三维雷达在市政道路检测中的应用

王 倩

(陕西恒泰公路科技有限公司 西安 710000)

引言

我国市政道路经过城乡大规模发展之后，由原先注重投资额度以及牺牲环境为代价，逐步转为高质量发展、绿色发展。路面病害的无损检测就属于创新应用、高质量发展的一种形式，传统的评价路面病害形式已经不能满足人民生活的需要。本文通过分析三维雷达的检测原理，统计其检测结果，分析在路面病害检测中的优劣，为今后进行市政道路养护、高速公路改扩建检测提供一种思路。

1 检测内容

本次徐州市政道路检测的和平路(复兴南路—苏堤路)段，道路结构层和路基下方可能存在有空洞、脱空和其他严重病害；使用GPS位置信息，定位病害的位置；使用便携式探地雷达和手持RTK定位装置复测，进一步确定病害的可能性和GPS位置；根据病害的严重程度给出相应的处理建议。

2 工作原理及设备

三维探地雷达是近年来发展起来的一项新技术，三维探地雷达数据采集系统包括雷达阵列天线(集成主机)、GPS精确定位系统、控制中心、工程车等，将三维探地雷达图像、图像坐标位置、标记等多种数据信息同步采集，融入到数据中。该系统可对城市道路进行快速的地毯式普查探测，得益于这种全新的数据采集模式，物探技术员通过一幅雷达图像，利用不同方向的“切片”判断分析每个地下异常的位置、形态以及危害程度，并提出施工建议。本次检测任务应用的设备为徐工道路养护集团的GPR-MIMO4003D10RS型阵列探地雷达系统。

图1 GPR-MIMO4003D10RS型阵列探地雷达实物

3 数据采集及处理

由于检测路段车流量较大，白天车辆较多，不具备探测条件，因此选择晚上23点以后进行探测。对每条路段的所有车道进行三维探地雷达扫描探测，数据采集过程中，采用差分GPS定位及距离触发相结合的方式进行工作。

3.1 数据处理

三维探地雷达可采集为原始雷达数据，在对雷达数据进行分析之前，需要对数据进行处理以消除干扰信号，提高信噪比，增强数据的可读性，提高病害识别的准确性。主要采用的雷达数据处理方法有：去除零偏、增益调节、FIR滤波、背景消除等。得到可读性强的三维雷达数据，再逐一对每个车道每条测线的数据进行分析，得到所有疑似病害的区域，进行病害标注并导出每个病害的GPS坐标位置。

3.2 现场定位

根据三维探地雷达的检测结果，确定异常区域，导出病害GPS位置后，再通过手持RTK定位装置，确定病害的位置，使用便携式通用探地雷达在定位点进行复测，现场进一步确定病害的准确位置。

3.3 典型目标图谱

无论是沥青混凝土还是水泥混凝土路面，在通车使用一段时间之后，都会陆续出现各种病害。早期常见的病害有裂缝、坑槽、车辙、松散、沉陷、表面破损、地下裂隙、脱空、空洞等，后期如果伴随有地下管线漏水、雨水沿裂缝的渗透冲刷侵蚀，道路下土壤会流入年久失修坍塌的防空洞等地下工程或暗河中，导致路面塌陷。有些病害可以肉眼观测，但很多病害无法通过肉眼观测，借助于无损检测手段，定期对市政道路进行普查，建立包括地表、地下、分布范围、不同时期的道路状况四维数据库，防患于未然，对道路养护十分必要。针对不同的灾害种类及等级(表1)，采取相对应的技术措施进行处理。

表1 探地雷达图像病害分类等级表

(1)正常路面基层的标准雷达异常图像

由于路面为层状结构，每一层铺筑的材料具有一定的介电性差异，因此对于正常路面基层的雷达先介绍正常图像，再介绍异常图像更好。异常图像的波相同相轴或色谱图将呈现为近水平线型展布，每一层内的信号强度基本一致，反映在图象上无明显变化(图2)。

图2 正常道路探地雷达剖面示意图

(2)富水体

富水体的相对介电常数大于周边土体，随着含水量的增大，相对介电常数差异变大。雷达图谱通常为顶面反射信号能量较强，下部信号衰减明显，同相轴较连续、频率通过水的滤波作用降低。道路下富水体探地雷达剖面如图3所示。

图3 道路下富水体探地雷达剖面示意图

(3)道路局部不密实

路面基层内若存在局部不密实(破碎、疏松等)必然会导致介电常数的不同，电磁波在此发生异常反射，地面可接收到相应的雷达剖面异常图像(图4)。这种密实不均体界面处引起的异常幅度一般变大，判断其边界的定性方法为：依据在不均匀体边界处有连续的反射波同相轴中断或弯曲分布，其波长变长，波幅明显变化，波组特征也发生明显变化。

图4 道路结构层破碎疏松探地雷达剖面示意图

(4)局部脱空或空洞

脱空、空洞的相对介电常数为1，与土体的相对介电常数(6～40)差异明显，此时层间介质的介电常数差异较大，依据雷达波反射界面与波的传播特性，反射界面明显、传播速度降低。空洞异常区雷达图谱通常为反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部多次反射波明显，边界可能伴随绕射现象(图5和图6)。

图5 道路脱空探地雷达剖面示意图

图6 道路空洞探地雷达剖面示意图

(5)钢筋、管线及规则形状异常干扰

由于道路的复杂性，存在的目标较多，但对探地雷达来说，这些异常目标也是探测的成果之一，通过阵列探地雷达的成像可以将该类目标进行异常剔除，这些目标通常具有规则的形状，能够通过形状进行剔除，避免发生误判(如图7～9)。

图7 钢筋探地雷达剖面示意图

图8 管线探地雷达剖面示意图

图9 古力盖及电力线探地雷达剖面示意图

4 数据解释及病害统计

和平路测量长度2739m，机动车道为双向6车道(部分路段4车道和8车道)，加上两侧2条非机动车道。初次筛选得到23处可疑病害点位置，经过进一步复测剔除14处，保留9处病害位置，病害位置信息如表2所示。

表2 和平路病害信息及处理建议

5 结论

(1)三维雷达能够探测路面结构中的病害，如裂缝、空洞、破碎等。

(2)三维地质雷达在判断路面结构的空洞、脱空等比较严重病害时优势明显，针对半刚性基层的细小裂缝等判断不够准确，需进行钻芯等进一步验证。

(3)由于检测道路基本为通车路段，三维雷达的检测速率较慢，容易引起交通事故，建议提高三维雷达在数据采集、处理等过程中的速率，更好地应用路面结构病害检测。