探地雷达在机场道面检测中的应用

摘要：为了快速查明机场道面整体厚度与道基中的隐患，为道面修复提供依据，保障机场道面日常运行安全，通过探地雷达在某机场联络道道面检测中的应用情况及成果分析，介绍了探地雷达基本原理、工作方法与数据处理步骤，探明了目的深度范围内的道面结构，以及道面垫层不密实等隐患，并标定了隐患的平面范围和深度位置，总结了道面脱空、裂缝等隐患的探地雷达图像特征。结果表明探地雷达与传统的钻孔检测法相比具有连续、无损、高效的优势，对检测道面厚度与结构隐患具有良好的应用效果。

关键词：探地雷达；机场道面；无损检测；介电常数；厚度；脱空

随着社会主义现代化的进程，民用航空运输发展迅速，配套机场建设也迅速发展。根据中共中央印发的《国家综合立体交通网规划纲要》，到2035年，国家民用运输机场达到合计400个左右。为保证飞机起降安全，机场道面要求具有一定的强度、平坦度、粗糙度和稳定性。但机场道面在建设和长期运行荷载和自然力的作用下,可能会出现飞机跑道不密实、脱空等隐性病害，造成安全隐患。为确保道面使用质量与安全，必须对道面灾害做出超前预报，准确的检测、识别和定位。目前，常用于道面检测的地球物理方法有探地雷达、瞬态面波法、高密度电阻率法、人工地震以及微动等方法，针对不同的地球物理条件和检测目的都有良好的应用效果。而探地雷达[1-4]作为目前精度较高的一种地球物理探测技术，具有探测速度快、采集数据量大、定位准确、操作灵活、可实现连续透视扫描以及二维彩色图像实时显示等独特的优点，广泛应用于交通、水利、考古等领域[5-7]。

本文结合某机场联络道道面隐患检测实例，介绍了探地雷达基本原理、工作方法与数据处理步骤，对道面以下1.5m内可能存在的地下空洞和路面脱空进行了探测，总结了探地雷达在机场道面检测中准确查清路基脱空、空洞、路基不密实等方面的应用。

1 基本原理与地球物理前提

1.1探地雷达基本原理

地质雷达通过发射天线将高频电磁波以脉冲形式定向地送入地下，电磁波的传播路径、波形及幅度（电磁场强度）会随着地下介质的电性参数和几何形状而发生变化，并在介质特性变化的界面上发生反射，返回地面由接收天线接收，通过对时域波形的采集、处理和分析，依据波的旅行时间（双程走时）、波形、强度、几何形态等参数，推断地下介质的分布情况，确定地下分界面或地质体的空间位置、结构及属性等信息（图1）。

图1探地雷达工作原理示意图

探测深度是探地雷达的重要性能指标，是指探地雷达所能探测到的目标体的最大深度，决定了探地雷达的应用范围和场合，根据深度的不同，通常将探地雷达的应用分为0.5m以内的浅层、0.5~5m的中层，以及深度5m以上的深层，分别对应中心频率大于1000MHz的高频天线、100~1000MHz的中频天线和小于100MHz的低频组合天线，在实际探测过程中，应根据探测目标体的形态和大小，以及目标体周围传播介质的电磁特性，选择天线主频，频率越高，探测深度越浅，探测精度越高，反之，频率越低，探测深度越深，探测精度越低。

天线中心频率与探测深度及精度的对应关系，可按下式计算，实际探测过程中在满足分辨率要求的前提下，尽量采用低频雷达，以增大纵向探测深度范围。

天线中心频率（MHz），x --分辨率（m），er--相对介电常数。

当相对介电常数不宜确定时，常用的探地雷达天线中心频率与探测深度之间的关系，以及应用场合，可参照表1选择：

表1  天线频率与探测深度

1.2地球物理条件

测区表浅层为第四系地层，由浅灰色、土黄色粘土层，粉土和细砂层组成，机场道面表层为沥青混凝土，下部为1~1.5m碎石层，碎石层下部为第四系地层。

本次探测相关介质的介电常数如表2所示，沥青介电常数为3~5，混凝土介电常数为4~11，湿砂土介电常数10~30，空气介电常数为1，不同介质之间介电常数差异明显，正常情况下，同一地层岩性基本一致，同一构筑层，材料及施工工艺基本相同。因此如果道面未受损，道面材料横向上是均匀的，探测获取的雷达剖面图像就应该是连续的，同相轴对应的是不同地层或构筑层的分界面，同相轴之间的距离对应相应地层或构筑层的厚度。当道面中存在不密实、脱空及空洞等隐患时，对应隐患因介电常数的变化，会在雷达剖面图上表现出较强的反射，同相轴不连续等特征，因此，测区具备较好的探地雷达探测的地球物理前提，在探测深度和精度范围内都可以达到较好的效果，根据雷达反射波的特征可以识别道面中存在的隐患。

表2 本次相关介质的介电常数

2 检测方式和注意事项

本次探测设备使用美国产SIR-4000型地质雷达，采用400MHZ收发一体式屏蔽天线，结合工作区实际物性条件，探测控制深度与纵向探测精度分别为3 .0m和0.11m，观测方式采用距离模式连续测量，测量轮自动标记50点/m，扫描数182/s、采样频率512MHz、记录长度50ns，为避免测量轮累计误差和方便异常定位，以手动方式每5m打一个标记，同时记录可能对检测产生电磁影响的物体及其位置，并标注在测线平面位置示意图上，方便室内资料处理、解译过程中准确区分有效异常与干扰异常，每条测线为一个记录文件。需要注意的是，在探测原始数据采集过程中，要尽量避开影响数据采集质量的干扰源，对可能引起探测雷达数据异常的干扰，做好现场记录，为数据处理解译过程中区分出探地雷达图中非隐患异常提供依据，减少资料解释的多解性，从而得出最合理的物探结论。

3数据处理及检测结果分析

3.1数据处理

发射天线发送的高频电磁波，在传播过程中，会受到地下各种介质不同程度的吸收和反射，以及外界的各种干扰，使得接收天线接收到雷达波后，振幅降低、波形杂乱，难以直接从图像中识别异常的形态，为突出目标体，需要通过地质雷达后处理软件对原始数据进行调零、背景清除，增益、滤波等处理，输出探地雷达剖面图像，剖面图横轴为距离，纵轴是根据场地介质平均速度换算出来的深度值，可显示为灰度图或彩色图，作为判读、解释和计算的基本图件，常规处理流程（图2）所示，实际工作中，资料处理流程与参数应根据每条测线原始数据的具体情况而定，如原始数据异常较为明显，要尽量减少对原始数据的各项处理操作，以完整保留雷达图像上的各种异常信息，同时在雷达数据采集时记录的干扰因素要在数据解释中予以排除，最大限度的减少物探资料解释的多解性，提高解译成果的可靠性与精度。

3.2 检测结果分析

外业采集的探测原始数据经处理后可以直观的看到道面各结构层面的横向展布与厚度情况，以及道面中存在的隐患空间位置、形态及其性质，在雷达剖面图上标定反射层的地质属性，分层进行层位追踪，标识异常或隐患位置，最后输出解释成果，导入制图软件生成平剖面成果图件。

图2 探测结果典型剖面图像

探地雷达剖面（图2）上存在两个明显的分界面，分别对应沥青混凝土底界和道面地基第四系，中间为水稳碎石层，可以看出沥青混凝土层底界反射连续、平稳，反射信号强，厚度在28~32cm之间，局部存在凹凸起伏，以及推断因分期施工造成的沥青混凝土层横向不连续，在雷达剖面上表现为沥青混凝土底界反射波错断，存在弧形绕射；水稳碎石层底界反射波连续，反射信号强，为异常解释提供了良好的资料基础，道面常见隐患在雷达剖面上的反映特征明显，从理论上分析，如果道面混凝土与基层间存在脱空区域，无论脱空区充填物质是水还是空气，都和周围物质存在相差较大的介电常数，雷达波从混凝土进出脱空区的反射系数增大，振幅增强，在界面附近出现强反射, 反射波组错断, 大的脱空甚至出现多组反射, 两端存在弧形绕射的特征；如果道面施工过程中，因压实度不够或其他原因引起的道面基础不密实，雷达波在这些部位会出现漫反射，表现为反射波振幅较强，相位紊乱，不连续的特征；当道面基础中存在一定规模的空洞，空洞中充填物质与周围存在明显的介电常数差值，雷达波在空洞内来回多次反射，在雷达剖面上表现出同相轴振幅强，多次波发育，波形呈弧形的特征；雷达波的形态对应地基分界面的性质，故而同相轴的波形不连续，高低突然变化，甚至明显错断就表征着构筑层的不均匀沉降，依据上述特征，对探测成果剖面进行细致解释，探测道面中未见明显的脱空与空洞异常，部分地段沥青混凝土层以下存在垫层不密实现象。

图3施工接缝处典型图像和图4钢筋特征典型图像

沥青混凝土底界反射波错段（图3），存在自上而下的弧形绕射，推断为分期施工造成的沥青混凝土层横向不连续，钢筋在雷达剖面图上表现为强振幅，开口向下的典型双曲线特征（图4）。

图5垫层不密实典型图像

Fig.7 The typical image of non dense cushion

沥青混凝土底界反射波层位连续，反射信号强，水稳碎石层底界反射波不连续，内部存在强弱变化较大的反射信号，推测为基层不密实（图5）。

4 结论

1.探地雷达检测机场道面结构层厚度与质量缺陷，具有快速、无损、连续、精度高的优势，可以在探测各构筑层厚度的同时，判别道面地基中存在空洞、脱空、不密实等病害，为制定科学合理的综合治理、加固等建设维修方案提供准确的依据；

2.对于探明1.8m浅范围内道面结构，选择主频400MHZ收发一体式屏蔽天线，有效探测深度和精度均满足探测任务要求；

3.为准确圈定空洞、道面脱空区，道面垫层不密实等隐患的平面范围和深度位置，需要依据规范逐步加密二维探测测线的测网，或采用多通道探地雷达，并定期对跑道进行检测。

参考文献：

[1]乔尔（美）.探地雷达理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2011

[2]李大心.探地雷达方法与应用[ M].北京:地质出版社,1994

[3]雷宛, 肖宏跃, 邓一谦.工程与环境物探教程[M].北京:地质出版社, 2006

[4]曾昭发,刘四新,冯晅,等.探地雷达原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2010

[5]徐坤,王志杰,周艺,等.基于地质雷达技术隧道安全性评价研究[J].地下空间与工程学报, 2013,9( 3) :691-695

[6]卢成明,秦臻,朱海龙.探地雷达检测公路结构层隐含裂缝实用方法研究[J].地球物理学报, 2007,50 ( 5) :1558-1567

[7]冯德山,戴前伟.高速公路路面厚度探地雷达检测[J].地球物理学进展,2008,23(1) :289-294.