GPR無損檢測技術(shù)在道路病害檢測中的應(yīng)用

宋大鵬， 楊 進(jìn)

(深圳高速工程顧問有限公司)

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GPR無損檢測技術(shù)在道路病害檢測中的應(yīng)用

宋大鵬， 楊 進(jìn)

(深圳高速工程顧問有限公司)

采用GPR技術(shù)對梅觀高速公路改造段的原有混凝土道路質(zhì)量情況進(jìn)行連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集，通過這些大量采集的數(shù)據(jù)對道路原有混凝土的厚度、鋼筋分布、板底脫空等情況進(jìn)行評價，全面反映了原有道路混凝土路面板的質(zhì)量及其存在的質(zhì)量缺陷，改變以往一貫不連續(xù)、數(shù)據(jù)采集少，反映不全面的破壞試驗(yàn)檢測。

擴(kuò)建改建工程；道路病害；無損檢測；GPR技術(shù)

1 工程概況

梅觀高速公路擴(kuò)建工程是深圳市高速公路網(wǎng)規(guī)劃“七橫十三縱”中的一條縱向高速公路，同時也是廣東省規(guī)劃珠江三角洲二環(huán)高速公路的重要組成部分。梅觀高速公路南接梅林海關(guān)，經(jīng)皇崗路延伸到亞洲最大的陸路口岸—皇崗口岸，北與莞深高速公路相通，形成了深圳—東莞高速直通干道新局面。

為了更好的滿足交通量增長，適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，進(jìn)一步完善深圳市高快速干線路網(wǎng)及廣東省高速公路網(wǎng)功能，提高梅觀高速公路的行車舒適性，深圳高速公路股份有限公司決定對梅觀高速公路進(jìn)行擴(kuò)建。梅觀高速公路改造段全長18.862 km，其中起點(diǎn)至清湖立交段為雙向六車道，路基寬31.5 m，清湖立交至終點(diǎn)段為雙向四車道，路基寬24.5 m，此次擴(kuò)建全線按雙向八車道加寬，標(biāo)準(zhǔn)路基寬41 m。

2 探地雷達(dá)檢測的基本原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)也稱作地質(zhì)雷達(dá)，是一種利用地下介質(zhì)對廣譜電磁波的不同響應(yīng)來確定地下介質(zhì)分布特征的地球物理技術(shù)。探測時，探地雷達(dá)由發(fā)射天線向隧道實(shí)體發(fā)射某一中心頻率附近的高頻、寬帶的短脈沖電磁波。電磁波在隧道實(shí)體介質(zhì)中傳播時，其振幅、相位和頻率等波形特征會隨介質(zhì)的特性、幾何形狀等變化而變化，經(jīng)隧道實(shí)體或目標(biāo)體反射而返回表面，被另一天線R所接收。探地雷達(dá)接收天線則記錄下反射回表面的電磁波，通過分析所穿過介質(zhì)的相關(guān)信息，以確定道路混凝土實(shí)體的厚度、鋼筋分布、底板脫空等質(zhì)量狀況或存在的質(zhì)量缺陷分布。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

3.1 檢測設(shè)備

現(xiàn)場檢測儀器設(shè)備采用的是美國地球物理勘探公司(GSSI)推出的新一代探地雷達(dá)系統(tǒng)(SIR-3000型探地雷達(dá))，該系統(tǒng)具有多通道、多天線、掃描快、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，既可以連續(xù)測量，也可以點(diǎn)測。天線配置主要從分辨率、穿透力、穩(wěn)定性三個方面綜合衡量，通常選用400 MHz和900 MHz的屏蔽天線。

3.2 測線布置方式

本次試驗(yàn)檢測沿道路方向采用縱向測線布設(shè)，對于問題比較集中的地方，加密布線或者橫向布設(shè)測線。縱向布置測線的優(yōu)越性：可連續(xù)檢測，防止遺漏，檢測覆蓋范圍廣，檢測效率高。

公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)中5.3.1檢測與調(diào)查方法對于路面破損狀況檢測的規(guī)定是：路面破損狀況檢測，宜采用自動化的快速檢測方法，條件不具備時，可人工檢測。采用快速檢測設(shè)備檢測路面破損時，應(yīng)采用連續(xù)檢測，橫向檢測寬度不得小于車道寬度的70%。采用人工方法調(diào)查時，可采用抽樣調(diào)查方法，抽樣規(guī)模為10%左右(每公里取100 m，或者每個子路段選取10%的子路段長度)。

由其規(guī)范可看出人工破損檢測方法存在以下缺點(diǎn)：一是工作量大，且效率很低；二是不能連續(xù)作業(yè)，不能很好反映工程實(shí)體的整體質(zhì)量及其存在質(zhì)量缺陷。

3.3 相對介電常數(shù)的標(biāo)定

介電常數(shù)是一個無量綱物理量，它表征一種物質(zhì)在外加電場情況下，儲存極化電荷的能力。自然界中物質(zhì)的介電常數(shù)最大的物質(zhì)是水，介電常數(shù)為81，最小的是空氣，數(shù)值為1。工程狀態(tài)下的巖土介質(zhì)，其介電常數(shù)的主要差異決定于含水量的大小。

在已知埋地目標(biāo)體的厚度h，假設(shè)雷達(dá)位于目標(biāo)體正上方時測量的雙程行進(jìn)時間為t。然后將雷達(dá)移至目標(biāo)體水平距離x處測量雙程行進(jìn)時間t1，則道路混凝土的波速為

從而可以得到隧道襯砌的相對介電常數(shù)ε0為

3.4 天線中心頻率選擇

在保證分辨率且場地條件允可時，盡量使用中心頻率低的天線。天線的中心頻率可由下式確定

式中：x為空間分辨率。在一般公路道路質(zhì)量檢測中，通常選用中心頻率為400MHz和900MHz的屏蔽天線。

3.5 掃描時窗選擇

掃描時窗的選取既不能選得太小丟掉重要數(shù)據(jù)，也不能選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度h為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測深度h和介電常數(shù)ε，可確定下式估算采樣時窗長度(Range)：

3.6 其他參數(shù)的選擇

掃描樣點(diǎn)數(shù)：1 024sample/scan；增益方式：一般取5點(diǎn)自動增益方式；采集方式：連續(xù)剖面測量；采樣頻率：15倍的天線中心頻率。

4 數(shù)據(jù)的處理

探地雷達(dá)資料處理的主要任務(wù)是，利用雷達(dá)探測的基本原理及電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律和數(shù)字信號處理的方法在計算機(jī)上對采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，得到記錄中與隧道結(jié)構(gòu)信息的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小等有關(guān)的信息，為后期的反演解釋提供依據(jù)。數(shù)據(jù)處理的主要目的是抑制隨機(jī)干擾和有規(guī)律的干擾，最大限度提高探地雷達(dá)的分辨能力，提取電磁反射波的各種有用參數(shù)，來解釋不同介質(zhì)的物理特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號特征的識別。將野外測量數(shù)據(jù)采用專業(yè)處理分析系統(tǒng)進(jìn)行資料處理、分析和解釋。數(shù)據(jù)處理對文件進(jìn)行預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波和成圖等方法的處理，最終得到物探成果圖。其中，經(jīng)過背景去噪、疊加、濾波、反褶積等處理后有良好的效果。

5 結(jié) 論

采用GPR技術(shù)對梅觀高速公路改造段進(jìn)行了全方位掃描，全面檢測了舊道路存在的質(zhì)量問題，通過現(xiàn)場對檢測存在的脫空、無鋼筋信號、路基下沉、基層破損處進(jìn)行了鉆芯確認(rèn)，驗(yàn)證了GPR技術(shù)在檢測出質(zhì)量缺陷的準(zhǔn)確性，為參建單位提出可信依據(jù)，確保了工程的質(zhì)量。

[1] 李大心．探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M]．北京：地質(zhì)出版社，1994．

[2] 劉云禎．工程物探新技術(shù)[M]．北京：地質(zhì)出版社，2006．

[3] 粟毅，黃春琳，雷文泰．探地雷達(dá)理論與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2006．

2015-02-18

宋大鵬(1982-)，男，吉林人，工程師，研究方向：道路與鐵道工程。

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1008-3383(2015)11-0130-01