宋少昌 张军 栾吉娟 邢少和 李嘉璐

招远市政府投资工程建设服务中心 山东省交通规划设计院集团有限公司

摘 要： 通过对某机场跑道道面检测的工程实例，分析了地质雷达对于混凝土面板底部不密实、脱空、空洞等病害的识别能力与响应规律，探究了影响地质雷达探测能力与准确度的相关因素。

关键词： 地球物理;病害识别;地质雷达;跑道检测;响应规律;

作者简介： 宋少昌（1973—），男，山东招远人，高级工程师。;

引言

针对跑道病害无损检测常用重锤式弯沉仪法（HWD）、高密度电阻率法、浅层地震波地震映像法、瞬态面波法和地质雷达等方法[1,2]。重锤式弯沉仪法（HWD）需要中断交通时间较长，测试成本偏高；高密度电法对场地要求高，分辨率相对较低；浅层地震波地震映像法能识别浅层土洞和塌陷体[3]，但对目标深度的判定能力有限。瞬态面波法能够较准确地查清土洞及浅部岩溶，但易受外界环境干扰。地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR），是利用发射天线将频率介于106～109 Hz的电磁波以宽频带短脉冲的形式定向传入地下，接收天线接收反射波信号，基于介电常数差异来确定地下介质分布的一种地球物理方法。具有快速、连续、无损、成本低和效率高等特点，广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域[4]。

1 工程概况

1.1 机场建设基本信息

某国际机场位于华东地区，于1992年建成通航，飞行区等级为4E，可保障年旅客吞吐量1 200万人次，高峰小时4 500人次，飞机起降10万架次的需求。跑道长3 600 m，宽45 m，面板规格为4.5 m（宽）×5 m（长），材质为水泥混凝土，跑道结构参数见表1。

表1 跑道结构参数 *载下**原图

1.2 道面基本状况调查

跑道道面全线整体外观状况良好，无严重结构性病害，道面状况指数为优，道面等级值为78 R/B/W/T，满足使用要求。但局部混凝土面板存在板角剥落，接缝破碎和嵌缝料损坏等病害。

2 现场检测

2.1 检测方案设计

现场检测区域为跑道中部3 000 m×45 m，共计600×10块跑道面板。沿机场跑道纵向（由南向北方向）共布置9条测线，测线间距为4.5 m。根据调查结果，板底脱空等病害[5]因嵌缝料失效多发于板缝附近，因此测线布置在面板纵缝正上方，保证检测精度。

图1 地质雷达测线布置/m *载下**原图

2.2 现场检测

现场检测采用美国GSSI公司生产的SIR-4000单通道地质雷达，配备400 MHz中频屏蔽天线，探测有效深度可达2～3 m。在机场跑道进行介电常数标定后，采用车载拖曳天线连续测量的方式，沿测线以0.5 m/s的速度匀速进行检测。

3 数据解译与分析

采用RADAN7与Reflex W专业数据处理软件进行雷达数据联合解释，经过距离归一化、时间零点调整、增益调整、反褶积、水平背景去除、垂直滤波、希尔伯特变换等步骤，获得地质雷达精确的图像结果。

3.1 结构健康的跑道雷达图像分析

经过图像处理，发现地质雷达对跑道道面板底部脱空、基层下方脱空，基层不密实、基础空洞等病害均可清晰的辨别，且对跑道下方的预埋管线、地表的指示灯可有效响应。正常跑道的雷达剖面与波列见图2、图3，均匀介质中反射波波形连续，说明电磁波传播过程中波速稳定，相位、频率较为一致，不存在因局部异常导致的绕射和反射现象[6]；在雷达图像-0.41 m和-0.83 m深度存在清晰的水平界面，形成此界面原因是混凝土和碎石的相对介电常数和分别为4～11和3～6，两层之间存在电性差异，因此电磁波在由混凝土射入碎石时其路径、波形和能量在两介质的交界面上均发生变化，最后多条波的波形异常共同叠加呈像，在地质雷达剖面图像上呈现出同深度的水平分界线。

图2 跑道正常段雷达剖面/m *载下**原图

图3 跑道正常段雷达波列/m *载下**原图

3.2 跑道基层底部脱空病害判定与分析

基层底部脱空病害雷达剖面见图4。470～472#桩号区段的跑道在-0.8 m深度区域波形存在黑白交错的双曲线异常，推断稳定碎石层下方存在长度为2 m左右的带状脱空，且可能含水。探测原理为脱空处存在碎石基层、空气、土质基础的交界面，介电常数的明显差异导致电磁波传播过程中产生绕射和反射，造成图像中波形紊乱、同相轴不连续。而当脱空区域存水时，由于水的相对介电常数为80左右，远大于上层碎石和下层土壤，因此电磁波在垂直穿过此区域时产生相位反转，即为图4中的黑白相间的高亮区域，此特征可用于辨识脱空处的充填介质是空气还是水。

图4 基层底部脱空病害雷达剖面/m *载下**原图

3.3 跑道面板底部脱空病害判定与分析

面板底部脱空病害雷达剖面见图5,497～498#桩号区段的-0.4 m深度区域存在双曲线形态异常[7]，呈典型孤立相位特征，推断混凝土面板底部存在长度为1 m左右的带状脱空，根据相位特征初步判定脱空区域不含水。

图5 面板底部脱空病害雷达剖面/m *载下**原图

3.4 跑道基层不密实病害判定与分析

碎石基层不密实病害雷达剖面见图6,314～320#桩号区段在-0.6～-0.8 m深度区域显示波形紊乱、不规则，推断稳定碎石层存在不密实病害。碎石层因前期级配单一、压实度不够或后期的不均匀沉降等问题，导致电磁波在此地层传递时会出现因介质分布不均匀导致电磁波漫反射、相位紊乱和不连续，最终呈现多形态杂波。

图6 碎石基层不密实病害雷达剖面/m *载下**原图

3.5 跑道深部基础空洞病害判定与分析

深部基础空洞病害雷达剖面见图7,466～468#桩号区段在-2.0～-3.0 m深度区域出现较强反射，呈典型的孤立体相位特征，波形为双曲线形，推断此处存在直径为1 m左右的空洞。因为电磁波传播时会在空洞内部产生多次反射，反射系数较大，多次波发育，在空洞边界产生强反射特征，且其下部仍有强反射界面信号，两组信号存在时程差。孤立存在的空洞因其与周边均质体存在明显电性差异，通常电磁波波形呈现出强反射双曲线[8]，也是地质雷达探测地下溶洞和管道的优势所在。

图7 深部基础空洞病害雷达剖面/m *载下**原图

3.6 跑道面板内钢筋判定与分析

面板内部钢筋雷达剖面见图8,434～439#桩号区段在0～-0.42 m深度区域波形出现较强反射，波形呈有规律的连小月牙形连续强反射信号，月牙波幅较窄，单个月牙波形基本一致，呈现相同的较小异常水平排列的分布规律，推断为面板内钢筋反射出的波形信号。经现场验证，此处为混凝土面板损坏后更换加密配筋的新面板，新板长度为5 m，钢筋局部加密，因此呈现出与周围面板不同的反射波形。

图8 面板内部钢筋雷达剖面/m *载下**原图

4 结语

地质雷达基于电磁波在不同电性介质的传播规律差异进行地质病害辨识，经本次工程验证地质雷达对跑道不同病害具有良好分辨能力。当跑道基层下方脱空时，雷达剖面图中在对应深度的波形会出现黑白交错的双曲线形态异常，相位反转特征可作为脱空处是否含水的重要判别依据；当跑道基层不密实时，雷达剖面图中在对应深度的波形会出现电磁波漫反射、相位紊乱和不连续异常，不密实部位波形通常呈多样性，但与周边均匀介质波形差异明显；当跑道深部基础存在空洞时，雷达波形呈典型的孤立体相位特征，波形为双曲线形，信号时程差较大；当跑道面板内存在钢筋分布时，波形呈水平连排小月牙形连续强反射信号，月牙波幅较窄。

参考文献

[1] 张英杰,马士杰,闫翔鹏.三维探地雷达在道路病害探测中的应用[J].山东交通科技, 2015(5):80-82.

[2] 靳美倩.机场水泥混凝土道面典型病害分析及处治技术研究[D].西安:长安大学,2015.

[3] 吴治龙.基于深度图像的道面病害检测与测量方法研究[D].天津:中国民航大学,2020.

[4] 张宇辉,张献民.机场道面及其下部地基脱空的测试方法[J].交通运输工程学报,2016,16(6):1-11.

[5] 黄勇,袁捷,谭悦,等.机场水泥混凝土道面脱空判定及影响[J].同济大学学报（自然科学版）,2012,40(6):861-866.

[6] 朱洁,仝润北,于建洋,等.探地雷达在道路厚度和板底脱空检测中的应用研究[J].公路交通科技（应用技术版）,2020(9):148-151.

[7] 陈宇豪,吴瑾.机场混凝土道面板断板无损检测技术研究进展[J].江苏建筑,2021(1):81-85.

[8] 孙强.基于探地雷达的机场跑道检测信号处理技术研究[D].沈阳:沈阳航空航天大学,2014.

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