高速公路技術(shù)狀況檢測技術(shù)的探討

鄭松松 屈慶余 田孝武

摘要 隨著高速公路行業(yè)的不斷發(fā)展，高速公路養(yǎng)護和管理的工作量也在迅速增加。為了進一步提高道路技術(shù)狀況評價的充分性和準確性，對道路真實狀況進行全斷面、全尺寸、全方位的綜合評價，保障道路養(yǎng)護方案設(shè)計和養(yǎng)護工程的有效性，通過結(jié)合國內(nèi)外最新檢測技術(shù)，探索三維視場檢測技術(shù)、激光動態(tài)彎沉儀、三維探地雷達等新型檢測技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用，結(jié)果表明相關(guān)先進無損檢測技術(shù)手段，可以較為準確掌握高速公路的健康狀況及病害情況，可為高速公路技術(shù)狀況的檢測、評定提供新的方向和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 高速公路;技術(shù)狀況;檢測技術(shù)

中圖分類號 U416.217 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0108-03

0 引言

隨著我國大規(guī)模交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐漸平穩(wěn)，由建設(shè)為主逐步過渡到養(yǎng)護為主是大勢所趨，目前高速公路的檢測以及維修養(yǎng)護也成為一個龐大的系統(tǒng)工程。這就對高速公路的檢測評定及預防養(yǎng)護水平提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的檢測方法面臨著檢測周期長、人工勞動量大、檢測效率低等問題。道路性能全方位的技術(shù)狀況評價的充分性和準確性將直接影響?zhàn)B護方案設(shè)計和養(yǎng)護質(zhì)量，因此有必要采取先進的道路表面和深層次病害檢測技術(shù)，對道路真實狀況進行全斷面、全尺寸、全方位的綜合評價，為道路服役性能“把好脈”，以便“對癥下藥”，選擇合適的養(yǎng)護方案，提高養(yǎng)護質(zhì)量，降低全壽命周期養(yǎng)護成本[1]?；诖?，該文結(jié)合國內(nèi)外最新檢測技術(shù)，探索三維檢測技術(shù)、激光動態(tài)彎沉儀、三維探地雷達等新型檢測技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用。

1 路面檢測及技術(shù)狀況評定現(xiàn)狀

高速公路技術(shù)狀況評定是實施道路科學養(yǎng)護的前提，公路技術(shù)狀況評定主要涵蓋路面、路基、橋隧，以及沿線設(shè)施這幾個板塊，其中路面檢測包括路面破損、平整度、車轍、抗滑性能（構(gòu)造深度）、跳車、磨耗和結(jié)構(gòu)強度（彎沉）等。通過高速公路的技術(shù)狀況檢測可以獲取道路的缺陷情況以及損壞程度，可以為高速公路管養(yǎng)單位提供養(yǎng)護依據(jù)[2]。

根據(jù)最新行業(yè)標準《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）的要求，公路技術(shù)狀況評定采用公路技術(shù)狀況指數(shù)MQI和相應(yīng)分項指標（路基技術(shù)狀況指數(shù)SCI、路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI、橋隧構(gòu)造物技術(shù)狀況指數(shù)BCI和沿線設(shè)施技術(shù)狀況指數(shù)TCI）。路面技術(shù)狀況評定采用路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI和相應(yīng)的分項指標（路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面跳車指數(shù)PBI、路面磨耗指數(shù)PWI、路面抗滑性指數(shù)SRI和路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI），評定結(jié)果一般作為道路養(yǎng)護設(shè)計的主要依據(jù)。其中路面PCI、RQI、RDI、PBI、PWI的檢測頻率為1年1次，路面SRI檢測頻率為2年1次，路面PSSI為抽樣檢測。計算PQI時，SRI和PWI兩項指數(shù)二者取一，PSSI應(yīng)根據(jù)抽檢數(shù)據(jù)單獨評定，不參與PQI計算。

根據(jù)規(guī)范要求，路面技術(shù)狀況檢測應(yīng)采用自動化檢測設(shè)備，每個檢測方向至少檢測一個主要行車道。路面技術(shù)狀況自動化檢測指標包括路面破損率DR、國際平整度指數(shù)IRI，路面車轍深度RD、路面跳車PB、路面構(gòu)造深度MPD、橫向力系數(shù)SFC和路面彎沉。

2 存在的問題

2.1 路面破損檢測分析效果不理想

目前市場上常規(guī)的路面破損檢測主要通過路表的圖像采集和圖片的人工識別實現(xiàn)路面破損的自動檢測。它的基本原理是采用車載式數(shù)字攝像系統(tǒng)連續(xù)高速采集公路路面的圖像信息，然后在室內(nèi)通過軟件處理與人工判別相結(jié)合的方式對路面損壞情況進行識別和統(tǒng)計，由于目前相關(guān)配套的處理軟件在圖像的自動識別方面存在進度不高、判定不準等情況，往往需要技術(shù)人員進行輔助識別，需要輔助大量的人工干預及處理，并且病害檢測及識別效率和準確度相對較低。

2.2 路面結(jié)構(gòu)病害檢測應(yīng)用不充分

隨著高速公路交通量的不斷增加，加之高溫多雨等環(huán)境因素的影響，一些高速公路瀝青路面在早期通車幾年內(nèi)就開始出現(xiàn)坑槽、裂縫、水損害、表面抗滑功能不足等病害情況，使得路面的技術(shù)狀況明顯降低，嚴重影響高速公路的路用性能和服役壽命，不僅損失了一定的道路養(yǎng)護費用，而且也會對高速公路運營單位產(chǎn)生負面影響。然而僅僅將路面病害歸結(jié)為氣候、荷載等某些客觀原因是不合適的，也不利于路面病害的解決。從路面本身結(jié)構(gòu)入手，深入研究路面結(jié)構(gòu)的力學特性與病害的關(guān)系，才能從根本上解決病害，延長道路使用壽命。

實際生產(chǎn)過程中，道路技術(shù)狀況檢測及評定，大多是基于PQI檢測結(jié)果對路面病害進行分析與評價，該部分主要采取道路多功能綜合檢測車進行檢測，技術(shù)比較先進和豐富。但針對道路深層次結(jié)構(gòu)功能的檢測則是采取抽檢的彎沉值進行粗略評價，檢測方式大多采取鉆芯和貝克曼梁抽樣檢測，少數(shù)情況采取落錘式彎沉儀或激光動態(tài)彎沉儀進行連續(xù)檢測，相應(yīng)檢測技術(shù)的應(yīng)用較少，導致道路結(jié)構(gòu)性能評價在道路技術(shù)狀況評價中不能得到充分體現(xiàn)，無法真實反映道路結(jié)構(gòu)服役狀況，導致管養(yǎng)單位無法針對道路結(jié)構(gòu)進行專項養(yǎng)護方案設(shè)計，影響運營期道路養(yǎng)護質(zhì)量。

2.3 未深入了解病害的原因

此外，當前道路技術(shù)狀況評價主要是基于PCI、PQI等指標，主要反映的是服務(wù)于道路司乘人員的路面行駛質(zhì)量。對于道路資產(chǎn)所有方，更加關(guān)心的是道路本身性能指標評價結(jié)果。因此，對于道路運營養(yǎng)護單位，深入了解道路本身性能現(xiàn)狀及各類病害產(chǎn)生原因，才能有針對性地制定養(yǎng)護對策，提高道路服役性能。

3 新型檢測技術(shù)

3.1 三維路況智能檢測技術(shù)

三維檢測設(shè)備主要為路表三維激光可視化系統(tǒng)，是一種新型的道路表面破損情況檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用線激光傳感器。該技術(shù)在車輛正常行駛狀態(tài)下，能自動完成路面全縱橫斷面損壞、路面平整度、路面車轍、路面跳車、路面磨耗等路況數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，做到一臺設(shè)備整合多項指標，大幅度降低成本。同時，通過三維數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)智能識別技術(shù)生成全信息三維道路病害地圖場景，將路面整體、局部及細節(jié)信息直觀呈現(xiàn)，如圖1所示，便于從三維視角全面掌控路面病害狀況，為養(yǎng)護方案設(shè)計提供詳細準確的路面信息。

三維路況快速檢測系統(tǒng)將原來的二維灰度圖像增加了高程信息數(shù)據(jù)，使所有病害有了“數(shù)值”信息，從而彌補了二維路面無法進行變形類病害檢測缺陷，實現(xiàn)全類型路面病害的自動識別，其準確性遠遠高于傳統(tǒng)的圖像識別方法。

系統(tǒng)的測量單元由大功率紅外線結(jié)構(gòu)激光器、高頻率智能數(shù)字相機及控制計算單元組成，在車輛行駛的過程中，相機沿車輛行駛方向連續(xù)拍攝激光照射斷面的激光圖片，利用激光三角測量原理計算路面斷面，將圖片投影在標定坐標系中，經(jīng)過一系列像-物轉(zhuǎn)換，得出實際路面橫斷面的3D數(shù)據(jù)，形成路面三維點云，路面三維點云數(shù)據(jù)與二維紋理圖片通過數(shù)據(jù)融合軟件生成真實的路面三維圖。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）路面信息全：獲取路面數(shù)據(jù)信息全面。采集路表橫、縱斷面完整的高程數(shù)據(jù)，通過深度、灰度信息輸出真實的路面模型，可實現(xiàn)路面破損、車轍、構(gòu)造深度、磨耗等計算指標采集。

（2）病害識別全：全類型病害識別。除能夠識別裂縫類病害還能識別變形類病害，實現(xiàn)路面全類型病害的自動識別。

（3）自動識別準：系統(tǒng)具備全自動裝備標定和病害自動識別功能，極大提高了路面病害數(shù)據(jù)處理的工作效率，識別率大于90%。

（4）數(shù)據(jù)處理快：單臺計算機自動識別速度大于40 km/h，支持多臺計算機同時處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理效率提高15倍以上。

（5）系統(tǒng)集成度高：高速智能相機結(jié)合紅外線結(jié)構(gòu)激光器組合成一體式測量傳感器系統(tǒng)，集成度高。通過三維激光線掃描技術(shù)，單個系統(tǒng)即可涵蓋路面破損、路面車轍、路面磨耗、路面構(gòu)造深度檢測等功能。

（6）抗強光干擾強：采用紅外線結(jié)構(gòu)激光掃描技術(shù)，完全排除強光、樹蔭及低照度環(huán)境對系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，環(huán)境適應(yīng)性強。

（7）全車道覆蓋，數(shù)據(jù)更完備：系統(tǒng)采用雙相機、雙激光器的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，相較單相機、單激光檢測幅寬（2.75 m），該結(jié)構(gòu)設(shè)計路面檢測幅寬可達3.75 m及以上，實現(xiàn)全幅車道路面三維數(shù)據(jù)的采集。

（8）路面三維點云，降低誤檢率、漏檢率：系統(tǒng)采集的路面數(shù)據(jù)包含路面高程信息，形成路面三維點云，通過自動識別軟件可準確全面地識別破損病害和車轍，相比傳統(tǒng)二維路面檢測系統(tǒng)誤檢、漏檢率極大地降低。

3.2 路面結(jié)構(gòu)強度檢測

激光動態(tài)彎沉測量系統(tǒng)利用激光多普勒測速原理，在正常行駛速度（15～100 km/h）下，采用激光非接觸式傳感器測量路面在標準載荷下距彎沉盆中心不同距離處的路面沉降速度，然后通過彈性力學模型經(jīng)過一系列的計算與修正后，反演出路面的變形量，最后結(jié)合環(huán)境及路面材質(zhì)等計算出測點的彎沉值[3]。

激光動態(tài)彎沉測量系統(tǒng)主要由檢測平臺、檢測模塊、系統(tǒng)軟件3部分組成。其中檢測平臺是基礎(chǔ)，為整個系統(tǒng)提供動力、控制、環(huán)境等基礎(chǔ)保障;檢測模塊是核心，系統(tǒng)所有功能的實現(xiàn)都是圍繞模塊來展開，并可根據(jù)需求增加其他模塊;系統(tǒng)軟件是關(guān)鍵，負責數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、分析、管理、應(yīng)用等工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交互、應(yīng)用與拓展。

激光動態(tài)彎沉測量系統(tǒng)具有以下特點：

（1）高效率：檢測速度15～100 km/h，日檢測里程可達500 km/臺。

（2）高精度：測量精度達0.01 mm。

（3）高采樣頻率：傳感器以8 000 Hz進行采集，1 m間隔輸出一個彎沉值。

（4）高安全系數(shù)：以正常交通速度行駛，人員均在駕駛室內(nèi)，使用安全性好。

（5）高經(jīng)濟性：檢測時可融入正常車流，無須封路，不影響道路正常通行。只需1名駕駛員，1名操作員即可完成檢測任務(wù)。

3.3 三維雷達檢測技術(shù)

探地雷達一般是通過發(fā)射電磁波來對道路內(nèi)部的分布情況進行探測的一種方法。探地雷達的主要部件包括主機、天線、顯示器和測距儀，在對地下進行探測時，雷達主機會向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波在探測過程中遇到介電常數(shù)不同的物體時會在物體界面發(fā)生反射現(xiàn)象，反射回來的信號被接收后通過電腦主機處理以波形狀態(tài)在顯示器上顯示，供現(xiàn)場人員初步了解地下情況[4-5]。

三維地質(zhì)雷達是在二維地質(zhì)雷達基礎(chǔ)之上研制出來的基于電磁波探測技術(shù)的三維采集及成像技術(shù)。三維地質(zhì)雷達在單位空間內(nèi)，排布了極多的發(fā)射天線，向被測物體內(nèi)同時發(fā)射多束電磁波，從而形成一堵電磁波墻，對被測物進行有效照射，并將回波反射記錄下來，同時三維地質(zhì)雷達通過相對運動的方式，完成對大面積被測物體的完全掃描，并最終形成連續(xù)的、全空間的三維成像。

三維雷達以水平切片展示探測成果，也可以任意方向的切片、動畫視頻或局部三維立體展示，結(jié)果直觀準確，打破了二維雷達只能以剖面圖展示成果的傳統(tǒng)，改變了人們的讀圖習慣和思維方式，減少了對人經(jīng)驗的依賴，提高了判圖的準確率，可以準確地識別路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫、脫空、松散等病害，如圖2、圖3所示。

4 結(jié)論

對高速公路的技術(shù)狀況進行精確的檢測，準確掌握高速公路的服役健康狀況是開展養(yǎng)護管理工作的基礎(chǔ)。該文探討了公路新型檢測技術(shù)的應(yīng)用，將三維路況檢測技術(shù)應(yīng)用于高速公路路面損壞、路面平整度、路面車轍、路面跳車、磨耗等路況的檢測及評定，可以準確、自動、實時地判定路面病害種類及嚴重程度，同時結(jié)合三維探地雷達、激光動態(tài)彎沉檢測等先進無損檢測技術(shù)手段，可準確掌握高速公路的健康狀況及病害情況。

參考文獻

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