探地雷达在城市道路无损检测中的应用探究

周剑文 张建华

郑州大学 管理工程学院 河南 郑州 450001

引言

在道路验收、养护及提升改造过程中，通常需要对路面以下的地质情况进行检测，及时发现路面下的不密实、脱空、裂隙等问题，并采取行之有效的解决方案，为后续的工程进展提供保障。

传统的城市道路工程质量检测常采用随机抽样的方式检测其厚度、压实度、弯拉强度、弯沉值等指标，判断是否存在隐患、缺陷并定位其部位。然而，现有检测方法尚存在以下问题或不足：①观测或采集的样本量太小，不能反映道路整体质量和运行状况，缺陷、病害漏检的概率极大，容易留下隐患。②对道路产生不同程度的损害，留下的检测痕迹很难恢复处理，很有可能为该路段埋下潜在的病害风险。③设备笨重，人工检测效率低，成本高。④一些检测方法探测深度受限，很难检测到深部缺陷，从而导致漏检误检。

相较于传统检测方法，探地雷达检测方法具有无损、快速、连续、高精度、高分辨、实时成像等优点，从实用性、有效性、准确性以及经济性等方面考虑，更能顺应城市道路检测的全方位要求。

1 探地雷达的工作原理

探地雷达的基本工作原理是天线向地下介质发射高频脉冲电磁波，当电磁波遇到目标体时，由于目标体介电常数与周围物质介电常数之间存在差异，产生反射回波。由雷达接收天线接收目标体的反射回波，并通过相应计算分析过程判定目标体的位置及其性质[1]。

2 雷达检测的准备工作

在开始检测前需确认测试的目的和要求，据此制定详细的测试计划，确定需要的仪器型号、相关的测试软件，以及合适的天线配置并制定检验检测方案。

2.1 收集与检测目标所处环境的基础资料

检测目标所在位置的水文地质环境、周边毗邻建筑物、地面地下交通安全情况、地下雨污水管网及电力排管等因素，都会影响探地雷达检测的准确度。对基础资料的收集，既可以为制定测试程序提供依据，又可为测试数据的处理和解释提供必要的参考。

2.2 测线及测网的布置

在检测开始之前，应根据检测目标的特征进行合理的测线及测网的布置。测线及测网的布置与目标的大小和所处方位有关。测线应该沿与物体的长轴或走向垂直的方向布置。当目标长轴方向不明确时，宜采用测网布置。应控制好测网间距，使探地雷达的检测范围全方位覆盖，对疑似缺陷部位进行位置标记，以便记录平面位置。

2.3 仪器参数的选择

选择合适的测量参数直接关系到测量结果的准确性。测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率、接收天线间距等。

一般而言，雷达发射的电磁波的穿透深度取决于地下介质的电性和波的频率。导电率越高、频率越高，穿透深度越小，反之亦然。对于城市道路探地雷达缺陷检测而言，检测面层厚度一般采用2500MHz天线，检测基层厚度一般采用900MHz天线，检测路基病害一般用500MHz和100MHz天线[2]。

2.3.2 天线间距的选择。天线间距S的确定，是目标体最大深度与接收和发射天线形成的夹角为临界角的两倍，即：

可以看出，增加天线间距，可加大探深；不过，增加天线间距将给测试工作带来极大不便，更重要的是，随天线间距的增加，垂向分辨率将降低。所以在实际工作中，天线间距S通常取目标体最大深度的20%。

3 探地雷达在城市道路缺陷检测中的应用研究

本文以郑州市“一环十横十纵”示范街道整改提质工程项目检测为例，展开应用研究。根据搜集到的基础资料，目标段工程区间长度5035m，呈东西走向，位于城市高架桥下方辅路，双向六车道。现按照车道左右轮迹带进行测线布置。采用LTD-2600型工程雷达进行检测，对该工程委托部位辅路行车道道路内部缺陷情况进行检测。一般而言，道路结构层和基层交接处，基层和素土路基交接处易发生空洞，不密实等缺陷，根据道路内部缺陷深度选择GC400 MHz天线较为合适。调整雷达介电常数为9.0，时窗设置为40ns，扫描速度为256道/秒，采样点数为256点/道，自动增益为关闭状态，滤波设置为打开状态，探测方式设置为测距仪控制。

3.1 数据处理及图像解释

对探地雷达的数据处理和图像解释是进行地质分析的关键。探测的雷达图形以脉冲反射波的形式记录，以波形和灰度显示出探地雷达的剖面图像。地下介质相当于一个复杂的滤波器，当波发出后，不同介质会对波产生不同程度的吸收和反射，使得脉冲返回到接收天线时，波幅减小，能量削弱，波形变得与初始发射波形大不相同。当受到外界环境不同程度的噪声干扰和铁磁物体的影响时，实测数据也会受到波动。因此，必须对接收信号进行适当的处理，以改善原始数据的信噪比，增加检测数据的可靠性，为后续的地质解释提供清晰可辨的图像。在现场进行检测时，还应识别现场探测中遇到的可能会引起图像异常现象的情况并做好原始记录，在雷达成像上也应做出相应标识，以便对各类图像进行解释提供依据。

经过实时处理后的数据可以起到消除随机噪声、压制干扰、改善背景的作用。背景消除可以有效将雷达的直达波及固定波消除，凸显探测目标信息。当探测到异常目标时，波形会呈现急剧变化，使目标的雷达信号更加直观。道间平均适用于在背景比较杂乱、噪声水平较高的探测环境下，通过将采集的数据进行平均以达到抑制噪声，使有用信号凸显。进行自动增益可以补偿介质吸收并有效抑制杂波，进行滤波处理可去除高频、余振和背景噪声的影响，突出目标体。进行水平和垂直滤波，可以保留有效波形，过滤掉干扰波，减少直达波的影响。干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。

图像解释和异常识别是探地雷达检测的核心内容，也是一个经验积累的过程。一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面基于工程实践获得。只有得到高质量的探地雷达图像并能正确地识别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。

3.2 雷达成像图分析

以工人路～嵩山路段辅路行车道地质特性检测结果为例，其雷达成像图见图1。该路段车道右侧测线43中，K0+043～K0+055波形界面反射信号强，呈带状长条形分布，三振相明显，且不同层位存在多次相似反射信号，判定此处存在脱空缺陷；K0+068～K0+072波形界面反射信号强，呈典型孤立体相位特征，在其下部呈倒三角强反射界面信号，判定此处存在空洞缺陷；K0+055～K0+064和K0+080～K0+087判定为存在轻度不密实缺陷，雷达成像表现为不同深度轴向错位、层间波形不连续，区域化分布较为集中，信号为较强反射信号。

图1 工人路～嵩山路段雷达成像图

以人和路～大学路段辅路行车道地质特性检测结果为例。该路段车道左侧测线64中，K1+965～K1+971存在波形不在同轴同一水平线上，波形起伏较大，有褶皱，且不稳定，影响深度范围在0.79～1.28m之间，判定此处存在路基沉陷。

以行云路～南溪路段辅路行车道地质特性检测结果为例。该路段车道左侧测线7中，K2+687～K2+692存在地下层位不连续的强电磁效应，从而造成雷达反射波波形产生下凹现象。如果路基内存在空洞裂纹等缺陷，在雷达上将反映出呈低频、大振幅特殊的不规则强反射波[3]。如此，判定此处存在结构层断裂。

3.3 缺陷成因分析与鉴定

在工人路～嵩山路段中，依据现场缺陷位置，发现主要集中在主路进入辅路的分岔口处，车流量较为集中，且在该位置处有一处检查井，埋置深度在路面以下1.5m处，上部采用黄沙回填。缺陷部位发生在深度0.76～1.54m处，位于路面结构层下的原土基和回填土交界处，不排除因检查井回填土不密实导致的路基空洞、脱空及不密实现象。

在人和路～大学路段中，路基沉陷深度在0.66～1.38m处，在路面上表现为沥青路面呈龟裂状，且车辙较深，局部沉陷。此处缺陷位于车道1左侧靠近路缘石位置，可能存在路基压实不到位情况，而花池内雨水下渗对路基的冲刷也是其中原因之一。

在行云路～南溪路段中，结构层断裂深度在0.39～1.21m处。结合设计图纸分析，此区域内为机动车道翻挖新建，新老路基搭接部位需将老路路基开挖台阶，并在开挖的台阶上铺设GSL50/PE型双向土工格栅。新老路面衔接处理需在新老路面基层交接处和基层与面层交接处粘50cm裂缝贴，以增强新老路黏结性和整体性。而发生缺陷的部位位于基层和路基处，因此不排除施工过程中新老路交接处理不当引起的结构层断裂缺陷。

4 结束语

本次雷达检测将缺陷部位进行注浆后进行了复测。注浆效果良好，缺陷部位得以有效修复和控制。在经历郑州“7.20”特大暴雨后，该道路并未出现塌陷、沉降、断裂等问题。通过探地雷达在城市道路中的无损检测应用，可以得到如下结论：道路缺陷的潜在风险多发生在施工过程中，可以通过加强组织管理，完善施工工艺，将隐患排除在萌芽之中；探地雷达在城市道路检测中的应用并不广泛，还需要将其进一步推广，并在仪器精度和抗干扰能力上进行改善；文中所列举的缺陷已进行钻孔查验并得到证实，探地雷达的无损检测的可靠度基本得到保障。