公路信息化检测系统设计及应用分析

蒋国帅

(韶关市路兴工程检测服务有限公司，广东 韶关 512000)

在公路运营的过程中，施工工艺、荷载条件、环境变化和气候条件等因素都会对公路的使用安全造成影响，诱使病害发生，而及时对病害进行修复处理或采取补救措施可以最大限度地减少损失[1]。在这个背景下，公路工程的质量检测与养护的重要性愈发凸显，而确保公路养护质量的关键就是如何确保病害检测准确有效。

在公路工程中通常路基表面的病害较为明显，通过肉眼观察即可发现，且往往能够得到及时有效的处理；
但在公路面层与基层交界处、公路基层以及公路隧道衬砌等复杂场景下的病害检测往往难以发现，不能得到及时处理。传统的检测方式多为有损探测，即钻孔取芯判定，虽然其精准度高，但不能大范围进行，不能对所有病害进行检测，且在施工期间采用这种方法将会对施工的连贯性造成影响。因此，近年来许多专家学者对无损探测在公路工程中的应用进行了研究和探索。地质雷达探测作为一种新的无损探测技术，在单一物质检测中已经应用非常广泛，近年来在公路工程中也有应用的实例。以往公路工程的检测过程中多采用人工钻孔挖芯、抽样测量，这样不仅随机性较大，不能代表整个公路的具体情况，而且检测效率低下，不能满足检测需求。因此，本文拟基于地质雷达的无损检测技术，提出一种适用于公路多场景的信息化检测系统，并就相关应用实例进行效果分析。

传统的公路工程进行试验检测时多在施工完成路段进行随机选点，并在所选点位置进行钻孔取芯后检验相关的参数指标，这种检测方式在试验点位置的测量结果精度高，但其随机取点的方式导致检测结果难以代表整体。此外，传统的检测方式对检测人员的操作技术要求较高，需要进行长时间培训。钻孔取样过程也会扰动破坏公路的路面结构，影响施工连续性，严重时会影响工期。

基于传统检测方式存在的缺陷，专家学者们引入无损探测技术对公路工程进行检测应用，无损探测当前一般分为：(1)以探地雷达为代表的电磁波探测技术；
(2)图像识别技术。探地雷达作为一种无损探测方式，工作原理是通过贴近地表的发射端发射高频次的电磁波信号至地层中，由于不同物质的介电常数存在差异，电磁波在不同地层或物质的交界处会产生不同的反射界面，接收端接收反射波，再根据显示的界面上同相轴的连续程度、电磁波的双程走时显示的分界面深度，得到深度和距离的平面图像，结合项目的地质勘察资料和其他钻孔数据去分析图像，从而判断病害类型、位置及大小。图像识别技术则通过对公路外形进行红外波段、激光全息方式或高清摄像方式拍摄形成图像，并利用计算机视觉处理方法对图像进行自动分析处理，通过图像识别抓取路面轮廓，从而去判断路面的病害，判定缺陷范围。

相较于传统检测方式，无损检测方式的优势有：(1)不会对公路结构造成损伤，不影响连续施工作业，减少对施工的影响；
(2)检测速度快，通过检测设备获取材料参数，经设备处理后即可快速找到病害位置；
(3)可以对整个公路项目进行检测，结果与实际病害分布情况一致；
(4)无损检测对检测人员专业水平要求不高，掌握检测设备的操作方法即可。

2.1 探地雷达的应用

探地雷达最早的应用是对冰层和盐岩层的深度探测，经过一百多年的探索和应用，随着数据处理技术的优化和改进，探地雷达在岩土工程、水环境调查、考古和工程检测[2]等多个领域都发挥了很大的作用。就公路工程而言，探地雷达在路面结构层厚度、隧道衬砌厚度和超前地质预报溶洞探测等领域都已经得到了广泛应用[3]。

2.2 信息化检测系统设计

目前在我国采用探地雷达进行检测时，由于部分场地环境平整度不足或现场施工环境的限制，导致其应用还是停留在人工抓举天线进行探测的情况，这样的检测方式不仅效率不高，而且存在安全隐患。本文就目前探地雷达在公路检测中存在的不足进行改进，构建公路信息化检测系统(如图1所示)。该信息化检测系统可适用于多种公路检测场景，主要包括运载系统、固定调控系统、液压升降系统和信息处理系统。

图1 信息化检测系统图

运载系统主要是定制的特殊车辆，起到承载固定调控系统、液压升降系统及信息化处理系统的作用。固定调控系统主要由雷达天线卡盒、弹簧微调装置和扭转装置三部分组成，可以在存在凹凸部位的公路路面及隧道等场景下应用，微调装置能够保证在移动过程中天线始终和检测面紧紧贴合；
扭转装置可使天线进行360°旋转。液压升降系统包括液压千斤顶和升降桁架，起到调节检测高度的作用，且升降便捷，空间利用率高。信息处理系统主要是连接雷达天线，对检测数据进行实时处理分析。利用信息化检测系统可在公路路面结构层厚度检测、隧道衬砌厚度检测、路面下空洞检测和隧道衬砌背后脱空等场景下进行病害检测，且检测过程安全高效。

2.3 信息化检测系统优势分析

本文设计的信息化检测系统较传统的人力抓举雷达天线进行测量的方式有以下优势：

(1)运载系统时速最大可以到30 km/h，大大提高检测效率。

(2)采用固定调控系统可以保证天线在凹凸面保持贴合，液压升降系统可满足高空测量需求，也可避免人员高空检测作业的安全问题，安全性大大提高。

(3)信息化处理系统可实时对图像进行分析处理，病害检测反馈高效。

3.1 项目概况

某高速公路路段修建完成后，业主单位在验收阶段拟对该高速公路全线的山岭隧道衬砌厚度及背后是否存在空洞等问题开展检测工作，委托的第三方检测单位采用本文设计的信息化检测系统进行该高速公路某隧道全线的检测工作。检测所采用的雷达型号为SIR-4000，选用900 m天线，有效探测深度为0.75～1.2 m，可满足各种等级围岩的隧道衬砌厚度检测需要。

项目所检测的隧道总长约为1 300 m，地勘报告显示该隧道沿线的地质分布为：三级围岩段约为800 m，四级围岩段约为200 m，五级围岩段约为200 m，围岩类型主要为中风化和强风化的花岗岩和白云岩。三级围岩段开挖方式为全断面开挖，对岩层进行光面爆破；
四级围岩段采用台阶法开挖；
五级围岩段采用预留核心土开挖方式。

3.2 检测过程

针对隧道的断面情况，在该隧道设置五条测线，分别检测拱顶、左右拱腰和左右边墙位置。隧道各测线的分布如图2所示。

图2 隧道测线分布图

在对隧道进行检测前，要对天线进行介电常数的标定工作，调试信息化检测系统，确保系统运转稳定，对边墙进行局部试检验后再展开检验工作。在进行隧道检测过程中，由于本次所检测隧道尚未进行底面找平，因此需要注意控制车速，防止天线脱空。同时，由于不同围岩段的衬砌设计厚度不同，要注意在板缝交界处做标记，便于图像结果的分析处理[4]。

3.3 检测结果分析

对隧道全线进行衬砌厚度和衬砌背后空洞检测工作后，对检测的雷达图像进行分析处理。在相同等级的围岩段范围内其隧道衬砌结构的设计相同，电磁波穿越的介质材料和厚度大致相同。正常的图像反映在雷达图像上表现为同相轴连续、水平均匀，层面分布明显，无较强烈的波动信号，五级围岩段二衬设计配有钢筋。正常断面雷达图像如图3所示。

在空洞所处断面，各层面厚度出现差异，且存在空腔区，电磁波穿越空洞断面时，介质穿越顺序为混凝土-空气-混凝土，由于空气的介电常数远大于混凝土的介电常数，反映在雷达图像上常表现为同相轴不连续、不均匀，局部同相轴起伏强烈，或呈现出明显的白-黑-白斜三角形图像分布。衬砌背后空洞典型图像如后页图4所示。

图4 典型空洞断面示例图

不密实断面各层面的介质分布不均匀，局部含水量变化过大或者施工工艺存在问题都可能导致不密实情况出现，反映在雷达图像上表现为同相轴不连续、水平不均匀，多种反射波形出现，波形杂乱强烈，同相轴较少。衬砌不密实典型图像如图5所示。

图5 典型不密实断面示例图

根据雷达探测图像分析确定各种病害大小及所在桩号，对病害位置进行钻孔验证。结果表明，采用信息化检测系统得到的结果与现场实际钻孔验证的结果一致。

通过对传统检测方式与无损检测方式进行对比分析，基于探地雷达无损探测技术提出了效率更高、精度更好的信息化检测系统，解释了信息化检测系统中各部分的作用与联系，以工程实例应用结果对信息化检测系统进行了印证，并给出了典型病害的判断方法，可以为公路工程的检测项目提供指导，具有积极意义。

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