地理信息系统在道路病害检测中的应用

104交通科技与管理工程技术
0　引言
随着经济的快速发展，交通运输需求日益增加，公路作为交通运输的重要载体，承担着重要的陆运任务。

据报道，截至2020年，中国公路总里程已经达到501.25万公里。

庞大的公路网络需要大量的日常养护工作以保证道路畅通。

传统的公路养护中，主要通过人工拍照进行巡查，对发生病害的道路段进行标注记录[1]，根据病害类型及损坏程度有计划的进行针对性修复。

人工巡查费时费力，难以对病害逐一精准定位，对于微小的病害容易忽视。

对隐伏病害难以及时发现，任由其发展，最后导致路面塌陷等严重事故。

随着地理信息系统的快速发展，使用地理信系统可以快速准确的定位道路病害，方便工作人员及时设计养护方案并安排后续养护工作。

本文通过对道路常见病害的分析以及处置方法的介绍，通过实际场景的应用，证明了本文设计的道路病害检测地理信息系统的有效性。

1　道路常见病害分析与处置
1.1　道路常见病害类型及原因
道路的常见病害主要分为显性和隐性病害两大类[3]，其中显性病害主要包括：不同程度的横、纵、斜向、交叉裂缝以及修补、龟裂、坑槽、松散老化、泛油、磨光和波浪拥包等[4-5]；隐性病害主要包括：脱空、内部裂缝、不均匀沉降、富含水、疏松等[4-7]。

路面出现裂缝、龟裂等显性病害的主要原因是长时间、高载荷甚至超载的各种车辆的高强度碾压导致沥青混凝土出现结构疲劳而开裂[5]。

另外，极端天气导致施工原料过度胀缩、建设或施工作业的不规范（路基压实度不足或不均匀等）也会导致路面病害的出现；对于泛油问题，主要由于前期施工中，粘层油、混合料等使用不合理，导致在高载荷碾压出现泛油或高温时出现沥青混合料路面迁移现象[6-9]。

对于隐性病害，其主要原因[6-8]为：地下水地质作用导致地下结构大面积脱空、疏松等；降雨或日常道路清洁中，地表水穿透裂缝，长期冲刷基层，同样会导致基层的损坏；另外，道路两旁的防排水设施如果受损，无法稳定发挥其作用，也会导致隐性病害的发生。

1.2　病害处置方法
对于轻微的显性病害不及时处置，会迅速加重病害程度，进而造成更大面积的路面损坏，比如道路裂缝处经过地表水冲刷和车辆碾压，会形成坑槽。

对于小于5 mm的裂缝，可以使用热沥青灌缝撒料法修复，对于大于5 mm的裂缝且有错台或者啃边现象，要进行开槽加铺玻璃隔栅然后在铺筑上面层。

对于坑槽要使用热辐射板加热后铺平热料并有效压实处置。

对于泛油问题，要进行碎石压入或者重新摊铺来解决。

对于脱空、疏松等病害，要视严重程度对脱空部位进行压浆并进行填充，使其能均匀支撑面层；对于沉降问题，要铣刨掉面层沥青混凝土，采用碎（砾）石，干砌或浆砌片石等重新回填密实，将土基和基层彻底根治后，再铺面层[6-10]。

2　道路隐性病害检测原理
基于探地雷达波特征的地下隐性病害的识别方法一般是根据正演规律推断某些病害特征的波形、振幅、相位与频率的变化等，然后根据现场探测得到的波来反演道路内部形态，辅以水平切片的直观形态来做出判断[11-12]。

典型病害探地雷达图谱如图1
所示。

图1　典型病害探地雷达图
脱空、疏松、空洞等涉及路面基层损坏的病害，反射波振幅强，衰减慢；其相位和频率主要表现为顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向，频率高于背景场；其波组形态上均表现有连续同向性反射波组，多次波发育，两次绕射波发育明显，在此基础上，近球形空洞的反射波会表现为倒悬双曲线，近方形表现为连续平板状双曲线；疏松反射波结构杂乱，波形同相轴不连续。

富水病害的振幅虽然也强，但是会迅速衰减；在相位上表现同基层损坏病害，但是频率却低于背景场；波组形态上两侧绕射波和底部反射波不明显，多次波不发育。

病害的严重程度一般根据反射电磁波的能量来判断，如表1所示，其中s表示波形面积，v表示反射波峰值。

表1　隐性病害严重程度判断标准
程度评判标准
轻
s＜10 m2或10 m2≤s≤12 m2且2倍背景场≤v≤3
倍背景场
中
10 m2≤s＜20 m2或9 m2≤s＜10 m2且反射能量较强
或20 m2≤s＜23㎡且3倍背景场≤v＜5倍背景场
重s≥20 m2或18 m2＜s≤20 m2且5倍背景场≤v
地理信息系统在道路病害检测中的应用
侯海涛1,谢　辉1,程棋锋2,吴晚霞2,刘　斐3,岳祺宇3,胡冬平3
（1.厦门市公路事业发展中心;2.合诚工程咨询集团股份有限公司,福建 厦门 361000;
3.上海圭目机器人有限公司,上海 200000）
摘　要：本文设计了一类用于道路病害检测的地理信息系统。

该系统可精准定位显性病害和隐性病害，通过对显性病害和隐性病害的融合分析，判断道路损坏的原因，根据不同道路损坏机理采取最优处置方法，降低养护成本，减少占道施工的区域及时间。

最后，在实际的道路病害检测中，使用该系统进行实地调查，证明了该系统的高可用性，以实地取芯验证了系统对隐性病害判断的准确性。

关键词：地理信息系统；显性病害；隐性病害
交通科技与管理
105
工程技术
3　道路检测地理信息系统功能和结构
根据上述道路常见病害的类型、成因以及处置方式可以看出，道路损坏也严重，处置成本越高，封闭道路时间越长。

因此，尽早发现轻微显性病害和隐性病害，采取合理的防治措施，降低大中修频次尤为关键。

因此，针对上述显性和隐性病害，道路检测地理信息系统功能和结构模块展开如下设计。

3.1　运动及定位系统
道路检测地理信息系统通过电池供电，可连续工作12 h ；为增强适应性和运动精确性，移动平台采用大扭矩伺服电机并配备高精度行星减速器，因此设计时速为0 km/h~20 km/h 并具有10°爬坡能力。

考虑实际应用，系统自动计划检测路线。

为保证定位精度，该系统使用惯导和RTK 定位融合技术，定位精度为厘米级，可输出病害高精度经纬坐标和道路里程，保证病害定位的精确性。

另外，为了保障本体安全性，设置有电子围栏、本体低压电压告警和自动避障等安全措施。

3.2　病害检测
为提高病害检测效率和准确度，本系统搭载了高清相机检测显性病害，搭载有基于三维探地雷达检测隐性病害，探测深度3 m，单幅检测宽度1.5 m。

系统工作时，对连续拍摄路面表观画面进行拼接，基于三维探地雷达电磁波的不断发射和接收，得到整个检测区域的雷达波谱，进而通过电磁波的正演信息获取病害图谱，根据图1和表1中对病害特征和严重程度的判断规则识别病害类型及损坏程度。

3.3　总体工作流程与后台
该型机器人的典型工作流程如图2所示，其中左侧为本
体操作流程，右侧为辅助设备操作流程。

图2　道路病害检测地理信息系统工作流程图
为了提高人机交互的自然度，系统后台页面不仅可以直观显示表观图像，还可以通过三维模型更加立体直观的展示病害情况，人机交互页面效果展示如图3
所示。

图3　后台三维效果图
4　实际应用
4.1　系统高可用性验证
本文通过在道路病害检测的实际应用来验证道路病害检测地理信息系统高效性和准确性。

以某个道路病害检测项目为例，以图2的流程进行实际检测作业（如图4所示）。

检测路段长5 km，宽7.5 m，检测时长2.5 h，检测效率1.5万平方米每小时。

检测出显性病害面积为2 921.592 m 2。

其中块状裂缝为6.610 m 2；横向裂缝为108.960 m 2；纵向裂缝为22.431 m 2；龟裂为2 704.513 m 2；修补为79.078 m 2。

显性病害主要为龟裂。

各显性病害的面积或长度、地理坐标、影响程度见表2。

依据地理坐标可精确寻找病害位置，便于精准养护。

共检出隐性面积153.822 m 2，主要病害类型为脱空。

检出裂缝总计面积0.498 m 2；检出疏松总面积24.626 m 2；检出空洞总面积1.949 m 2；检出沉陷总面积6.035 m 2；检出脱空总面积120.696 m 2。

隐性病害主要类型为脱空。

各隐性病害的面积、地理坐标、隐性程度见表3，依据地理坐标可精准
定位隐性病害的位置，为后期注浆提供强有力的数据支撑。

图4　某道路检测实景图
4.2　隐性病害检测准确性验证
隐性病害无法通过表观图像直接显示，一般通过局部取芯来验证隐性病害检测的精准程度。

在本项目中，以某处脱空混合疏松的病害为例，雷达数据（如图5（b）所示）显示在38 cm 深处存在明显脱空，其下方存在疏松，共有6 cm 深的严重隐性病害存在，具有极大的沉降风险。

因此，以38 cm 长度、44 cm 深度取出芯样进行验证，如图5（c）所示。

结果表明，系统对隐性病害类型及位置判断准确。

表2　检测区域道路显性病害详情（局部）
病害编号病害类型面积/m 2
长度/m 纬度/°经度/°病害强度2.4L-1横向裂缝/0.580 669
30.905 820 6 121.848 887 8 轻微2.1L-24龟裂0.908 272
/30.904 746 2 121.848 343 7 轻微2.3L-44纵向裂缝/ 1.05930.904 527 3 121.848 265 3 轻微2.2L-50块状裂缝 6.610 077/30.904 491 6 121.848 245 2 轻微2.11-332修补7.104 004/
30.896 405 1
121.844 367 9 /表
3　检测区域道路隐性病害详情（局部）病害名称病害类型纬度/°
经度/°
面积/m 2
深度/m 病害强度
病害层次S-T-13沉陷30.903 385 4 121.847 707 4 6.035 1.933/土基层V-T-26空洞30.900 327 3 121.846 205 7 0.756 1.192/土基层C-T-2裂缝30.904 887 2 121.848 439 3 0.049 1.034/土基层L-T-4疏松30.904 810 2 121.848 403 6 24.626 1.342一般土基层G-J-32
脱空
30.895 724 4 121.844 022 9
1.083
0.38
/
基层
图5　某路段隐性病害检测及实地验证过程
5　结束语
针对传统道路病害检测效率和准确性低的弊端，本文分析了常见的道路病害类型、成因以及处置方式，借助地理信息系统精准定位道路显性病害及隐性病害。

在此基础上，设计了一类道路病害检测地理信息系统，分别从运动及定位、病害检测和系统总体工作流程与后台三个方面进行了相应的设计和介绍。

最后，在实际检测场景中进行验证和应用，详细展示了检测结果，对隐性病害进行了取芯检测，从而证明了该系统在常见道路病害检测中可用、精确和高效。

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[9]方丽.基于沥青路面衰变规律的重庆高速公路预防性养
（下转第108页）
性原则，来探讨相应道路桥梁养护加固项目的标准化管理。

2.2.1　技术优先，质量保证原则
首先应用在道路桥梁养护加固项目管理标准化过程当中的第一原则是以技术为优先，进行质量保证。

在日常道路桥梁养护加固工程项目设计当中，对现有的道路老化、道路地面凹陷等情况进行整体性的检测和调查研究，在各项数据的支持下，从不同的方面入手来进行方案设计及施工组织。

施工过程当中应当注重技术的应用效果，在技术运用合理情况下研究质量如何得到保证，并果断优化，才是能够提升桥梁道路养护加固项目标准化的有效方式。

2.2.2　技术合理、经济适用原则
技术合理，经济适用的原则是存在于道路桥梁养护加固项目标准化管理当中的又一重要原则方向。

在具体的桥梁道路加工养护过程当中，应当以最简便、最合理的施工方案来进行项目的实施落地，以最经济、最适用和最合理的方式来进行项目的养护加固。

其次在进行道路桥梁养护加固项目管理标准化的运行过程当中应当在原有的道路桥梁基础上进行相应的质量提升与缺陷弥补，尽量减少对于原有的桥梁结构与道路层次的损伤。

通过标准化管理思路的运行与技术的加持来达到提升交通运行能力和经济效益双赢的目的，在保证完好的原有结构基础上进行养护加固，并避免施工过程中额外的资金与人才投入。

3　结语
桥梁道路工程的养护加固作为交通便捷性运行的重要补充方向，在其运行和研究的过程当中需要通过多个方面进行相应的分析探讨。

基于技术、经济、方案设计等方向的桥梁道路施加固养护项目标准化研究，在未来的探讨与发展当中还有很大的提升和进步的空间。

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（上接第109页）
成相应的保护架，适当增加钻头重量，减少其他因素的影响，以此来实现对于缩颈问题的防范和控制。

对于已经发生的缩颈问题，可以使用冲击钻来对颈部收缩部分进行冲击，依照设计施工要求来对桩体进行重新填充。

3.3　斜孔问题的控制
对于斜孔问题的控制，一是应该将钻机设置在平坦稳固的基础上进行作业，将卡孔和护筒控制在同一条直线上，减少操作失误；二是可以在钻机底部设置方木，减少钻机振动，确保其在作业过程中能够始终保持稳定；三是在施工前，需要深入了解施工区域的地层结构特征，避免盲目钻进，因为在钻机受力不均匀的情况下，会出现大幅度的摇摆现象，引发相应的孔斜问题；四是经常检查钻杆，对弯曲的钻杆要及时调整或废弃。

3.4　塌孔问题的控制
桥梁桩基础施工中，塌孔问题的控制需要结合实际情况，对不同程度的塌孔采取不同的控制手段。

具体来讲，一是应该结合塌孔深度，对护筒进行重新埋设，确保护筒周边的土层能得到有效夯实；二是借助钻机来检查保护壁，要求保护壁的厚度和承重能力可以达到相关施工标准的要求。

若塌孔程度轻微，可以使用粘土进行填充至塌孔位置，然后重新钻进，若塌孔程度严重，需要检查填充混合物的沉积情况，在保证沉积密实的情况下，才能继续施工。

4　结语
综上所述，桥梁桩基对桥梁稳定性和支撑性起到了非常大的作用，可以说桩基是支撑桥梁荷载的主要结构，其可以把所受到的荷载进行有效分散，从而保障桥梁的安全。

但是在桥梁桩基施工时，会因为施工的工艺比较复杂，外界的因素，导致在施工的过程中会遇到很多的困难。

因为桥梁桩基所起到的作用十分重要，施工人员必须要严格按照相关规定进行施工，及时解决施工时出现的问题，以此加强桥梁桩基的稳定性和承载力度。

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