公路信息化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

蔣國帥

(韶關(guān)市路興工程檢測服務(wù)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

0 引言

在公路運(yùn)營的過程中，施工工藝、荷載條件、環(huán)境變化和氣候條件等因素都會對公路的使用安全造成影響，誘使病害發(fā)生，而及時對病害進(jìn)行修復(fù)處理或采取補(bǔ)救措施可以最大限度地減少損失[1]。在這個背景下，公路工程的質(zhì)量檢測與養(yǎng)護(hù)的重要性愈發(fā)凸顯，而確保公路養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的關(guān)鍵就是如何確保病害檢測準(zhǔn)確有效。

在公路工程中通常路基表面的病害較為明顯，通過肉眼觀察即可發(fā)現(xiàn)，且往往能夠得到及時有效的處理；但在公路面層與基層交界處、公路基層以及公路隧道襯砌等復(fù)雜場景下的病害檢測往往難以發(fā)現(xiàn)，不能得到及時處理。傳統(tǒng)的檢測方式多為有損探測，即鉆孔取芯判定，雖然其精準(zhǔn)度高，但不能大范圍進(jìn)行，不能對所有病害進(jìn)行檢測，且在施工期間采用這種方法將會對施工的連貫性造成影響。因此，近年來許多專家學(xué)者對無損探測在公路工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究和探索。地質(zhì)雷達(dá)探測作為一種新的無損探測技術(shù)，在單一物質(zhì)檢測中已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛，近年來在公路工程中也有應(yīng)用的實(shí)例。以往公路工程的檢測過程中多采用人工鉆孔挖芯、抽樣測量，這樣不僅隨機(jī)性較大，不能代表整個公路的具體情況，而且檢測效率低下，不能滿足檢測需求。因此，本文擬基于地質(zhì)雷達(dá)的無損檢測技術(shù)，提出一種適用于公路多場景的信息化檢測系統(tǒng)，并就相關(guān)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行效果分析。

1 傳統(tǒng)檢測與無損檢測對比分析

傳統(tǒng)的公路工程進(jìn)行試驗(yàn)檢測時多在施工完成路段進(jìn)行隨機(jī)選點(diǎn)，并在所選點(diǎn)位置進(jìn)行鉆孔取芯后檢驗(yàn)相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)，這種檢測方式在試驗(yàn)點(diǎn)位置的測量結(jié)果精度高，但其隨機(jī)取點(diǎn)的方式導(dǎo)致檢測結(jié)果難以代表整體。此外，傳統(tǒng)的檢測方式對檢測人員的操作技術(shù)要求較高，需要進(jìn)行長時間培訓(xùn)。鉆孔取樣過程也會擾動破壞公路的路面結(jié)構(gòu)，影響施工連續(xù)性，嚴(yán)重時會影響工期。

基于傳統(tǒng)檢測方式存在的缺陷，專家學(xué)者們引入無損探測技術(shù)對公路工程進(jìn)行檢測應(yīng)用，無損探測當(dāng)前一般分為：(1)以探地雷達(dá)為代表的電磁波探測技術(shù)；(2)圖像識別技術(shù)。探地雷達(dá)作為一種無損探測方式，工作原理是通過貼近地表的發(fā)射端發(fā)射高頻次的電磁波信號至地層中，由于不同物質(zhì)的介電常數(shù)存在差異，電磁波在不同地層或物質(zhì)的交界處會產(chǎn)生不同的反射界面，接收端接收反射波，再根據(jù)顯示的界面上同相軸的連續(xù)程度、電磁波的雙程走時顯示的分界面深度，得到深度和距離的平面圖像，結(jié)合項(xiàng)目的地質(zhì)勘察資料和其他鉆孔數(shù)據(jù)去分析圖像，從而判斷病害類型、位置及大小。圖像識別技術(shù)則通過對公路外形進(jìn)行紅外波段、激光全息方式或高清攝像方式拍攝形成圖像，并利用計(jì)算機(jī)視覺處理方法對圖像進(jìn)行自動分析處理，通過圖像識別抓取路面輪廓，從而去判斷路面的病害，判定缺陷范圍。

相較于傳統(tǒng)檢測方式，無損檢測方式的優(yōu)勢有：(1)不會對公路結(jié)構(gòu)造成損傷，不影響連續(xù)施工作業(yè)，減少對施工的影響；(2)檢測速度快，通過檢測設(shè)備獲取材料參數(shù)，經(jīng)設(shè)備處理后即可快速找到病害位置；(3)可以對整個公路項(xiàng)目進(jìn)行檢測，結(jié)果與實(shí)際病害分布情況一致；(4)無損檢測對檢測人員專業(yè)水平要求不高，掌握檢測設(shè)備的操作方法即可。

2 公路信息化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 探地雷達(dá)的應(yīng)用

探地雷達(dá)最早的應(yīng)用是對冰層和鹽巖層的深度探測，經(jīng)過一百多年的探索和應(yīng)用，隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)，探地雷達(dá)在巖土工程、水環(huán)境調(diào)查、考古和工程檢測[2]等多個領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用。就公路工程而言，探地雷達(dá)在路面結(jié)構(gòu)層厚度、隧道襯砌厚度和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)溶洞探測等領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3]。

2.2 信息化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前在我國采用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測時，由于部分場地環(huán)境平整度不足或現(xiàn)場施工環(huán)境的限制，導(dǎo)致其應(yīng)用還是停留在人工抓舉天線進(jìn)行探測的情況，這樣的檢測方式不僅效率不高，而且存在安全隱患。本文就目前探地雷達(dá)在公路檢測中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建公路信息化檢測系統(tǒng)(如圖1所示)。該信息化檢測系統(tǒng)可適用于多種公路檢測場景，主要包括運(yùn)載系統(tǒng)、固定調(diào)控系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。

圖1 信息化檢測系統(tǒng)圖

運(yùn)載系統(tǒng)主要是定制的特殊車輛，起到承載固定調(diào)控系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)及信息化處理系統(tǒng)的作用。固定調(diào)控系統(tǒng)主要由雷達(dá)天線卡盒、彈簧微調(diào)裝置和扭轉(zhuǎn)裝置三部分組成，可以在存在凹凸部位的公路路面及隧道等場景下應(yīng)用，微調(diào)裝置能夠保證在移動過程中天線始終和檢測面緊緊貼合；扭轉(zhuǎn)裝置可使天線進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。液壓升降系統(tǒng)包括液壓千斤頂和升降桁架，起到調(diào)節(jié)檢測高度的作用，且升降便捷，空間利用率高。信息處理系統(tǒng)主要是連接雷達(dá)天線，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理分析。利用信息化檢測系統(tǒng)可在公路路面結(jié)構(gòu)層厚度檢測、隧道襯砌厚度檢測、路面下空洞檢測和隧道襯砌背后脫空等場景下進(jìn)行病害檢測，且檢測過程安全高效。

2.3 信息化檢測系統(tǒng)優(yōu)勢分析

本文設(shè)計(jì)的信息化檢測系統(tǒng)較傳統(tǒng)的人力抓舉雷達(dá)天線進(jìn)行測量的方式有以下優(yōu)勢：

(1)運(yùn)載系統(tǒng)時速最大可以到30 km/h，大大提高檢測效率。

(2)采用固定調(diào)控系統(tǒng)可以保證天線在凹凸面保持貼合，液壓升降系統(tǒng)可滿足高空測量需求，也可避免人員高空檢測作業(yè)的安全問題，安全性大大提高。

(3)信息化處理系統(tǒng)可實(shí)時對圖像進(jìn)行分析處理，病害檢測反饋高效。

3 信息化檢測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某高速公路路段修建完成后，業(yè)主單位在驗(yàn)收階段擬對該高速公路全線的山嶺隧道襯砌厚度及背后是否存在空洞等問題開展檢測工作，委托的第三方檢測單位采用本文設(shè)計(jì)的信息化檢測系統(tǒng)進(jìn)行該高速公路某隧道全線的檢測工作。檢測所采用的雷達(dá)型號為SIR-4000，選用900 m天線，有效探測深度為0.75～1.2 m，可滿足各種等級圍巖的隧道襯砌厚度檢測需要。

項(xiàng)目所檢測的隧道總長約為1 300 m，地勘報(bào)告顯示該隧道沿線的地質(zhì)分布為：三級圍巖段約為800 m，四級圍巖段約為200 m，五級圍巖段約為200 m，圍巖類型主要為中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖和白云巖。三級圍巖段開挖方式為全斷面開挖，對巖層進(jìn)行光面爆破；四級圍巖段采用臺階法開挖；五級圍巖段采用預(yù)留核心土開挖方式。

3.2 檢測過程

針對隧道的斷面情況，在該隧道設(shè)置五條測線，分別檢測拱頂、左右拱腰和左右邊墻位置。隧道各測線的分布如圖2所示。

圖2 隧道測線分布圖

在對隧道進(jìn)行檢測前，要對天線進(jìn)行介電常數(shù)的標(biāo)定工作，調(diào)試信息化檢測系統(tǒng)，確保系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，對邊墻進(jìn)行局部試檢驗(yàn)后再展開檢驗(yàn)工作。在進(jìn)行隧道檢測過程中，由于本次所檢測隧道尚未進(jìn)行底面找平，因此需要注意控制車速，防止天線脫空。同時，由于不同圍巖段的襯砌設(shè)計(jì)厚度不同，要注意在板縫交界處做標(biāo)記，便于圖像結(jié)果的分析處理[4]。

3.3 檢測結(jié)果分析

對隧道全線進(jìn)行襯砌厚度和襯砌背后空洞檢測工作后，對檢測的雷達(dá)圖像進(jìn)行分析處理。在相同等級的圍巖段范圍內(nèi)其隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相同，電磁波穿越的介質(zhì)材料和厚度大致相同。正常的圖像反映在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為同相軸連續(xù)、水平均勻，層面分布明顯，無較強(qiáng)烈的波動信號，五級圍巖段二襯設(shè)計(jì)配有鋼筋。正常斷面雷達(dá)圖像如圖3所示。

在空洞所處斷面，各層面厚度出現(xiàn)差異，且存在空腔區(qū)，電磁波穿越空洞斷面時，介質(zhì)穿越順序?yàn)榛炷?空氣-混凝土，由于空氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于混凝土的介電常數(shù)，反映在雷達(dá)圖像上常表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)、不均勻，局部同相軸起伏強(qiáng)烈，或呈現(xiàn)出明顯的白-黑-白斜三角形圖像分布。襯砌背后空洞典型圖像如后頁圖4所示。

圖4 典型空洞斷面示例圖

不密實(shí)斷面各層面的介質(zhì)分布不均勻，局部含水量變化過大或者施工工藝存在問題都可能導(dǎo)致不密實(shí)情況出現(xiàn)，反映在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)、水平不均勻，多種反射波形出現(xiàn)，波形雜亂強(qiáng)烈，同相軸較少。襯砌不密實(shí)典型圖像如圖5所示。

圖5 典型不密實(shí)斷面示例圖

根據(jù)雷達(dá)探測圖像分析確定各種病害大小及所在樁號，對病害位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用信息化檢測系統(tǒng)得到的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際鉆孔驗(yàn)證的結(jié)果一致。

4 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)檢測方式與無損檢測方式進(jìn)行對比分析，基于探地雷達(dá)無損探測技術(shù)提出了效率更高、精度更好的信息化檢測系統(tǒng)，解釋了信息化檢測系統(tǒng)中各部分的作用與聯(lián)系，以工程實(shí)例應(yīng)用結(jié)果對信息化檢測系統(tǒng)進(jìn)行了印證，并給出了典型病害的判斷方法，可以為公路工程的檢測項(xiàng)目提供指導(dǎo)，具有積極意義。