探地雷达检测应用探讨

DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2016.S1.032

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING

Ｓ１　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１８８）

Ｏｃｔ．　　２０１６

探地雷达检测应用探讨

茅 卫 生

（上海申嘉湖高速公路养护管理有限公司，上海200241）

摘要：阐述探地雷达在高速公路桥梁检查检测中的实践应用，针对申嘉湖高速公路道路的基层裂缝、板梁空洞等病害，采用探地雷达检测技术进行数据采集，对采样数据曲线进行深入分析，从而判断病害等级、存在位置等，指导后续养护维修工作。

关键词：探地雷达；检测；分析；应用

中图分类号：U446 文献标志码：B 文章编号：1004-4655（2016）S1-0110-03

高速公路运营养护过程中经常出现道路基层开裂、空洞等病害，在众多病害中，基层等深层结构病害是最难发现和判别的，通常此类病害在后期都以路面反射裂缝的形式表现出来，由于较难界定病害成因，实际养护维修中按面层病害进行铣刨加罩处治，难达到理想的维修效果，不但耗费人力、物力和财力，还频繁增加封道次数，给道路运营通畅和养护人员安全带来负面影响。由此可见，若能事先探测面层下部结构状况，提前预警和诊断病害类型，并在养护作业中采取针对性维修措施将事半功倍。1 工程概况

申嘉湖高速公路西起上海浙江省界，与浙江省申嘉湖高速公路相接，东与浦东国际机场南进场道路相接，经金山、青浦、松江、闵行和浦东新区五区，S32申嘉湖高速公路（全线）段工程桩号范围K0+000～K83+533，全长约83.533 km，其中桥梁59座。巡检中发现部分路段沥青面层存在路面纵向裂缝等病害，采用通常的灌缝、铣刨加罩方法维修，仍反复出现病害，效果不理想。通过采用探地雷达，试块试验、现场实测，摸索一套隐蔽空洞

采用探地雷达无损检测行之有效的办法。2 技术原理

选用GSSI的SIR20多功能雷达，根据雷达反射理论结合雷达实测波形，利用界面两侧介质电磁学性质差异性，内部反射波高、低频率特征不同判断构件是否存在空洞及材质不一样的病害。3 试件检测及分析

为鉴别探地雷达的检测精度、准确率，事先做好预留空洞的2组试块，分别采用混凝土及沥青材质，为工程实例提供可靠的数据支持。由于试件条件下具体参数是已知的，故通过对其探测数据的反演计算获得对工程实例有价值的物理量数值，以此完成对综合解释的不断修正，最终得出最接近实际的地质剖面图。试件模型为2组60 cm×60 cm×60 cm立方体试块，试块的内部均预留一个深20 cm、直径为6 cm的孔洞。

测量前检查主机、天线以及运行设备的工作情况，确保其均处于正常状态。清理检测场地。先将试件模板拆除，选择探测作业的工作面，再做适当打磨，确保工作面平整，以方便探测天线能以平滑的方式在其表面移动。

天线频率是天线重要技术指标，决定天线分辨率和探测深度。天线频率越高，精度越高，探测深度则越浅；相反天线频率越低，精度越低，探测深度越深。天线的频率相同，但功率不同，探测深度

收稿日期：2016-08-10

作者简介：茅卫生（1974—），男，高级工程师，本科，从事高速公路养护检测维修工作。

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茅卫生：探地雷达检测应用探讨2016年增刊

也可能不同。根据实验设备和试块厚度，经过多次测试后，最终选择900 MHz天线进行实验。但为加强实验结果的对照效果，还备用400 MHz天线和1 500 MHz进行试探测实验。

运用RADAN软件，对介电常数等试验参数进行修改。平放天线，由于试验中试件体表面积较小，检测人员不便利用拖拽绳控制天线行进方向与检测速度，而改用接触式手推操作，确保检测天线移动平稳、速度均匀。

以混凝土试块结果为例，在试块密实及孔洞区域各布置1条测线，测线编号分别为1号～2号测线，对密实区域及内部有孔洞区域进行探测对比，结果显示使用雷达能探测内部孔洞，孔洞测量深度为17.5 cm，与实际深度17 cm基本一致。测试结果见图1～图4。

测试深度39.5 cm，实际深度40 cm,用于推算试块的介电常数

图 1 密实混凝土测线波形图

空洞深度17.5 cm，实际深度17 cm,用于推算试块的介电常数

图 2 空洞混凝土测线波形图

图 3 密实混凝土测线剖面图图4 空洞混凝土测线剖面图

2个试块测试结果表明，使用地质雷达能探测出素混凝土和沥青混凝土内部孔洞，且效果较好，如能推广并将之应用于道路病害探测将获得很好的实用价值。此外，通过本次实验发现以下几点。

1）较500 MHz雷达天线，900 MHz探测深度更深，可以探测有效深度为0.7～0.8 m，基本接近路面基层深度。当需要探测路基工作状况，则需要采用400 MHz的雷达。

2）假定介电常数与实际不完全一致，导致结论

存在偏差，但对大量试验数据反演推算可以获得更加精准的介电常数，从而有效降低误差。

3）剖面灰度图较为直观，但有时难以判读，可采用波形度进行解释。4 现场实测应用数据分析

4.1 400 MHz探地雷达探测精确度研究

2015年巡检中发现S32申嘉湖全线个别桥接坡、G15匝道及大蒸港桥的沥青面层均存在不同程度的路面病害，历经多次铣刨加罩整治仍无法达到

理想效果，后通过对部分路段进行开挖验证知，桥面铺装和道路基层存在碎裂及脱空现象。针对此现象，采用探地雷达技术，对路面和桥面的深层病害进行检查，采集波形进行分析。

采集数据如图5，根据数据图像可以初步判定基层或路基下部结构已开裂形成脱空部位。鉴于900 MHz雷达有效探测深度可能不够，故选用400 MHz雷达对裂缝部位进行探测，得到如图5所示的地层剖面图。

空洞图 5 G15立交地层剖面图

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上图部分位置表现为双曲线形态，且顶部反射能量最强。这是由于该区域电阻率高、介电常数低，电磁波传播速度快，结合试件探测结果和反射波理论，判断该位置存在空洞。

采用修正过的介电常数（由试件分析反演得到）推算该位置深度为82 cm，经开挖验证为87 cm，可见地质雷达能有效判别路基空洞病害。4.2 900 MHz探地雷达探测精确度研究

斜塘桥在S32高速公路(浦西段)跨越斜塘河，采用分离式断面，分上、下行2座桥，中心桩号为K68+008，桥面结构自上而下为4 cmSMA-13、6 cmAC-20C、8 cm钢筋混凝土铺装，整个铺装厚为18 cm，故采用900 MHz雷达探测。探测图像见图6。

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图 6 斜塘桥混凝土铺装层雷达图（路面干燥）

由图6可知，沥青路面存在隐性车辙病害，根据以往开挖取证图像，混凝土铺装病害多为裂缝，而该层又布置较多钢筋，裂缝信号反射较弱，导致鉴定结论不明确，故有待通过试验对其进一步研究。

假设混凝土铺装层有裂缝出现，雨水很容易渗入。由于雨水是高阻抗，侵入后使各结构层的电阻率发生变化，降低电磁波的传播速度，导致波形图振幅发生明显改变。因此，对原探测位置进行浸水探测实验，得到探测图像见图7。

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图 7 斜塘桥混凝土铺装层雷达图（路面浸水）

由图7可知雷达波在混凝土铺装位置发生多次振幅反射现象，可见该层已有水侵入，间接证明裂缝存在。经开挖确认该部位铺装混凝土已明显破碎。112

5 探地雷达检测中控制关键点

1）探地雷达检测。对于波形不明显，主要调整技术参数：频率、采样时窗、叠加次数、测点距离及采样速率。

2）检测中还应排除干扰。架空电线、附近大型金属物体、多次反射波、皮尺等测量用具、绕射波、配电房等。

3）数据分析中采用数字滤波技术。将地质雷达记录时间域信号进行傅里叶变换，转换为频率域信号，根据频率域信号的振幅谱特征确定有效波信号的频率，设计滤波器，保留有效波的频率成分，过滤掉干扰波，滤波后再对信号进行逆傅里叶变换，得到滤波后时间域信号，方便进行数据分析。6 结语

通过对试件和工程实例的探测结果可知：探地雷达可以很好识别路面下部结构的孔洞病害，定位精度较高；能在不开挖的情况下发现空洞，指导养护维修。在申嘉湖高速的两处应用案例中，试验证明，一般情况下结构层厚度越大，选用频率越小。

根据现场多次不同部位的试验结果，初步整理不同深度下天线频率选择参考值（见表1），对类似检测工程有一定的指导意义。

表1 不同深度下的天线频率选择参考值

天线频率/MHz 适用场合

最大探测深度/m 适宜探测深度/m

200～250浅层地质，土木

工程10～153.5～5.0350～500空洞，管线探测，雪和冰的厚度可达7.51.0～1.5800混凝土，空洞，路面，桥梁 可达2.50.5～1.01 200路面，桥梁0.50.3～0.51 600路面，桥梁0.3～0.40.32 300

沥青路面面层

0.2

0.2

由于地下介质复杂多变，尤其对不明结构物进行测量时，需现场调试，初步确定天线频率选择合适的天线后，再进行波形分析。一般来说，根据不同介质，如混凝土、沥青、水泥稳定碎石层、三渣等，信号波有时难以判读，可通过开小孔的办法加以辅助确认。另外，目前探地雷达暂时还无法检测出隐蔽空洞的大小，有待进一步完善开发新一代探地雷达产品。