地质雷达在汉宜高速公路路面检测中的应用

地质雷达在汉宜高速公路路面检测中的应用黄正发刘玉山杨银湖王云安湖北省交通规划设计院摘要：对地质雷达技术在路面检测方面的原理进行了介绍，重点对野外数据采集时的天线选择、参数选择及室内数据处理、资料解释等方面进行了研究，将研究成果应用于汉宜高速公路路面检测中，效果较好。

关键词：地质雷达；路面检测；资料解释中图分类号：P319.12作者简介：黄正发(1971—)，男，高级工程师，1994年毕业于中国地质大学应用地球物理系，在湖北省交通规划设计院从事岩土工程勘察及研究工作，现就读于中国地质大学(武汉)研究生院，攻读地球探测与信息技术博士学位. Email：hzf@1 工程概况汉宜高速公路武汉～荆州段于1995年建成通车，属沪蓉国道主干线的重要组成部分，呈东西向横穿整个江汉平原[1]。

由于该路段大部分通过软土地区，且运营时间长，通行车辆超载严重等原因，导致该路段路面出现了裂缝、断板、破损或唧泥等现象(图1)，如不有针对性地及时进行检测与维修保养，公路正常使用及行车安全将难以保障。

笔者应用地质雷达技术对汉宜高速公路武汉～荆州段(K82+148～K122+000)路面质量进行了有益的检测和研究。

(a)路面破损(b)路面唧泥图1 路面病害现象2 地质雷达路面检测原理地质雷达方法是一种用于确定地下介质的广谱(1MHz—1GHz)电磁技术[2]。

该技术利用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及空间形态而变化，因此，根据接收到电磁波的旅行时间、幅度与波形资料，可推断介质的性质及空间形态。

检测和研究路段的路面结构型式如下：面层为厚25cm的水泥混凝土，上基层采用厚度20cm的水泥稳定石屑，下基层为20cm厚的水泥石灰稳定土(如图2-a)。

由于空气、面层、上基层、下基层的介电常数不同，电磁波在介质内部及不同介质界面上将会产生直达波、反射波及透射波(图2-b)。

其中，图中T1为电磁波在空气中的直达波，R1为面层与上基层界面之间的反射波，R2为面层的透射波在上基层与下基层界面上的反射波，R3为上基层的透射波在下基层与路基界面上的反射波。

各个界面或缺陷位置的深度利用公式1即可求出，其中ν既可通过理论公式(公式2)及表1计算确定，∇直接从雷达时间剖面上依据同相轴的连续性判读。

亦可通过孔取芯标定来确定，t(a)路面结构及电磁波传播路径 (b)实测路面电磁波波形图2 路面电磁波示意图()2221X t v d ∇−∇×=(公式1)d 为界面或缺陷位置的深度(m)，ν为介质的平均电磁波速度(m/ns)，t ∇为界面反射波双程旅行时(ns)，X ∇为发射天线与接收天线间距(m)ε′=Cv (公式2)C 为真空中电磁波传播速度，取值0.3m/ns ，ε′ 为介质的相对介电常数(见表1)表1 高速公路中常见介质的相对介电常数ε′与对应电磁波速度v 介质相对介电常数ε′速度v (m/ns) 空气 1 0.3 混凝土 6.4 0.12 土壤(含水20%) 10(4-40) 0.095(0.05-0.15)土壤(干) 4(3-5) 0.15(0.13-0.18) 沥青 3-5 0.13-0.18 水 810.0333 野外工作方法及技术参数的确定检测和研究的的路面总厚度60～70cm 左右，在开展大范围的检测前，笔者在一已知场地使用瑞典产RAMCA 地质雷达（配置500MHz 及1GHz 两种屏蔽天线）进行试验，以确定检测用的天线及采集参数等。

图3为1GHz 天线和500MHz 天线在同一测线进行的对比试验，从两个时间剖面图上的5ns 左右均可见面层与上基层界面的反射波同相轴，但1GHz 天线效果更好，且1GHz 天线时间剖面图上可清晰地分辨出基层与路基界面的反射波同相轴及测线上7米左右的路基缺陷，但在500MHz 天线时间剖面图上难以分辨出这些现象。

经过试验分析并结合工作要求，最后确定使用1GHz 屏蔽天线进行路面检测，采集参数为时窗23ns ，采样点数450，采样频率19817MHz ，1次叠加。

左右幅主行车道各布置一条测线，点距为0.05m(以测距轮进行控制)，天线距固定为0.1m 。

采集天线挂在汽车尾部(图4)，并以时速15Km/h 匀速行驶进行剖面法(即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式)检测。

(a)1GHz天线试验剖面 (b)500MHz天线试验剖面图3不同主频天线的地质雷达时间剖面图图4 数据采集现场图5 检测数据处理流程图4 数据处理在检测过程中，为了保留更多的有用电磁波信号，数据采集时一般为宽频采集，但是，在记录到各种有效波的同时，原始数据里面也记录到了随机的或规则的干扰波，为了能将各个界面及缺陷清晰准确地在雷达图像时间剖面上反映出来，就必须进行雷达数据的数字处理。

工作中采用下述流程图(图5)对采集的原始数据进行处理。

图6为地质雷达检测数据处理前后的时间剖面图。

图6-a为原始数据，时间剖面图上反映为记录频率较低，路面深部能量较弱，界面难以分辨清楚；图6-b为经数据处理后的时间剖面图，图中面层、基层及路基之间的界面反射波清晰、分辨率高，且路面病害的位置、深度均较明显。

5 资料解释地质雷达数据反映的是地下介质的电磁性质，仅仅一个时间剖面图的解释结果可以是多种多样的，故地质雷达资料解释工作必须结合路面的竣工文件、现场调查记录及钻孔取芯成果等进行。

(a)原始时间剖面图(b)处理后的时间剖面图图6 地质雷达数据处理前后时间剖面图首先，在处理后的地质雷达时间剖面图上拾取反射层位，结合竣工文件中的路面结构确定各个反射层位代表的界面；其次在有钻孔取芯处的时间剖面图上读取各个反射层位的电磁波双程走时，通过取芯成果中各个结构层的实际厚度与双程走时计算各个结构层的电磁波速度，并对部分已知点处的速度进行统计，确定工区的电磁波平均速度，计算各结构层或缺陷的厚度；最后结合现场记录、地质雷达正演成果及雷达记录分析确定缺陷性质及规模。

5.1 面层混凝土厚度解释表2为部分路面厚度解释结果，通过表2的对比可以看出地质雷达解释精度较高，其平均误差为2.2%，最大误差小于5%。

表2 地质雷达厚度检测成果表(厚度单位：cm)序号桩号幅别取芯厚度雷达检测厚度误差序号桩号幅别取芯厚度雷达检测厚度误差1 K84+470 右22.4 22.8 1.7%7K111+601左24.5 25.0 2.0%2 K85+405 右23.2 23.3 0.4%8K111+584左22.4 22.8 1.8%3 K86+370 右22.2 21.4 3.6%9K109+410左19.8 19.4 2.0%4 K87+782 右25.7 24.4 5.0%10K106+850左25.5 25.8 1.2%5 K89+010 右24.1 23.9 0.8%11K105+353左23.0 23.4 1.7%6 K90+120 右24.0 24.7 2.9%12K104+975左21.1 20.5 2.8%(注：表中厚度计算用电磁波平均速度取值为0.11m/ns)5.2 路面病害解释地质雷达时间剖面图上路面面层断板、空洞、面层与基层之间的脱空等路面病害反映较明显。

在时间剖面图上断板或路面裂缝的特征是从起始时刻至终点时刻的细长强反射波，空洞的特征是强弧形反射波，而如若面层与基层之间存在脱空或联接不紧则表现为面层与基层界面之间存在强反射波同相轴，在图6-b 中，水平位置690～691之间的强弧形反射波为钻孔取芯所遗留的空洞的反映，691～692之间可见2条自上至下的细长强反射波即为路面断板所致，而在686.5之后面层厚度逐渐变薄，且面层与基层界面的反射波同相轴能量相当强，解释为脱空(经现场调查发现该处有唧泥现象)，而在686.5之前经过高压注浆处理，面层与基层的界面呈模糊状。

6 结论与建议在地质雷达技术应用于路面的质量检测工作中，合理选择检测天线(本项目中使用1GHz屏蔽天线)及采集参数，进行计算机数据处理，能够快速、准确地检测出路面各结构层的厚度，对路面的病害如断板、脱空、唧泥等能准确地进行判断及预测，为高速公路进行维修保养及安全营运提供可靠的检测数据。

在对路面的几何形态检测取得较多成功的同时，我们也意识到地质雷达在路面的力学强度检测方面研究尚无进展，而力学强度指标却能更准确地反映路面的质量状况，故在以后的研究过程中，将开展地质雷达技术在路面压实度、强度等方面的检测研究。

参考文献：[1]《汉宜高速公路仙江段竣工图文件》. 湖北省交通规划设计院，1995[2] 李大心 . 探地雷达方法与应用 . 地质出版社，1994[3]《武汉(永安)至荆州高速公路K82+148～K122+000段路面检测报告》. 湖北省公路水运工程测试中心，2002[4] 罗登贵，黄正发 . 探地雷达技术在武黄高速公路路面改造工程中的应用 . 地壳形变与地震，2001.V ol.21增刊[5] 牛一雄，宛守成，等 . 地质雷达在公路建设中的应用 . 物探与化探，1996，V ol.20,No.2[6]《公路路基路面现场测试规程》. 人民交通出版社，1995The Application of Ground Pentrating Radar Technology in Han—YiHighway Road Surface InspectionHuang Zhengfa Liu YuShan Yang Yinhu Wang YunanHubei Communications Planning and Design InstituteAbstract : This paper introduces the principle of road surface inspection with ground pentrating radar technology,especially researchs these aspect such as antenna selection and parameter selection during data acquisition in field,data handling and record explanation indoors,and applies studying achievements to road surface inspection in Yi—Huang Highway,effect is well.Key Words : Ground Pentrating Radar;Road Surface Inspection;Record Explanation。