具有較好的穿透深度，能有效反映道路結(jié)構層深部的病害特征。

4.4 預埋構件異常

圖10為K1+265測區(qū)三維交叉測線探地雷達剖面，從南北向測線可見，剖面上每隔1 m便出現(xiàn)一個規(guī)則的繞射波組，且東西向剖面上與南北向剖面交叉位置也存在繞射波組，表現(xiàn)為該區(qū)段道路結(jié)構層中存在規(guī)則分布的預埋構件，預埋構件頂部埋深約為0.5 m。

5 結(jié) 論

1)通過將探地雷達應用于公路隧道路基層結(jié)構質(zhì)量無損檢測與評估中，快速確定了路基層分層情況、路基預埋物以及層間松散、層位錯斷等結(jié)構病害的分布情況，證明探地雷達技術在探測公路隧道路基層內(nèi)部情況，進行病害隱患調(diào)查是可靠的，檢測結(jié)果可作為后續(xù)道路養(yǎng)護、維修等工作的依據(jù)。

2)本次探測針對性地選用不同頻率的雷達天線進行組合檢測，在保證有效探測深度的基礎上，提高了淺部檢測精度。結(jié)合高低頻雷達天線探測剖面，實現(xiàn)了對公路隧道路基淺、中、深層結(jié)構病害的精細探測。

3)在探地雷達數(shù)據(jù)處理解釋過程中，采用了三維可視化解釋技術，實現(xiàn)了對公路隧道路基層分層情況以及各種結(jié)構病害的平面和深度的三維定位，成果展示更加形象、直觀。