熊延華,田 華,陽應(yīng)榮,溫肖博

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護集團有限公司,貴州 貴陽 550014; 2.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來，我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面投入了大量資金，推動經(jīng)濟社會的健康發(fā)展。為鼓勵交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，政府實施了一系列優(yōu)惠政策。然而，高速公路混凝土路面存在材料差異和孔隙率高等問題，傳統(tǒng)探測技術(shù)難以直觀分辨道路損傷情況。近年來，探地雷達技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路工程領(lǐng)域，并取得了良好效果。該技術(shù)能無損檢測公路路面結(jié)構(gòu)層厚度和路基路面質(zhì)量，提供各項指標(biāo)參數(shù)和公路使用性能評價，同時也能獲取公路路基、鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度、路拱橫坡和病害情況等數(shù)據(jù)，為病害原因分析和補強加固提供準(zhǔn)確參考，有助于提高公路性能和延長使用壽命。該文探討了探地雷達技術(shù)在提升工程質(zhì)量、加快施工進度和降低成本等方面的作用和意義，并通過對現(xiàn)有技術(shù)的綜合研究和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，旨在為高速公路建設(shè)提供更快速、更準(zhǔn)確的無損檢測解決方案，以推動高速公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 探地雷達無損檢測技術(shù)

1.1 探地雷達技術(shù)原理

三維探地雷達利用高頻脈沖電磁波在地下傳播時，當(dāng)不同介電屬性的物質(zhì)層存在界面差異時，電磁波會發(fā)生折射和反射，返回地面并通過接收天線接收回波信號。在電磁波的反射和穿透過程中，其波形和強度會因介質(zhì)的幾何形狀和電磁特性變化而改變。通過分析接收到的探地雷達脈沖波形和繪制雷達波譜圖，可以利用計算機對雙程走時、振幅、波長和信號強度等特征進行分析和處理，進而獲得地下的三維空間、幾何形態(tài)和介電特性信息。通過分析雷達圖像，可以直觀地觀察地下道路損傷情況，實現(xiàn)對路面內(nèi)部病害的快速、無損檢測[1]。

1.2 探地雷達的作用

探地雷達在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用有利于進一步提高高速公路建設(shè)質(zhì)量和效率。

（1）精確無損檢測。探地雷達可以對高速公路的路基、路面和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層精確地進行無損檢測，包括測量厚度、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特征等。通過獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以評估工程質(zhì)量、發(fā)現(xiàn)病害和缺陷，并及時采取修復(fù)和加固措施[2]。

（2）提高施工效率。探地雷達以高速率進行數(shù)據(jù)采集和處理，可以快速獲取地下結(jié)構(gòu)的信息，有助于加快施工進度和決策過程，減少工程延誤，并提高施工效率。

（3）降低施工成本。通過精確的無損檢測，可以避免不必要的拆除和重建，減少施工中的浪費和成本。探地雷達可以幫助識別結(jié)構(gòu)的強度和質(zhì)量問題，并及時采取適當(dāng)?shù)拇胧?，降低施工過程中的風(fēng)險和成本[3]。

（4）延長使用壽命。通過定期或階段性的探地雷達檢測，可以監(jiān)測和評估高速公路的結(jié)構(gòu)健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的病害和損傷，有助于延長公路的使用壽命，提高交通安全性和可持續(xù)性[4]。

（5）數(shù)據(jù)支持決策。探地雷達提供的數(shù)據(jù)可以用于工程設(shè)計、施工監(jiān)控和維護管理等方面的決策支持。通過對數(shù)據(jù)的分析和解釋，可以制定合理的工程方案，并進行有效的資源分配和管理。

探地雷達在高速公路建設(shè)中起著重要的作用，可以提供精確的無損檢測、提高施工效率、降低成本、延長使用壽命，并為決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持[5]。這種技術(shù)的應(yīng)用有助于提升高速公路的質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展。

1.3 探地雷達技術(shù)優(yōu)點

三維探地雷達在近地表工程勘探中廣泛應(yīng)用，具備高分辨率、準(zhǔn)確性高、效率高、結(jié)果直觀、全覆蓋等特點。其主要優(yōu)點包括：

（1）數(shù)據(jù)全覆蓋、高密度：通過多通道采集技術(shù)，三維探地雷達獲取的雷達數(shù)據(jù)具有全覆蓋和高密度的特點，能夠較全面地了解地下結(jié)構(gòu)的信息。而且，采取多通道采集技術(shù)時，數(shù)據(jù)的安全性相對較高。

（2）高數(shù)據(jù)分辨率：三維探地雷達具備高數(shù)據(jù)分辨率，能夠直觀地查看地下物體的異常狀態(tài)可以，并可以滿足不同深度探測的要求，通過選擇不同中心頻率的雷達天線，可以獲得更詳細和精確的數(shù)據(jù)。

（3）任意平面和深度數(shù)據(jù)截?。涸摷夹g(shù)可以對獲取的數(shù)據(jù)進行截取和分析，使得處理結(jié)果可以展示在任何平面和深度上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的三維展示，方便對地下結(jié)構(gòu)進行全方位觀察和分析。

（4）高數(shù)據(jù)采集效率：三維探地雷達的數(shù)據(jù)采集效率較高，不會影響施工作業(yè)的進行。這使得在探測作業(yè)期間可以高效率、快速地獲取數(shù)據(jù)，同時不會損壞路面或結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無損探測。

（5）廣泛適用范圍：三維探地雷達適用范圍廣泛，不僅可以對公路路面的厚度、強度和結(jié)構(gòu)層質(zhì)量進行檢測，還可用于工程質(zhì)量評價和結(jié)構(gòu)層厚度測試等領(lǐng)域。其在土木工程、建筑工程、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

（6）高探測速度：三維探地雷達采用低頻率的雷達發(fā)射天線，使得探測速度非?？?。在高速公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測中，可以在短時間內(nèi)完成大型檢測項目。

（7）快速數(shù)據(jù)處理和成像速度：由于三維探地雷達的天線頻率較低，數(shù)據(jù)采集速度相對較快，有助于加快數(shù)據(jù)處理和成像速度，提高工作效率。

（8）強大的圖像識別能力：三維探地雷達具備較強的圖像識別能力，可以分辨出微小的差異。通過軟件處理和圖像識別的方法，對采集的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，得出可靠的結(jié)果。

（9）應(yīng)用范圍廣泛：三維探地雷達技術(shù)廣泛應(yīng)用于公路路基、路面和鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測，以及工程質(zhì)量評價和結(jié)構(gòu)層厚度測試等領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域提供了一種高效、準(zhǔn)確的探測方法。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某高速公路建設(shè)線路K33+356~K93+920地下存在大量沉陷、裂縫、坑槽等病害。為探明該公路建設(shè)線路地下病害發(fā)育情況，明確高速公路建設(shè)難點，確定道路病害解決對策，同時為道路施工設(shè)計提供技術(shù)支撐，采用探地雷達對K33+356~K93+920段沿線地下病害分布情況進行探測。檢測線路長度約為11 km，由于受到地形和地質(zhì)限制，大部分道路均使用點測方法，采用100 MHz雷達天線開展探測工作，采用時窗為300 ns，探測深度約為15~20 m，采樣點距為0.5 m。

2.2 道路內(nèi)部損傷情況

以1 000 m為基準(zhǔn)劃分單元段落，根據(jù)探地雷達對道路內(nèi)部損失結(jié)果，統(tǒng)計不同道路單元沉陷面積、脫落空體積及裂縫率，并繪制道路病害分布圖，以此來直觀地表征該高速公路建設(shè)路段不同類型病害分布情況[6]。其中，道路裂縫率計算公式如下所示：

式中，r——裂縫率（m/1 000 m2）；s——檢測區(qū)域面積（m2）；l——裂縫程度，包括縱向和橫向裂縫（m）。

圖1所示為道路裂縫病害分布情況。從圖中可以看出，該段道路裂縫病害較多，主要集中于道路基層和面層，土基和底基層裂縫病害相對較少。該段道路裂縫病害較為嚴(yán)重的路段分別為K112+000~K118+000、K89+000~K99+000及K77+800~K80+000基層和面層位置[7]。

圖1 道路裂縫病害分布圖

圖2所示道路空洞病害分布情況，由圖可知該段道路空洞病害主要集中于基層和面層，底基層空洞病害相對較少，土基無空洞病害。該段道路空洞病害主要分布于K107+000~K113+000、K99+00~K102+000、K87+000~K95+000、K77+800~K80+000，以上路段空洞病害較為嚴(yán)重，此外K112+00~K119+000、K115+000~K119+000、K107+000~K117~000路段病害嚴(yán)重程度相對較低。

圖2 道路空洞病害分布圖

圖3所示為道路沉陷病害分布情況。通常情況下道路沉陷病害主要由土基層陷落所引起的，因此針對該病害主要檢測土基。由圖可知該段道路沉陷病害主要分布于K84+000~K86+000、K88+00~K94+000、K110+000~K116+000，以上幾段道路沉陷病害較為嚴(yán)重，呈現(xiàn)集中沉陷情況。

圖3 沉陷病害分布圖

從圖1~3可以看出，該段高速公路裂縫病害較為嚴(yán)重，沉陷病害和空洞病害相對較輕，可見該段高速公路裂縫為主要病害。根據(jù)探地雷達檢測結(jié)果分析得知，該段道路病害產(chǎn)生的原因包括以下幾方面：一是道路在溫度和荷載雙重作用下出現(xiàn)疲累裂縫；二是土基土質(zhì)不穩(wěn)定出現(xiàn)土基下沉現(xiàn)象，進而導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)層脫落出現(xiàn)空洞病害；三是道路空洞病害在車輛荷載作用下會引發(fā)裂縫病害。另外，該段道路底基層和基層采用半剛性結(jié)構(gòu)材料，由于受材料特性影響，道路底基層、基層出現(xiàn)溫縮和干縮裂縫[8]。

2.3 路面結(jié)構(gòu)層厚度

為簡化分析工作量，選擇具有代表性的路面內(nèi)部和表面狀況路段K90+000~K100+000進行分析。

圖4所示為高速公路各結(jié)構(gòu)層裂縫率分布曲線。從圖中可以看出，該段道路水穩(wěn)基層、瀝青面層開裂程度相對嚴(yán)重，其中水穩(wěn)底基層開裂問題相對較輕。從變化曲線來看，不同結(jié)構(gòu)層裂縫率分布規(guī)律基本一致，尤其是水穩(wěn)基層和瀝青面層裂縫率分布規(guī)律一致性較高。由此可見，該段道路結(jié)構(gòu)層裂縫病害主要為干縮裂縫和溫縮裂縫；而瀝青面層裂縫病害主要為底基層、基層干縮裂縫和溫縮裂縫，并且該病害具有向上發(fā)展的趨勢，并最終形成反射裂縫[9]。

圖4 道路各結(jié)構(gòu)層裂縫率分布

該路段底基層雷達影像較為模糊，并且底基層積水較多，水穩(wěn)基層－底基層、瀝青面層－水穩(wěn)基層、空氣－瀝青面層三個界面清晰看見，但是水穩(wěn)底基層－路基層無法明確辨識，由此可見該路段底基層受積水的影響較為嚴(yán)重。造成雷達影像模糊不清的原因是底基層水介電常數(shù)為81，大于底基層介電常數(shù)，并且由于水與路基材料介電常數(shù)差距較大，導(dǎo)致電磁波混亂無序，進而使得雷達影像模糊。

底基層出現(xiàn)大量積水的原因主要包括以下幾點：一是該道路段所處區(qū)域為海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量相對較大；二是該道路中央分隔帶不具備隔水作用；三是道路結(jié)構(gòu)層與中央分隔帶的隔水措施相對較差，導(dǎo)致雨水通過中央分隔帶滲入道路內(nèi)部。

3 結(jié)論

探地雷達技術(shù)作為一種新型的無損檢測方法，在高速公路建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，其通過快速、無損、準(zhǔn)確的特點可以為施工提供高質(zhì)量的施工資料，保證了施工質(zhì)量；同時可以發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)中存在的問題，從而提高工程建設(shè)質(zhì)量。因此，在高速公路建設(shè)中應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇探地雷達技術(shù)進行檢測。從探地雷達檢測結(jié)果來看，該路段裂縫病害較為嚴(yán)重。實際上所有的道路病害均是道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)承載能力弱化的表現(xiàn)，在實際施工過程中應(yīng)針對裂縫、空洞和沉陷病害展開針對性的養(yǎng)護。