樊嘉謙，王澤文，楊 睿，楊 康，白 意

（1.武漢鋼鐵有限公司運(yùn)輸部，湖北 武漢 430083；2.上海圭目機(jī)器人有限公司，上海 200433；3.北京北咨工程管理有限公司，北京 101113）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通出行和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)道路運(yùn)輸能力的需求不斷提升，使得道路快速檢測(cè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。廠區(qū)道路以重載交通為主，對(duì)快速檢測(cè)維修需求更為突出。傳統(tǒng)的人工視覺檢測(cè)和鉆芯取樣耗時(shí)長(zhǎng)，路面恢復(fù)效果差，很難實(shí)現(xiàn)大面積道路的高效精準(zhǔn)檢測(cè)。因此快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在廠區(qū)道路的應(yīng)用極為重要，且無(wú)損檢測(cè)技術(shù)同樣是道路檢測(cè)發(fā)展的趨向。王大為等[1-4]通過對(duì)三維探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用研究，證明其在道路病害調(diào)查及分析中具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)外車載檢測(cè)系統(tǒng)僅可對(duì)道路表觀破損進(jìn)行調(diào)查，周游佳等[5]研發(fā)了基于三維檢測(cè)技術(shù)的道路綜合檢測(cè)車，可快速采集路面灰度圖像和橫斷面三維高程數(shù)據(jù)并識(shí)別裂縫、車轍、坑槽等常見公路表觀破損。智能無(wú)人機(jī)和車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為道路表層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害的非接觸式大范圍調(diào)查提供了可能[6]。但是對(duì)于車載式道路表觀結(jié)構(gòu)破損同步檢測(cè)的技術(shù)及研究較少。

基于此，本文通過研發(fā)車載檢測(cè)技術(shù)，集成高分辨率激光相機(jī)和高密度三維探地雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)多條道路的表觀破損和內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害同位置數(shù)據(jù)采集、對(duì)比，通過GPS 厘米級(jí)精確定位、雷達(dá)數(shù)據(jù)AI技術(shù)自動(dòng)識(shí)別和道路質(zhì)量評(píng)估等多維度解決方案的融合，為廠區(qū)道路提供多源精準(zhǔn)數(shù)據(jù)及專業(yè)運(yùn)維養(yǎng)護(hù)建議，為科學(xué)養(yǎng)護(hù)、科學(xué)決策、智慧運(yùn)維提供依據(jù)。結(jié)果證明車載式道路結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有較好應(yīng)用效果，有助于在道路檢測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

1 研究區(qū)域概況

本次調(diào)查的道路位于武漢武鋼集團(tuán)公司廠區(qū)內(nèi)部道路，共涉及33 條道路，總長(zhǎng)度約27875 m，總面積約250950 m2。該廠區(qū)道路使用年限普遍在20 年以上，交通量較大，原對(duì)應(yīng)等級(jí)為三、四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的道路，實(shí)際承擔(dān)一級(jí)道路及特重道路的通行壓力，部分道路先后發(fā)生不同程度破損，依靠道路損壞事后被動(dòng)養(yǎng)護(hù)已不能滿足道路使用及道路養(yǎng)護(hù)管理需求。

由于鋼廠多為重載運(yùn)輸車輛行駛，且交通量大，交通安全要求高，為調(diào)查清楚道路結(jié)構(gòu)病害情況，保障廠區(qū)道路行車安全及延長(zhǎng)道路使用壽命，提高道路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和資金的使用率，結(jié)合道路實(shí)際情況，制定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、規(guī)范化、節(jié)約型、效益型養(yǎng)護(hù)的工作目標(biāo)，確保路況質(zhì)量的穩(wěn)定，故采用車載式路面結(jié)構(gòu)健康調(diào)查系統(tǒng)對(duì)廠區(qū)道路進(jìn)行調(diào)查。

2 數(shù)據(jù)采集方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的車載式結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)系統(tǒng)[7]獲取道路病害檢測(cè)數(shù)據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)包含高分辨率激光相機(jī)和高密度三維探地雷達(dá)。激光相機(jī)能夠獲取細(xì)節(jié)清晰且含深度信息的道路表觀破損影像。三維探地雷達(dá)在車輛移動(dòng)過程中發(fā)射電磁波脈沖信號(hào)，通過電磁波在不同介電常數(shù)的土質(zhì)中發(fā)生折射與反射后被接收機(jī)接收，基于探地雷達(dá)波特征的地下病害的識(shí)別方法，根據(jù)正演規(guī)律推斷某些病害特征的波形、振幅、相位與頻率的變化等，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)得到的波來(lái)反演路面內(nèi)部形態(tài)，輔以水平切片的直觀形態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)病害作精確、詳盡的判斷[8]，最終獲取高密度的路面結(jié)構(gòu)三維病害體數(shù)據(jù)。

車載式結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，具體檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 車載式結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

圖1 車載式道路結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)

2.2 病害識(shí)別

通過自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，依照《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 5210—2018）[9]實(shí)現(xiàn)對(duì)道路表觀破損病害類型和影響程度的自動(dòng)識(shí)別，主要包括裂縫、破碎板、修補(bǔ)等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常則根據(jù)雷達(dá)剖面結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行解析，自動(dòng)識(shí)別出典型的脫空、疏松等病害。根據(jù)《城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 437—2018）[10]對(duì)病害嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)級(jí)。通過道路表觀破損與結(jié)構(gòu)病害同位置數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)其關(guān)聯(lián)性，提出科學(xué)處置意見。

2.2.1 表觀破損病害

表觀破損以裂縫最為普遍，不同道路的裂縫密度和嚴(yán)重程度差異顯著。普遍存在一定數(shù)量的破碎板和修補(bǔ)，部分道路破碎板比例較高?？傮w而言，水泥混凝土路面的表觀破損損壞程度高于瀝青路面（主要為白改黑工程后的路面）。

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害主要集中在基層和土基，以疏松和富含水為主。大多數(shù)路段土基存在較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)疏松現(xiàn)象，如機(jī)修東路及支路、老扎北路、老扎西路、三煉鋼東路等。部分基層和土基存在一定范圍脫空。特殊路段如四冷軋東路、四冷軋南路、一冷軋南路基層出現(xiàn)富含水情況。

3 表觀破損與內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害的關(guān)聯(lián)性分析

通過各路段表觀破損數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)病害同位置分析發(fā)現(xiàn)，在土基或基層疏松位置，其上部混凝土路面和瀝青路面存在明顯的水泥混凝土板破碎及瀝青路面開裂情況；通過分析判斷結(jié)構(gòu)病害（脫空、疏松、富含水）導(dǎo)致上部混凝土板的受力不均，承載力降低,在荷載作用下最終導(dǎo)致混凝土開裂；同時(shí)上部存在結(jié)構(gòu)裂縫會(huì)加速結(jié)構(gòu)病害劣化，產(chǎn)生脫空、疏松及富含水等病害。將道路表觀破損及結(jié)構(gòu)損壞影響面積與道路檢測(cè)面積占比進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 道路表觀破損與結(jié)構(gòu)損壞占比表

通過分析表2可得以下結(jié)論：

①?gòu)牟『φ急冉嵌瓤梢?，表觀破損與結(jié)構(gòu)病害兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性，所有路段的表觀破損占比和結(jié)構(gòu)破壞占比的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.623。但不完全對(duì)等，結(jié)合實(shí)際道路維修情況判斷，主要原因是部分路段，如老扎北路、老扎西路等道路進(jìn)行水泥混凝土路面加蓋瀝青混凝土的維修，導(dǎo)致原有道路表觀破損被處置。

②在瀝青路面，表觀破損影響面積占檢測(cè)面積的占比在大多數(shù)路段為2.6%～3.3%之間，而結(jié)構(gòu)破損占比較低，在0.8%～1.5%。對(duì)10 條瀝青路面進(jìn)行分析，表觀破損影響面積占比和結(jié)構(gòu)破損影響面積占比相關(guān)系數(shù)為0.426。

③在水泥路面，表觀結(jié)構(gòu)破損占比均較高，表觀破損占比在大多數(shù)路段為10.2%～39.2%之間，結(jié)構(gòu)破損占比在1.2%～14.9%之間。這說(shuō)明兩者的破壞存在正相關(guān)，表觀破損影響面積占比和結(jié)構(gòu)破損影響面積占比相關(guān)系數(shù)為0.701。

總體來(lái)說(shuō)，表觀破損數(shù)量較多較嚴(yán)重的路段，結(jié)構(gòu)破壞的數(shù)量和程度也較嚴(yán)重。但由于影響兩者的因素較多且成因多樣，表觀破損占比與結(jié)構(gòu)破損占比不完全線性對(duì)應(yīng)。對(duì)比瀝青路面和水泥路面，水泥路面的表觀破損影響面積占比與結(jié)構(gòu)破損影響面積占比相關(guān)性更高。

瀝青路面表觀破損主要與瀝青老化、下部水泥混凝土強(qiáng)度及原有病害等因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)破壞與路基填筑質(zhì)量、地質(zhì)條件、交通荷載等相關(guān)。但兩者也存在互相影響，表觀破損開裂會(huì)加劇水滲入導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)構(gòu)破損也會(huì)引起承載力不足和受力不均導(dǎo)致出現(xiàn)表觀損壞。綜上所述，表觀破損與結(jié)構(gòu)破損存在一定的相關(guān)性，但由于道路病害成因多樣，存在少部分占比不對(duì)等的情況，需要結(jié)合具體情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 智慧運(yùn)維處置

結(jié)合車載式結(jié)構(gòu)智能檢測(cè)系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)形成道路數(shù)字化實(shí)景模型，基于該數(shù)字底座，針對(duì)表觀破損與結(jié)構(gòu)病害占比關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的路段，建議對(duì)道路表觀破損和結(jié)構(gòu)病害同時(shí)處置。

對(duì)已經(jīng)裂縫但未貫穿的混凝土板進(jìn)行灌縫處理，對(duì)裂縫寬度大于3 mm的可以先進(jìn)行擴(kuò)縫后再進(jìn)行封縫處理；針對(duì)已經(jīng)貫穿的裂縫建議進(jìn)行換板處理；針對(duì)邊角剝落和板角斷裂，建議進(jìn)行全厚度切除后重新澆筑混凝土進(jìn)行處理。

后將表觀破損下部存在的脫空、疏松區(qū)域建議使用水泥凈漿進(jìn)行注漿處理，若病害劣化速度快，則建議挖除混凝土板及水穩(wěn)基層，重新鋪筑。

對(duì)混凝土板塊損壞不嚴(yán)重的可將該條路混凝土板進(jìn)行封縫處理，切割修補(bǔ)處理和注漿處理后，加鋪土工布或抗裂貼，之后在混凝土板上撒布乳化瀝青，待破乳后重新加鋪瀝青混凝土面層。

針對(duì)關(guān)聯(lián)性較弱的路段，建議具體分析道路病害成因，采取表觀破損專項(xiàng)處置，如灌縫處理或單塊混凝土板換板；針對(duì)結(jié)構(gòu)病害可進(jìn)行觀察或局部的注漿處置或不處置定期觀察。

通過有針對(duì)性的處置意見，從而采取科學(xué)的維修手段，避免在同一道路位置反復(fù)維修反復(fù)損壞，造成人力物力的浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

車載式無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)高效獲取道路表觀破損和內(nèi)部結(jié)構(gòu)破損的大量圖像和數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)病害同位置數(shù)據(jù)對(duì)比及病害精確定位及評(píng)估。

研究發(fā)現(xiàn)路段的表觀破損占比和結(jié)構(gòu)破壞占比相關(guān)系數(shù)為0.623，相關(guān)性較高，驗(yàn)證了道路結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在廠區(qū)道路應(yīng)用的科學(xué)性，同時(shí)通過準(zhǔn)確定位病害位置和范圍，為科學(xué)制定維修方案提供有效支持，驗(yàn)證了該技術(shù)在鋼鐵廠區(qū)的全壽命周期道路資產(chǎn)管理及數(shù)字化科學(xué)運(yùn)維管養(yǎng)的應(yīng)用價(jià)值，可為針對(duì)性養(yǎng)護(hù)和科學(xué)養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。該技術(shù)可推廣應(yīng)用于其他路網(wǎng)和橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管養(yǎng)和健康周期性檢測(cè)，形成基礎(chǔ)設(shè)施全壽命周期衰變模型，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維修科學(xué)養(yǎng)護(hù)。

研究不足之處在于未將道路維修歷史狀況信息、道路使用年限和道路交通及荷載增長(zhǎng)量進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，后期可在本應(yīng)用研究基礎(chǔ)上繼續(xù)深挖數(shù)據(jù)價(jià)值，從而得出更加有針對(duì)性的結(jié)論。