探地雷達在城市道路地下病害處理質量檢測中的應用核心思路分析

侯娜

1. 遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 遼寧 沈陽 110166；

2. 遼寧大通公路工程有限公司 遼寧 沈陽 110166

引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，城市道路建設和地下工程施工也在突飛猛進，取得了日新月異的變化。但是，其中的各種問題和隱患也隨之而來。地下病害會導致城市道路遭到破壞，可見如何檢測城市道路的地下病害，也就變得尤為重要起來。傳統(tǒng)的檢測是根據(jù)程序隨機鉆孔取樣，再講樣本拿到實驗室進行分析測試，從而獲得一些相關的參數(shù)。這種方法有利也有弊，好處是具有真實、直接的優(yōu)點，弊端則是具有明顯的片面性，并不能代表城市道路地下病害的整體情況。而且這種方法的工作效率很低，城市道路的破壞性也很大。而探地雷達技術的出現(xiàn)，使得工作效率和檢測精度大大提高，解決了傳統(tǒng)方法的諸多弊端。

1 城市道路地下病害的種類和危害

根據(jù)城市道路地下病害的控災、致災因素及其發(fā)展過程，可將其分為5類，分別為：路面脫空病害、地下空洞病害、路基疏松病害、富水異常病害、水囊病害。其中的疏松病害、富水異常病害和水囊病害，又分為輕微病害、中等病害和嚴重病害[1]。

1.1 路面脫空病害

路面的不連續(xù)就是我們通常所指的脫空，如不及時處理會引起斷角、斷板等病害，影響道路的使用壽命；半剛性基層瀝青路面的結構不連續(xù)病害，它是指由于路基不均勻沉降及路基土固結、溫度、濕度、荷載、材料等因素造成半剛性基層瀝青路面結構層的不連續(xù)接觸現(xiàn)象。在該種病害的位置可能出現(xiàn)道路承載力下降，如不及時處理會路面出現(xiàn)唧漿、龜裂等病害。白改黑的路面，因板體不穩(wěn)定也可能引發(fā)反射裂縫的發(fā)生。

1.2 地下空洞病害

除了城市道路的路面容易形成脫空之外，在城市道路的地層下面也容易形成地下空洞。這部分脫空的區(qū)域通常埋藏較深，影響也較大，具有一定的不確定性。地下空洞病害由于隱藏的較深，容易被人們忽略，從而也經(jīng)常會帶來一些突發(fā)事件。

1.3 路基疏松病害

路基疏松是由于道路在施工的過程中，由于不合理的挖掘和填埋，導致土壤密度不夠而造成的。如果在暴雨或連續(xù)陰雨天氣，容易造成路基疏松。當路基疏松達到一定程度時，載重量大的汽車駛過，便很容易造成路面的坍塌。路基疏松病害較為嚴重時，便會發(fā)展成為地下空洞病害。

1.4 富水異常病害

城市道路的地下經(jīng)常會埋有管線，這些管線往往會發(fā)生滲漏等情況。當滲漏達到一定程度時，路基的材料就會回填，進入到水中。這樣一來，就會導致路基疏松病害的產(chǎn)生，隨著時間的推移，也會變得越來越嚴重，最后形成地下空洞。

1.5 水囊病害

由于管線滲漏或是自然降雨，城市道路的地下某些區(qū)域會形成嚴重積水，從而形成水囊。水囊一旦泄露，就會造成地下空洞，導致道路坍塌。

由此可見，路基疏松病害、富水異常病害、水囊病害是城市道路地下病害的早期階段，危害性較小。但如果不能夠及時地發(fā)現(xiàn)并采取補救措施，就會引起地下空洞病害和路面脫空病害。

2 城市道路地下病害處理質量檢測的必要性

城市道路地下病害的危害性較大，能夠降低道路的使用壽命、損害道路的使用效果，還會對人們的生活和城市的形象造成一定影響[2]。俗話說，病向淺中醫(yī)，治理城市道路地下病害也是這個道理。如果能夠及時地發(fā)現(xiàn)一些地下病害的小問題，就會防止很多大事故的發(fā)生。而如果對于一些不嚴重的地下病害發(fā)現(xiàn)不及時，或者不夠重視，沒有采用及時補救措施，它們就會進一步惡化成嚴重的地下病害。由此可見，對于城市道路地下病害處理質量的檢測，還是十分必要的。通過有效的檢測方法，我們可以掌握城市道路地下病害的狀況動態(tài)，從而采取有效措施。由于我國目前的檢測條件有限、檢測經(jīng)費不足，無法對每個城市都進行全面的檢測。所以采用高效的檢測方法，就顯得更加必要了。

當城市道路出現(xiàn)以下情形，都有必要進行地下病害處理質量檢測：當城市道路路面發(fā)生嚴重變形時，應立即對其進行檢測；當城市道路路面發(fā)生嚴重坍塌事故時，應立即對其進行檢測；當城市道路地下管線發(fā)生嚴重變形時，應立即對其進行檢測；當成是道路地下管線發(fā)生嚴重斷裂時，應立即對其進行檢測。此外，對于不同的城市道路，還應制定出相應的合理檢測計劃[3]。城市的主干道、走車廣場、管線密集區(qū)域，以及埋藏在地下的曠日經(jīng)年的基礎設施區(qū)域，應該定期進行檢測；對于工程施工項目，應該在施工之前和竣工之后，分別進行檢測；城市舉辦重大活動，應在舉辦活動之前，對整個區(qū)域的道路、廣場、地下管線進行檢測；河道周邊區(qū)域以及排水管路，應該在汛期結束后進行檢測；對于有潛在風險和安全隱患的區(qū)域，應該擇機進行檢測。

3 探地雷達技術及其檢測原理

對于城市道路地下病害處理質量的檢測，有多種技術方法，可以根據(jù)工作性質、重要程度、病害類型、場地條件等因素來選擇具體操作方案。在眾多的檢測技術當中，探地雷達技術具有效率高、成本低、操作簡單、對路面無損害等特點，也被越來越多的檢測單位所采用。

3.1 探地雷達技術簡介

探地雷達技術是一種是利用天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測介質內部物質特性和分布規(guī)律的一種地球物理方法。探地雷達早期有多種叫法。如地面探測雷達、地下雷達、地質雷達、脈沖雷達、表面穿透雷達等，都是指面向地質勘探目標、利用高頻脈沖電磁探測地質目標內部結構的一種電磁波方法。由于探地雷達探測的高精度、高效率以及無損的特點，目前主要被用于考古、礦產(chǎn)勘查、災害地質調查、巖土工程勘察、工程質量檢測、建筑結構檢測以及軍事目標探測等眾多領域。探地雷達的工作頻率范圍介于1M～1GHz之間，在地下介質中的傳播以位移電流為主。雖然探地雷達和地震方法的物理機制和測量的物理量不一樣（電磁波和彈性波），但兩者的運動學特征一致，遵循形式相似的波動方程，只是其中參數(shù)的物理意義不同[4]。這種運動學特征的相似性使得探地雷達方法從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理（包括處理軟件）到數(shù)據(jù)解釋都可借鑒地震勘探的方法技術成果。近年來隨著電磁波理論研究的深入，一些電磁特性如極化特性等得到更深入的研究，雷達設備、采集技術和數(shù)據(jù)處理方法等方面得到開發(fā)和應用。

探地雷達在城市道路地下病害處理質量檢測中，主要是根據(jù)地下介質電性的差異，通過高頻電磁波進行檢測。由于地下的脫空、空洞、疏松、富水異常和水囊區(qū)域及其周圍地層有較強的電性區(qū)別，也就形成了電磁波的發(fā)射界面。當探地雷達發(fā)射的電磁波遇到這些界面，便形成了反射。地上的雷達即受到這些反射信號之后，將它們記錄下來，形成影像，再通過各項數(shù)據(jù)處理來提取有效的部分，最后得到有效的信息，來判定城市道路是否存在地下病害，以及地下病害的種類和嚴重程度。

3.2 探地雷達技術的檢測原理

探地雷達利用天線發(fā)射高頻短脈沖寬頻電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波，雷達圖形以脈沖反射波的形式被記錄，波形的正負峰值分別以黑白色、灰色或彩色表示，這樣同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下介質或目標體的反射面。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、振幅和頻率等信息，可推測地下介質的結構、構造與埋設物體深度。

3.3 探地雷達技術的缺點

探地雷達是通過天線向城市道路下面發(fā)送電磁波，這就決定了其具有一定的局限性。在探測的過程中，可能會受到地下介質的影響。因為電磁波在通過地下介質時，會遇到磁場，從而使其發(fā)生一定變化。可見探地雷達的檢測有效深度是有限的，大多數(shù)情況下不會超過十米的范圍。隨著科技的飛速發(fā)展，探地雷達技術也會日益發(fā)展和完善，相信終有一日會解決這一難題。

除此之外，探地雷達還容易受到各種各樣信號的干擾，比如手機信號、廣播信號、無線路由器信號等等。這些干擾信號在城市道路地下病害處理質量的檢測工作中，是常見的，也是無法避免的。一旦受到干擾，探地雷達檢測出的數(shù)據(jù)就會不準確，從而影響正常判斷[5]。隨著探地雷達技術的發(fā)展，人們也研究出了一些抗干擾的方法，常見的有方法有數(shù)字濾波、背景消除，類似這樣的信號干擾通常被稱之為噪聲，然而在實際工程檢測中，噪聲是不可避免的，這對探地雷達的電磁波信號有非常大的干擾，探地雷達的最終成像質量會被直接影響。為了改進這一問題，學者們研究了很多探地雷達數(shù)據(jù)處理的方法：數(shù)字濾波、背景消除、偏移處理、校正切除、小波變換，等等。

4 探地雷達在城市道路地下病害處理質量檢測中的應用

4.1 對地面裂縫的檢測

由于拉張、擠壓、錯動等原因，城市道路的地面會出現(xiàn)裂縫。這些裂縫的嚴重程度，用肉眼很難識別和分辨[6]。利用探地雷達檢測時，需要具體問題具體分析、不同情況不同處理，也要因地制宜，不可一概而論。根據(jù)產(chǎn)生地面裂縫的不同原因和不同特點，選擇合適的儀器進行檢測。

4.2 對結構層厚度的檢測

電磁波在通過結構層時，會產(chǎn)生一定的時間和速度。用時間和速度相乘，便可檢測出路面結構層的具體厚度。掌握了路面結構層的具體厚度，便可以判斷城市道路是符合要求的，還是存在問題的。若是存在問題，還可以大致推測出是哪種類型的地下病害。

4.3 對路面脫空病害和地下空洞病害的檢測

前文提到，城市道路在建成投入使用之后，隨著時間的推移，會出現(xiàn)路面脫空病害和地下空洞病害。對于路面脫空病害，如不及時處理會引起斷角、斷板等病害，影響道路的使用壽命。而地下空洞病害一旦嚴重的話，會出現(xiàn)道路塌陷的現(xiàn)象。利用探地雷達技術，可以對路面脫空病害和地下空洞病害進行有效的檢測。

5 結束語

城市道路地下病害的主要有路面脫空、地下空洞、路基疏松、富水異常、水囊?guī)追N，其中路面脫空病害和地下空洞病害較為嚴重，而路基疏松、富水異常、水囊等病害一旦嚴重，則會演變?yōu)榈叵驴斩?，導致路面的塌陷和事故的發(fā)生。城市道路地下病害處理質量檢測十分必要，可以掌握城市道路地下的情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然。探地雷達技術具有效率高、成本低、操作簡單、對路面無損害等特點，也在城市道路地下病害處理質量的檢測當中得到了廣泛的應用。然而探地雷達技術也存在著監(jiān)測深度有限、易受信號干擾等問題，這些問題都有待于解決。探地雷達技術在城市道路地下病害處理質量的檢測工作中，主要應用于對地面裂縫的檢測、對結構層厚度的檢測，以及對路面脫空病害和地下空洞病害的檢測。