2D探地雷达在沥青路面病害识别中的适用性分析

郑锦聪

（广东交科检测有限公司，广东广州510550）

在公路扩建、大中修、日常养护时，均需要对原路面内部使用状况进行评估。内部隐形病害对未来道路使用性能十分关键，若不及时处理，隐形病害的进一步发展会缩短使用寿命。采用传统的钻芯、开挖等方法，虽可以很准确的获取内部病害，但是效率极低。而2D探地雷达病害无损识别技术具有无损伤、直观、高效率、实时连续等优点，在公路检测领域得到了越来越多的应用[1]。

罗幸平[2]采用探地雷达和钻芯对比的方法，分析了基层隐性结构病害检测的可靠性。姜海强[3]和童峥[4]通过卷积神经网络的自学习和分类功能，实现了基于探地雷达剖面图的路面结构病害的自动识别。金光来[5]建立了某高速公路内部隐性病害图谱，提出以振幅相对偏差度为指标判断基层内部病害的方法。宋亮[6]基于3D探地雷达信号特征和XCMP法，建立了厚度及病害测量的通用方法。黄成[7]结合数值模拟和理论分析，分析了路面内部结构不同病害的典型频谱图和波形特征，并建立了路面病害诺模图。欧阳文钊[8]通过正演模拟分析，提出了裂缝病害的雷达扫描图像图谱特征。俞先江[9]结合探地雷达技术与坑探检测方法，并对检测结果进行对比分析。王盛亮[10]通过探地雷达（GPR）、落锤式弯沉仪（FWD）、钻芯等手段，开展了水泥路面内部病害识别结果对比分析。

综上所述，探地雷达无损识别技术已在公路病害识别技术中得了广泛应用，研究成果主要集中在可靠性评价及图像处理等方面。可靠性评价大多以钻芯、开挖等为主，对于大规模的改扩建工程，频繁的钻芯、开挖效率太低，也不现实。因此本文依托某高速公路改扩建工程，结合路面病害的实际状况，对比路面病害与探地雷达识别的结果，以分析2D探地雷达在沥青路面病害识别中的适用性，为道路工作者提供参考和借鉴。

1 试验方案

为了分析2D探地雷达在沥青路面病害识别中的适用性，需将路面病害与雷达识别结果进行对照。依托工程为某高速改扩建工程，路段全长约45 km，路面结构型式为典型的半刚性基层沥青路面，沥青层厚19 cm，半刚性上、下基层共36 cm，底基层15 cm，级配碎石垫层20 cm。雷达实测时，大部分硬路肩已挖除，路面内部结构清晰可见，雷达采用频率900 MHz。从以下两个方面对照路面病害与雷达识别结果：①分析路面显性病害与雷达扫描结果的相关性；②分析路面隐形病害与与雷达扫描结果的相关性。

具体实施方法为：①通过实时扫描的图像，可以获得雷达识别结果，并同时记录里程桩号。雷达扫描过程中，通过操作采集设备，对诸如裂缝、坑槽、修补等路面显性病害进行不同标注，同时采用采集路面病害图像以方便后期数据处理。后处理时，提取标注处的雷达图像，并与实际路面病害进行对照，并可分析路面显性病害与雷达扫描结果的相关性。②路面隐形病害不易发现，但可通过以下3种手段去分析：首先，根据历年养护资料，掌握铣刨重铺、修补等维修措施的实施时间，再结合测试现场的路况去推测。其次，改扩建时，硬路肩已经挖除，路面内部结构已经暴露，可结合路面的表观状况去推测。最后，钻芯、开挖或铣刨，查看内部病害情况。

路面的病害表现形式多样，通过对照不同程度、形式的病害，并予以分类、对比分析，便可对2D探地雷达在沥青路面病害识别中的适用性进行评价。

2 分类对照和评价

根据现场病害调查的结果，将路面病害分成显性和隐形病害两类。分别对照两类病害下，其与2D雷达扫描图像的相关性。

2.1 显性病害相关性分析

2.1.1 沥青层单条裂缝、缝细

图1 沥青层有单条横缝的雷达图像

图1 （a）沥青面层有裂缝，裂缝封缝，裂缝宽度1 mm；图1（b）沥青面层有裂缝，裂缝封缝后裂开，裂缝宽度1 mm。但从雷达扫描图像来看，均没有识别出面层裂缝。

2.1.2 沥青层纵向裂缝、缝细

图2 沥青层单条纵向裂缝

主车道中部连续纵向裂缝15 m，纵缝封缝，宽度不足1 mm，局部有两处横缝扩展。但从雷达扫描图2来看，均没有识别出面层横、纵向裂缝。

2.1.3 沥青层单条裂缝、较宽

图3 沥青层单条横缝、缝宽的雷达图像

图3 （a）沥青面层主车道有切缝，切缝后没封缝，裂缝宽度1 cm，雷达可识别出面层裂缝。图3（b）主车道横向裂缝一条，宽5 mm，雷达识别不出面层裂缝，但可识别基层裂缝。图3（c）主车道横向裂缝一条，宽7 mm，右轮迹并伴有横向裂缝分支，雷达图像识别不出面层裂缝，但可识别基层裂缝。

2.1.4 多条横向裂缝并存的情况

图4 沥青层多条裂缝交叉的雷达图像

图4 （a）主车道沥青面层右轮迹有两条裂缝，并有局部沉陷，裂缝封缝后裂开，裂缝宽度1 mm。雷达识别不出面层裂缝，但可识别基层裂缝。图4（b）主车道沥青面层右轮迹有两条裂缝，裂缝封缝后裂开，裂缝宽度1 mm。雷达识别不出面层裂缝，但可识别基层裂缝。图4（c）主车道右轮迹纵横向裂缝交织，裂缝宽度1 mm。雷达识别不出面层裂缝，但可识别基层裂缝。

2.1.5 横纵向裂缝与修补并存的情况

主车道右轮迹横、纵向裂缝交叉，裂缝宽度5 mm，已封缝。交叉点出有40 cm×40 cm修补。雷达识别不出面层裂缝和修补，但可识别基层病害。

图5 沥青层裂缝交叉及修补的雷达图像

2.1.6 修补类

图6（a）主车道右轮迹沥青层修补60 cm×60 cm，雷达能识别；图6（b）主车道右轮迹沥青层修补40 cm×40 cm，雷达能识别；图6（c）为沥青面层钻芯取样后回填，芯样直径10 cm，雷达能识别。

图6 修补类

2.2 隐性病害相关性分析

2.2.1 基层隐形横向裂缝、缝细

图7 基层隐形病害

图7 中，沥青面层没有裂缝，从硬路肩开挖断面查看，底基层和基层有贯穿的横向裂缝；裂缝宽度小于1 mm，但是雷达识别不出。

2.2.2 基层纵向裂缝

图8涉及的路段约长110 m，于2018年6月铣刨重铺，铣刨重铺后又相继出现横向、纵向裂缝，缝宽约4 mm。将其中约50 m沥青层、基层分层铣刨，铣刨过程中，基层和底基层的横向、纵向裂缝清晰可见，纵向裂缝宽度约1 cm。但是，从雷达扫描图像来看，识别不出沥青面层裂缝，但可以识别基层的裂缝。

图8 沥青层裂缝交织、连续纵缝

可见，在基层破损较为严重的情况下，雷达能识别基层内部隐形病害。

2.2.3脱空

图9为桥头搭板，沥青层于2018年6月铣刨重铺，雷达扫描时，沥青层表面无病害，但雷达可以识别脱空。

图9 桥头搭板脱空

图 10沉陷

2.2.4 沉陷

图10为主车道沥青层沉陷，面积约1 m2，雷达显示基层有病害。

2.2.5 其他

图11硬路肩开挖显示基层有横向裂缝，主车道铣刨，超车道未铣刨，超车道出现裂缝而主车道未出现裂缝，雷达也可以识别基层的裂缝。

图11 基层隐形病害

3 结果分析

①2D雷达在路面结构内部病害判别上，对轻微病害不敏感。对于半刚性基层沥青路面，单条横向、纵向裂缝，且缝宽为毫米级时，2D雷达识别不出。

②2D雷达在路面结构内部病害判别上，对严重病害较敏感。多条裂缝并存或交织，或铣刨重铺后又出现裂缝，及修补、脱空及多种病害交织时，铣刨后表明半刚性基层破损较严重，2D雷达可识别基层病害；如面层裂缝为毫米级，2D雷达仍识别不了。

③2D雷达识别的精度有限，适用于基层内部出现较为严重病害的情况。因此，不能盲目迷信雷达扫描结果，否则会低估路面的真实病害，应充分认识雷达的适用性，合理选择。