三維探地雷達(dá)在路面內(nèi)部病害檢測(cè)中的應(yīng)用

王釗棟，彭勇均，熊春龍

(1.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣東 廣州 510000；2.佛山市交通運(yùn)輸綜合服務(wù)中心，廣東 佛山 528000)

目前我國(guó)高速公路路面養(yǎng)護(hù)需求和養(yǎng)護(hù)方案決策主要以《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，除路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)外，瀝青路面狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)基本上是路表指標(biāo)。然而，道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱蔽性病害的發(fā)育、發(fā)展程度，對(duì)于路表病害的產(chǎn)生和發(fā)展有必然影響。根據(jù)路表病害確定的道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)需求存在時(shí)間上的滯后性。近年來(lái)，我國(guó)探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但應(yīng)用較多的是二維探地雷達(dá)技術(shù)，檢測(cè)效率低，檢測(cè)點(diǎn)按線性布置，易遺漏重要結(jié)構(gòu)病害信息，如縱向檢測(cè)時(shí)，易遺漏內(nèi)部縱向開(kāi)裂病害，而橫向檢測(cè)時(shí)，易遺漏內(nèi)部橫向裂縫病害等。相對(duì)于傳統(tǒng)二維探地雷達(dá)，三維探地雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)瀝青層全寬范圍的內(nèi)部異常識(shí)別(內(nèi)部結(jié)構(gòu)縫、結(jié)構(gòu)內(nèi)積水、以及層間脫空等)。因此，采用三維探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害進(jìn)行檢測(cè)，是提高路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱蔽病害識(shí)別的有效方法，為準(zhǔn)確判定瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求狀況提供支撐。

1 三維探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在地球物理學(xué)方法、計(jì)算機(jī)方法和電磁學(xué)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種病害檢測(cè)技術(shù)，其發(fā)展可追溯至20世紀(jì)70年代。通過(guò)電磁波在結(jié)構(gòu)物中的傳播理論，并利用結(jié)構(gòu)物介電特性的差異，可發(fā)現(xiàn)如管道、水等異常或病害，并可推斷異常的幾何形態(tài)、空間位置等。三維路面探地雷達(dá)是當(dāng)前公路病害的主要無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，三維探地雷達(dá)工作模式示意見(jiàn)圖1。三維探地雷達(dá)采用步進(jìn)頻率技術(shù)，連續(xù)頻率范圍為200 m Hz～3 000 m Hz，可獲得不同深度的最佳分辨率，同時(shí)滿足探測(cè)深度和最佳分辨率。天線陣子間距為7.5 cm，可實(shí)現(xiàn)100 km/h的車速，并提供7.5 cm×7.5 cm網(wǎng)格檢測(cè)三維信息。三維雷達(dá)檢測(cè)的信息具有三維屬性，可分解為縱斷面、水平面、橫斷面三個(gè)方向的視圖，見(jiàn)圖2。

圖1 三維探地雷達(dá)工作原理示意圖

圖2 三維探地雷達(dá)檢測(cè)信息分解

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程背景

廣東省京珠高速公路，是7918國(guó)高網(wǎng)的主要南北縱向路線的一部分，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，路基設(shè)計(jì)寬度35 m，全線雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。至今已運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)達(dá)15年之久，路面出現(xiàn)了較多裂縫、坑槽等病害。

為了對(duì)比三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與路表病害的對(duì)應(yīng)性，對(duì)三維雷達(dá)檢測(cè)路段的路表病害狀況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 路表病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 三維探地雷達(dá)檢測(cè)方案

為了提高對(duì)瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱蔽異常的檢測(cè)精確性，在檢測(cè)前，對(duì)三維探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖3。

圖3 三維探地雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

三維探地雷達(dá)的采樣間距Trigger Spacing為7.6 cm，檢測(cè)時(shí)窗Time Window設(shè)置為50 ns，駐波時(shí)間Dwell Time設(shè)置為30 ns，三維探地雷達(dá)的檢測(cè)速度為20 km/h。

3 結(jié)果分析

3.1 三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)三維探地雷達(dá)檢測(cè)路段進(jìn)行同步對(duì)點(diǎn)鉆芯。三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與鉆芯孔洞、芯樣狀況的對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同樁號(hào)位置雷達(dá)檢測(cè)路面內(nèi)部病害與鉆芯孔洞、芯樣比對(duì)

由圖4(a)和圖4(b)可知，瀝青路面表面狀況良好時(shí)，從對(duì)點(diǎn)鉆芯的孔洞、芯樣狀況來(lái)看，與YK18+876處三維探地雷達(dá)檢測(cè)的路面內(nèi)部橫向裂縫對(duì)應(yīng)的是鉆芯孔壁的開(kāi)裂，與YK28+761處三維探地雷達(dá)檢測(cè)的路面內(nèi)部脫空對(duì)應(yīng)的是鉆芯孔壁的孔洞。由圖4(c)可知，瀝青路面表面存在縱向裂縫時(shí)，從對(duì)點(diǎn)鉆芯的芯樣狀況來(lái)看，與K19+350處三維探地檢測(cè)的路面內(nèi)部縱向裂縫對(duì)應(yīng)的是鉆芯芯樣的縱向貫穿裂縫。路面鉆芯顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況與三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)性。圖4(d)中瀝青路面路表無(wú)病害，三維探地雷達(dá)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)路面內(nèi)部存在病害，對(duì)應(yīng)的鉆芯芯樣未發(fā)現(xiàn)異常。

從鉆芯和三維探地雷達(dá)成像結(jié)果可知，三維探地雷達(dá)圖像與鉆芯結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯。三維探地雷達(dá)能夠較好的識(shí)別和檢測(cè)道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害狀況。

根據(jù)對(duì)廣東省京珠高速公路瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害的三維探地雷達(dá)信息識(shí)讀分析，以及對(duì)識(shí)讀信號(hào)與鉆芯結(jié)果的對(duì)比，提出瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的典型病害的三維探地雷達(dá)信號(hào)判讀標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。從縱斷面、水平面、橫斷面三個(gè)方向綜合判定路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部異常。

表2 典型病害的三維探地雷達(dá)信號(hào)識(shí)讀標(biāo)準(zhǔn)

3.2 路面養(yǎng)護(hù)需求分析

依據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)檢測(cè)路段的路表狀況對(duì)檢測(cè)路段瀝青路面的養(yǎng)護(hù)需求進(jìn)行判定，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 依據(jù)路表狀況判定的瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求

由表3可知，除YK28+000～29+000需要進(jìn)行輕度養(yǎng)護(hù)外，其他路段現(xiàn)階段無(wú)養(yǎng)護(hù)需求。但這個(gè)結(jié)果僅僅基于路表病害得到，對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的情況未做考慮。為了使瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求的判定更加科學(xué)合理，對(duì)三維探地雷達(dá)檢測(cè)的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害統(tǒng)計(jì)匯總

由表3和表4可知，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害與路表病害的程度具有一定的相關(guān)性，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害對(duì)路表病害存在影響，路表病害一定程度上是路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害發(fā)展到終期的表征。在路表病害評(píng)價(jià)為優(yōu)良時(shí)，路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)處于一個(gè)較差的狀態(tài)，采用《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的方法對(duì)瀝青路面進(jìn)行評(píng)價(jià)，忽略了路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部病害，易導(dǎo)致路面養(yǎng)護(hù)需求等級(jí)的判定結(jié)果存在時(shí)間滯后性，延遲了對(duì)路面狀況的維修和恢復(fù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比分析三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與鉆芯結(jié)果的對(duì)應(yīng)性，并根據(jù)三維探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)采用路表病害判定的瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求結(jié)果進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

(1)三維探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與鉆芯結(jié)果符合性良好，三維探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的檢測(cè)有效。

(2)提出瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害的三維探地雷達(dá)信號(hào)識(shí)讀標(biāo)準(zhǔn)。

(3)依靠路表病害判定瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求，忽略了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害的影響，易導(dǎo)致瀝青路面養(yǎng)護(hù)需求存在時(shí)間滯后性，不利于瀝青路面結(jié)構(gòu)的耐久性。