上海城建设计集团公路大修设计关键技术——非开挖病害识别技术

发布日期：2019-11-08 浏览量：2583

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司承担了上海市90%以上的高快速路的大修工程设计，并负责了G1501上海绕城高速公路同三段、G15嘉浏段的拓宽改建设计与研究，在高等级公路的改扩建及大修工程设计方面积累了丰富的工程实际经验，并在业内处于技术领先水平。

总结成功的工程经验，在此与大家漫谈交流相关的关键技术，本次交流内容为大修设计关键技术之一：非开挖病害识别技术。

准确检测路面病害是科学评价既有道路路面结构病害状况的基础。传统的破损调查如外观评定、贝克曼梁、FWD等方法存在检测速度慢、连续性差的缺点，而且难以识别基层底部脱空等隐性病害。基层脱空为基层底面的常见病害，基层与路基模量的差异导致基层脱空对路面性能的影响很大。探地雷达法（Ground Penetrating

Radar，GPR）通过观测分析高频电磁波反射信号特征来研究探测目标体的性质与规模，可以快速、有效地确定基层脱空的位置与充填（充气、充水、注浆）情况。

1. 探地雷达扫描基层脱空图像分析

常用的探地雷达图像有A扫描和B扫描。

A扫描（如图1）是指单次发射雷达波收到的单条回波，代表在道路上边移动边扫描过程中单个测点位置的反射波。基于空气、水等介电参数不同于道路材料的原理，脱空位置的雷达波波峰波谷将更加明显。

图1 探地雷达图像A扫描

B扫描（如图2）则是一条测线上各测点的回波信号的叠加，每条测线上每个时刻的信号电压幅值大小用颜色或灰度表示。由于介电常数的差异，充气脱空的反射“倒V形”颜色或灰度，而冲水或注浆脱空的反射特征恰好相反。

图2 探地雷达图像B扫描

2.不同脱空高度的图像特征

（1）充气脱空

雷达波在穿过充气脱空的过程中，先在基层-脱空界面上产生一个负的反射波，再在脱空-土基界面上产生一个正的反射波；脱空高度较大时，两个反射波保持一定间隔，脱空高度较小时，两个反射波重叠。

图3 A扫描图像

（充气脱空，800MHz天线）

（a）脱空高度0.3m

（b）脱空高度0.25m

(d) 脱空高度0.1m

当脱空高度为0.3m（图3(a)）时，两个子波不发生重叠，各自的波形不受对方影响，两子波中间有一段幅值近似等于零的范围。随着脱空高度的减小，两个子波之间近似等于零的范围的长度不断减小以至于消失（见图3(b)）。

当脱空高度为0.2m（图3(c)）时，子波联接，形成“山谷”，且该“山谷”的幅值随脱空高度减小而增大。

当脱空高度为0.1m（图3(d)）时，随着脱空高度的减小，“山谷”的幅值不断增加，最后变成一个波峰，且波峰唯一。

（2）充水脱空

不同于充气脱空，由于水具有导电性，电磁波在水中衰减迅速，雷达信号在水中只能传播很短的距离，导致充水脱空的脱空-土基界面反射非常微弱。因此，充水脱空的识别主要依靠基层-充水脱空界面的反射波。

当充水脱空高度大于0.04m时（图4(a)、(b)），脱空-土基界面反射难以被识别，当充水脱空高度小于0.04m时（图4(c)、(d)），识别到的反射波幅始终较弱。

图4 A扫描图像

（充水脱空，800MHz天线）

(a) 脱水高度0.3m

(b) 脱水高度0.1m

(c)脱水高度0.04m

(d)脱水高度0.02m

3.脱空识别及脱空高度计算方法

（1）最小二乘系统辨识

通过仿真系统模拟得到脱空高度为0.01~0.3m共30个扫描A图像，然后将实际路面的扫描图像分别与之进行误差平方和计算，与实测信号误差平方和最小的已知信号的脱空高度值就被认为是实测信号对应的脱空高度值。此即为最小二程系统辨识方法。

本文通过仿真信号加噪声信号的方式来模拟实际路面扫描图像，取脱空高度0.17m为代表，在相应的三个回波信号上添加信噪比为3的高斯白噪声（图5(a)），然后计算模拟的实测信号与已知的信号之间的误差平方和，找出误差平方和最小值从而估计脱空高度（图5(b)）。

图5 最小二乘系统辨识方法

（a）模拟实测A扫描

（b）各脱空高度道路信号与待测信号的差值平方和

2）解卷积

对于充气脱空，采用低频天线可以提高探测深度，但是脱空上下界面的反射子波容易重叠，使用解卷积的方法，可分离重叠的反射子波，处理结果如图6所示。解卷积前，高度小于0.2m的脱空的上下界面反射发生重叠；解卷积后，高度0.1m到0.2m之间的脱空的上下界面反射分离，能够从图像上估测脱空高度。但是，解卷积后的子波仍然有一定宽度，当脱空高度小于0.1m时，上下界面的反射还是会重叠。

图6 解卷积后的A扫描

（0.06m充气脱空，800MHz天线）

（a）0.2m