基于探地雷达的沥青路面摊铺厚度及路面3D可视化技术研究

傅利荣， 黄建平， 廖名举， 张彤， 马懿

(1.中电建路桥集团有限公司， 北京 100070；2.中电建路桥集团有限公司 东南发展有限公司， 浙江 杭州 311225；3.中国水利水电第五工程局有限公司， 四川 成都 610065；4.中国水利水电第十二工程局有限公司， 浙江 杭州 310005)

路面摊铺中各结构层厚度对路面施工质量控制至关重要，松铺层厚度对成型路面的使用性能和寿命及材料的使用有十分重要的影响。传统的人工测量方式采用测厚钢叉进行松铺厚度测量，存在精度不足、覆盖面低、耗时费力、人为因素影响大、信息反馈不及时等缺陷，改变人工测量方式，实现摊铺厚度实时采集对路面质量控制、辅助项目管理尤为重要。该文采用单主机、多通道探地雷达，利用雷达波反馈数据实时获取摊铺断面的摊铺厚度、摊铺机的松铺厚度，建立路面施工3D可视化模型，指导摊铺机操作手及现场管理人员及时调整施工异常情况，确保摊铺质量。

1 多通道探地雷达系统设计

1.1 多通道探地雷达数据采集硬件开发

探地雷达摊铺厚度测量系统由1台雷达主机、2个测厚探头、1台终端显示器组成。要有效采集全路幅松铺厚度数据，摊铺机定制探地雷达需具备路幅全覆盖、多通道多点沥青层厚度与温度测试能力。多通道探地雷达数据采集系统设计中，探地雷达探头与雷达主机采用分体式设计，由控制电缆连接，系统硬件主要由雷达主机、天线探头、测厚探头(搭载温度传感器)和控制电缆组成(见图1)。系统采用外部供电方式，探头与主机之间通过控制电缆连接，采用并行工作方式，探头工作数量可自由设定。

图1 探地雷达摊铺厚度采集模型

1.2 沥青路面摊铺厚度智能管控平台开发

摊铺厚度数据通过现场设备采集并传输到云端数据平台，进行数据统计分析后通过沥青路面摊铺厚度智能管控平台展示，登录界面见图2，摊铺实时监控展示见图3。

图2 沥青路面摊铺厚度智能管控平台登陆界面

设上下限作为摊铺厚度控制标准区间，合格率以下限为限值计算。从图3可以看出：2020年9月4日摊铺厚度波动较大，前期存在低于下限值的情况，后期调整后满足厚度下限要求，摊铺厚度得到有效控制。

图3 沥青路面摊铺数据分析展示

2 探地雷达系统的应用

图4为探地雷达摊铺厚度测量系统应用测试现场。应用过程和方法如下：1) 安装。将测厚探头通过磁座安装在摊铺机踏板上，并固定雷达主机及显示器。确定雷达工作状态、探头安装位置、天线垂直度和雷达高度。2) 预热。接通电源，雷达预热5 min后开始采集摊铺厚度数据。3) 标定。在摊铺机行进过程中，按“标定”键锁定雷达工作状态，使用测厚钢叉测试雷达标定点的实际松铺厚度，并用游标卡尺精确测量，按钢叉实测厚度调整介电常数作为标定值。4) 实测。完成标定、介电常数调整后，雷达自主进入实测状态并生成沿施工方向的测厚测线。

图4 雷达应用测试现场

2.1 摊铺厚度数据的采集

以G351常山段沥青路面工程为依托，探地雷达摊铺厚度测量系统以1次/(10 s)的频率完成松铺厚度数据采集。因下面层较厚，数据相对稳定，厚度数据选取下面层数据。该路段下面层设计厚度为60 mm，松铺系数经过现场试验段测试确定为1.2。根据下面层设计厚度、松铺系数、规范要求的厚度允许偏差及成本控制等因素，确定松铺厚度上下限分别为65 mm、80 mm。图5～7为雷达系统采集的400 min内下面层厚度数据。

由图5～7可知：前期松铺厚度偏差较大，波动明显，处于施工调整阶段；后期数据逐渐趋于稳定，基本满足下面层72 mm的施工控制范围；通道2数据相对稳定，与通道1相比数据波动小，通道1所处测线松铺厚度较通道2相对不足。

图5 下面层通道1雷达测试数据

2.2 数据精度分析验证

2.2.1 数据特征分析

利用正态分布理论对雷达采集的路面厚度数据进行分析，对各统计参数的标准差、均值、中位数等统计特征参数(见表1)进行对比分析。

图6 下面层通道2雷达测试数据

图7 下面层雷达测试数据平均值

表1 下面层厚度测试数据统计特征参数

从表1可以看出：下面层通道1与通道2的厚度均值、中位数、众数相差不大，数据分布稳定；通道1的标准差及变异系数比通道2的大，通道1的数据波动更大，这可能与通道1雷达测试探头连接松动有关。

2.2.2 数据对比验证

将雷达测试数据与摊铺现场采用测厚钢叉测试的结果进行比较，结果见图8。2种方法在测试精度、数据变化趋势上吻合良好；雷达测试数据与人工实测值的误差为±1 mm的次数占91.7%，误差为±2 mm的次数占100%，雷达数据精度较高，但变异系数比人工实测值大，数据波动较大。对比2组路面厚度数据，探地雷达摊铺厚度测量系统能较好地控制厚度上下限范围。

图8 雷达测试数据与测厚钢叉测试数据对比

3 基于实测数据的路面摊铺3D可视化技术

3.1 路面摊铺3D可视化建模

利用沥青路面单点离散厚度测试数据，采用插值粒度可调的三次样条算法对里程桩号和对应松铺厚度进行插值运算，将点数据扩展为面数据，最终映射成厚度分布热力图，实现路面摊铺厚度3D可视化(见图9)。

图9 摊铺厚度3D可视化模型(单位：mm)

3.2 摊铺厚度离散评价指标

利用摊铺厚度模型，提取厚度差、各厚度差面积等参数，建立以松铺厚度离散指数TDI、摊铺厚度达标率TCR和厚度成本控制率TCCR为指标的路面摊铺厚度评价方法，完善沥青路面松铺厚度评价体系。

(1) 厚度离散指数TDI。该指标以厚度差作为权数、各厚度差区域面积为自变量，综合评价厚度离散状况。表达式如下：

(1)

式中：i为厚度离散标准的第i厚度段；i0为厚度离散标准中的4种类型；wi为第i类厚度差面积的权重，其值见表2；Ai为厚度分布图中第i类厚度差的面积；A为厚度分布图的总面积。

表2 沥青路面摊铺厚度离散程度和权重

(2) 厚度达标率TCR。该指标评价摊铺路面混合料摊铺厚度是否满足最低施工要求。表达式如下：

(2)

式中：A1为厚度分布图中低于最低摊铺厚度的数据的面积；A为采集的摊铺厚度数据的总面积。

(3) 厚度成本控制率TCCR。该指标作为混合料成本控制指标，用于优化混合料摊铺管控。表达式如下：

(3)

式中：A2为厚度分布图中高于最低摊铺厚度、低于松铺厚度上限的数据的面积。

3.3 摊铺厚度评价分析

该路段摊铺厚度分布3D可视化模型见图9。该路段宽7.5 m、长100 m，松铺厚度最低要求为65 mm，面积为750 000 cm2。

(1) 厚度离散指数TDI。该路段各厚度差的面积见表3，根据表2，按式(1)计算，得TDI=0.91%。

表3 摊铺路面厚度差的面积

(2) 厚度达标率TCR。该路段要求摊铺厚度不低于65 mm。摊铺厚度<65 mm的面积为19 876 cm2，按式(2)计算，得TCR=97.35%。

(3) 厚度成本控制率TCCR。该路段要求摊铺厚度不高于80 mm。摊铺厚度≥65 mm、≤80 mm的面积为730 124 cm2，按式(3)计算，得TCCR=97.35%。

采用传统方式随机取样抽检该路段路面厚度，结果显示：12%取样点的厚度低于设定的最低限值，18%取样点的厚度超出设定的最高限值。

根据厚度离散指数计算结果，该路段松铺厚度有轻微差异，但覆盖面积较小。根据厚度达标率计算结果，仅2.65%区域的厚度低于下限要求，其余路段都很好地控制了最低摊铺厚度。根据厚度成本控制率计算结果，该路段摊铺厚度成本最低控制率为97.35%。

4 结论

该文将雷达测厚技术应用于沥青路面摊铺厚度实时监测，主要得到以下结论：

(1) 雷达测试数据与沥青摊铺现场常用人工测厚工具测试的数据在测试精度、数据变化趋势上吻合良好，同时避免了人工采样点离散、人为因素等影响，具有良好的应用前景。

(2) 雷达测厚系统能完成沥青路面松铺厚度及温度数据的稳定采集、准确记录及上传。

(3) 3D摊铺厚度热力图能直观反映路面摊铺效果，结合厚度离散指数、厚度达标率和厚度成本控制率，能实现对沥青路面施工质量的有效把控。相较于传统厚度控制方法，3D可视化技术建立了沥青路面松铺厚度综合评价体系，能准确反映沥青路面摊铺厚度离散及成本控制情况。