地质雷达检测技术在公路工程检测中的应用

文／章鑫 中铁四局第五工程有限公司 江西九江 332000

1.地质雷达技术概括和特点

1.1 概括

地质雷达法为一类相对常见的检测方法，用108Hz左右的脉冲电磁波探测地下介质中的电荷大小。地质雷达为检测领域比较常见的技术，其系统构成相对简单，包含主雷达与天线，天线系统中包含一个发射器、一个接收器，在系统运行过程中主雷达负责传输信号，其将采集的信号传输给天线系统，再依据一定的规则将这些信号转换为系统的可识别数字，最后将这些转换而来的数字存储在相应模块。利用地质雷达进行检测时，天线系统兼具接收、传输、交换功能，且能为电磁波、发射脉冲之间的转换提供良好条件[1]。因为不同介质的电性有所差异，高频电磁波在不同媒介中的传播路径、强度也各有特点，通过分析这一差异，即可判定电磁波的传播媒介类型，进而得到被测物体的相关信息。

1.2 特点

地质雷达是工程领域相对常见的检测技术，其具有以下几个突出特点：（1）地质雷达下的公路工程检测，对道路结构等的损伤小，能连续开展检测任务，因为许多环节都能由仪器自动操作，可减少在检测过程中的人员投入。（2）雷达能完整、准确地记录在检测期间产生的一切信息，生成直观图像，数据采集和处理流程简单，耗时短。（3）分辨率较高，探测深度的符合率在5cm 以内，检测精度高，结果更为可用。（4）应用了信息技术，检测便捷性提高，且具有自动化特点。（5）抗干扰性强，只需在雷达上设置屏蔽天线，即可减小外部因素对检测过程及结果的干扰。

2.地质雷达检测技术的检测应用流程

2.1 前期判断

公路工程检测中应用地质雷达检测技术时，检测流程虽较为简单，但在任何一个检测操作环节都需严格执行技术规范与标准。正式检测之前涉及前期准备，相关人员需依据既有信息大致判定公路工程的质量情况，如需进入现场调研地质结构是否有裂缝或者断裂、公路工程的路面性能是否良好，是否有其他病害等[2]。当通过前期判断掌握了公路工程的基本质量情况后，再有针对性地实施检测，以准确掌握公路工程存在的质量问题，在此基础上制定解决措施。

2.2 选择测点

公路工程在建成投入使用后，受车辆荷载或者外部环境因素等影响，公路路基或路面常常会出现质量问题，如路面板脱空，一旦车辆荷载较大，且该车辆通过路面时易出现地面板翘起、晃动等问题，引发的人员伤亡与经济损失较大。因此，针对公路工程中的各种质量问题，有关人员必须合理应用地质雷达检测技术，通过规范使用该技术准确识别公路的质量问题，从理论性、实践性角度展开一系列分析与总结。通过分析地质雷达检测结果，有关人员发现工程中路面板脱空现象为路面遭遇积水侵蚀、车辆荷载较大引起，考虑这一情形，检测过程中可在路面板联结位置布置测点[3]。无论何种类型及规模的公路工程，地质雷达检测技术下需合理布置测点，不仅需保障测点数量合理，还需精确控制每一测点的位置。

2.3 调整参数

公路工程检测中应用地质雷达检测虽具有多方面的优势，但在检测中为得到高精度检测结果，相关人员需合理调整每一环节的参数，否则，任何一个参数设置不合理，都可能影响检测结果的准确性。结合地质雷达检测技术的应用经验，如中心频率高低值符合相应规定，并不意味着其探测深度达到了有关规定，有关人员还需分析检测结果，从中选择最符合公路工程实际情况的探测结果。另外，检测过程中应分配专业人员负责计算、分析探测结果，并在检测的过程中记录地质信息的各种数据，保障数据的完整性、准确性。因为地质雷达检测的特点，雷达设备的选择也相对关键，相关人员需根据检测需求配备更高性能、更多功能的雷达设备，并合理调整设备参数。

2.4 数据分析

有关人员应用地质雷达检测技术完成了公路工程的检测任务后，还需整合各种检测数据，再通过GSSI 等专业化软件完成数据的筛选、分析与计算，从大量的数据中提取出更有价值的内容，得到可靠的检测结论。

3.地质雷达检测技术在公路工程检测中的具体应用

3.1 公路工程路面厚度的检测

针对公路工程检测任务，原先的检测中主要为通过钻芯取样或者挖坑的方式，这种检测方式相对落后，检测过程中的效率低且需要耗费较长的时间，检测结果与实际的偏差较大，且取样操作影响了路面完整性。而地质雷达作为新技术，可有效克服原有检测技术的诸多限制，能在保障路面完整性的前提下开展检测任务，且绝大部分的检测工作均由设备自动完成，需人工操作的部分相对较少。因此，正是因为地质雷达检测技术的这一特点，在当前的很多公路工程路面检测中都强调使用该技术。在我国的公路工程中，高标准沥青路面有三层和两层两种形式，如在施工建设中为多层铺设工艺，在施工中的质量要求较高，特别是底层与基层的厚度应符合相应标准。如公路工程中低层和底层铺筑厚度达不到要求，将影响路基路面的稳定性，无法为人们提供良好的通行条件。为有效解决这一问题，在公路工程中的路面检测十分关键，通过应用地质雷达技术，可准确评估路面性能，使有关人员判定路面厚度是否与施工质量要求相一致，如有路面厚度不达标现象，施工人员需立即根据实际情况来处理问题。

3.2 公路工程路面病害的检测

公路工程在投入使用后，在自然因素影响或者巨大的车辆荷载作用下，其路基路面往往会出现一定的病害，随着时间的延长，这些病害问题将越发严重，最终影响公路的使用。为保障公路的正常使用，有关人员需合理监测、检测病害，掌握病害类型、原因、发展过程、危害程度等，在这些基础上再制定处理病害的有效方案。结合公路工程项目病害发生情况，路基路面沉陷、裂缝等的发生几率较高，在实际的工作中可动态监测这些病害的发生情况，综合诸多因素制定最佳的养护措施。不同于传统的检测技术，地质雷达检测具有无损伤、无接触性特征，经由规范化检测操作可得到更为完整且准确的信息，为养护提供可靠数据。针对不同类型病害，地质雷达检测技术的应用具体表现在以下方面：

3.2.1 路面局部密实度不均匀、脱空

公路工程的路面施工作业中一般需使用不同类型、质量的铺筑材料，这些材料的分层结构等各有特点，这一差异决定了每一分层的介电特性区别。但实际获取的图像中信号传递强度一致，各项结果的误差值异常小。从理论方面分析，将公路表面层与基层和密集区结合，不同层之间所产生的波形具有一定的规则平滑性，出现杂波反射的几率较小。但一旦公路中的排水不畅，内部聚集了一定的水资源，且存在地表水持续渗入路面结构问题，不同路面表层将逐步松散，严重情况下空隙增大。针对路面局部密实度不均匀、脱空问题，利用地质雷达检测技术能得到相应的结果，一段时间内该层介电常数发生变化，层数之间的常数差值显著增大。对比雷达波发射界面、传播界面的特点，能掌握反射界面的变化规律，再由地质雷达获取图像信息，得到局部密实度不均匀、脱空质量问题的出现位置、大小等。

3.2.2 裂隙

公路工程中裂隙也是相对常见的问题，裂隙周边介质介电质受裂隙水影响较大，如裂隙水存在显著变化，介质介电质也会有一定波动，在利用地质雷达进行裂隙缺陷的检测时，雷达电磁波在边界处将发生反射现象。为此，为避免裂隙问题的扩大，相关人员在具体的工作中需合理采取控制措施。根据地质雷达的检测经验，不含水基层裂隙、表面反射波在地质雷达异常剖面图中同相轴中断，实际表现是在两侧同相轴的错动。如在公路工程中存在富水基层裂隙问题，利用地质雷达检测技术所得到的异常剖面图，可直观发现串珠型线性异常现象。公路工程项目中如存在基层富水现象，对公路使用的危害较大，有关人员如未及时发现和处理这一现象，将导致公路强度、抗剪强度持续减小，一旦在此情况下继续允许车辆通行，在车辆荷载下路基路面的变形严重。另外，水的介电性较大，是导致非富水区、基层富水层介电性差异的直接因素。检测中得到的地质雷达检测图像中有关人员可分析介电性差异，在此基础上来判定公路工程的质量缺陷。

3.3 路面检测

公路工程检测中利用地质雷达检测技术时，路面检测也为重点和难点，检测中为得到相对可靠且有效的结果，主要需注意以下方面：（1）分析检测公路的类型、对检测的精度规定，在此前提下选择对应的地质雷达。如为沥青混凝土路面，应选用频率为2500MHz 的雷达天线，其分辨率高，能高效完成检测任务，满足检测的精度标准，在具体的检测过程中，能分析沥青混凝土不同面层的厚度情况。此类型雷达天线属悬挂型，理论上的探测速度大约为90km/h，但实际的工作中因为受多种因素的影响，探测速率相对较低，仅仅能保持在30km/h 左右。如为水泥混凝土铺装路面，检测时可选用频率为500MHz 的雷达天线，配备地拖雷达，发射端与接收端相融合，具体检测中的优势明显，表现在发射功率大、介质能耗小、抗干扰性强、穿透性好上，即使为1.5m 的介质，同样能顺利穿过，检测效率高、精度高，检测结果与实际的误差相对较小。（2）合理控制采样密度。地质雷达检测的密度较大，主要包含2m、1m、0.5m几个采样密度，每间隔特定的距离开展一次采样任务。如公路工程检测时现场环境具有特殊性，可在原有基础上适当加密采样，以保障获得的检测数据能与采样密度、精度要求相一致，方便相关人员利用检测结果分析和评估公路工程的质量情况，从而快速识别、处理公路工程的质量问题，恢复公路性能。（3）严格执行公路工程地质雷达检测技术规定、操作流程，保障不同检测流程的紧密衔接。在检测单位内应成立专门的检测机构，分配专业的检测人员，保障每一检测人员在后续都能发挥其专业优势，结合公路工程的检测目标，合理分配检测任务，并规范完成检测操作，不得有错误操作的情况。一旦在地质雷达检测中遇到了有关问题，不同岗位人员需加强合作，协商处理实际情况，保障地质雷达检测的顺利进行，以得到更为有效的检测数据。

4.工程实例分析

4.1 工程概况

某水泥路面公路工程，全长10.47km，路面结构为26cm 普通水泥混凝土板+20cm 水泥稳定碎石+20cm级配碎砾石。工程所在地的经济发展迅速，重轴载车辆来往数量多，这些车辆频繁在建好的路面上行走，对路面结构造成了较大损坏。另外，此处降水量较多，在长期的雨水侵蚀下，路面基层损坏严重，局部位置的水泥板有断板现象，来往车辆的通风风险大。为及时掌握该公路工程的路面、结构性能，在现场采用了探地雷达技术。

4.2 布置检测点位

探地雷达技术对检测路面性能相对有效，但利用此检测技术时，检测结果受到多方面因素的影响，如点位布置，检测点位是否合理，关乎检测结果的准确性。在选择检测点位时有关人员需分析公路工程的现场情况，不仅需保持点位总数，还需精确定位每一点位，控制相邻点位的距离。综合本公路工程的总体长度，再参考行业规范，为准确测得路面板破损情况，需在路面板位置布设多个点位。本次检测时所用地质雷达型号为GSSI-SIR-20。

4.3 雷达参数设置

利用地质雷达进行检测时，其中心频率并不能完全反映实际的探测深度。因此，利用探地雷达进行检测时，为保障探测深度的合理性，相关人员需综合分析现场的各方面数据。此外，确定探测深度、病害位置时，单纯根据显示结果并不能得到完全精确的结果，还需进行计算，以精确定位并确定病害尺寸。判定病害类型及位置时，地下结构层厚度、振幅特征、时频都是需重点关注的方面。

4.4 数据综合分析

本公路工程现场采用GSSI-SIR-20 地质雷达进行检测，利用该雷达可获取公路工程的地下数据，获取的数据用直接传输到GSSI 软件中，由此软件完成筛选、分析与计算。在滤波等处理流程下，得到的数据更为准确。通过一系列数据分析与对比，1-26、1-27 号水泥混凝土板板底基本无破坏，虽这两块水泥混凝土板的连接部位存在较大裂缝，但全面检测和评估后，发现其板底无脱空问题。1-15、1-16、1-17 号水泥混凝板板底有脱空现象，但脱空面积较小，结合探测结果的全面分析，此现象可能由雨水侵蚀渗透所引发，在雨水作用下部分基层集料被水冲走。2-20、2-21 号水泥混凝土板板底的脱空问题比较严重，其脱空面积大，此现象主要因为重载车辆在这些路段频繁走动，面层与基层的连接型被破坏，再加上频繁降雨，此处基层集料被水冲走。检测结果如表1 所示。

表1 道路工程地质雷达检测结果

4.5 雷达检测与FWD 检测比较

地质雷达检测过程中，可能会出现现场人员操作不当或人员判读错误引起检测结果偏差的情况。为了保证检测结果的准确性，我国常采用FWD（落锤式弯沉仪）对地质雷达检测结果进行复核。根据落锤式弯沉仪检测结果分析可知，1-15、1-16、1-17、1-26、2-21号水泥混凝土板弯沉值超过45μm，说明四块水泥混凝土板板底均出现脱空现象，2-20 号水泥混凝土板弯沉值超过210μm，说明该块水泥混凝土板板底出现严重脱空。对比两种不同方式的检测结果可知，1-26、2-21号水泥混凝土板检测结果出现差异。两种不同方式的检测结果见表2。

表2 FWD 与地质雷达检测数据结果对比

地质雷达检测的结果虽较为有效，但检测过程中许多因素都会影响结果，如操作问题，一旦操作人员在地质雷达检测中未遵循相应的操作规范与标准，将导致检测数据与实际数据的较大偏差。为提高检测精度，利用地质雷达检测公路工程时，常常引入FWD（落锤式弯沉仪）复核结果。通过FWD 检测数据，1-15、1-16、1-17、1-26、2-21 号水泥混凝土板弯沉值大于45μm，说明这些水泥混凝土板的板底存在脱空现象；2-20 号水泥混凝土板的弯沉值超过21045μm，此处板底的脱空问题突出。对比地质雷达和FWD 检测数据，1-26、2-21 号的水泥混凝土板的检测结果偏差较大，其检测数据的对比如表2 所示。

4.6 雷达检测与钻芯取样结果比较

因为在此处检测过程中，FED 和地质雷达的检测数据有明显偏差，为保障检测结果的有效性，相关人员需应用钻芯取样法再次检测病害情况。在现场进行探测后，发现1-26、1-27 号水泥混凝土板钻取芯样完整，基层无松散，而其他板号所钻取的芯样，基层松散相对严重，此检测结果与地质雷达检测结果完全相同。对比FWD 与钻芯结果，1-26 号水泥混凝土板板底结果有偏差，说明FWD 检测时1-26 号水泥板检测结果的准确性不足。经由上述分析，地质雷达的检测结果更为准确。

结语：

当前公路工程陆续增多的过程中，公路检测受到了行业内的普遍关注，为最大程度上提高检测水平，有关部门应合理应用地质雷达检测技术，发挥这一检测技术的突出优势。未来针对公路工程检测，相关人员需持续研究地质雷达检测技术，不断构建完善的检测路径与技术体系。