胶州湾大桥主线全长26.737km，主体结构包括沧口航道桥、红岛航道桥、大沽河航道桥、海上非通航孔桥、陆上引桥、红岛连接线、胶州连接线、李村河互通立交、红岛互通立交等。大桥为双向六车道高速公路兼城市快速路八车道，设计行车速度80～100km/h，桥梁宽度35m，设计基准期100年。于2011年6月30日建成通车。

胶州湾大桥作为我国北方冰冻海域的首座特大型桥梁集群工程，横跨胶州湾核心区域，天气条件复杂多变，具有温差大、冻融循环次数多、海水盐度高的特点，为国内目前跨海大桥海域含盐量最高的工程项目。胶州湾大桥的养护是一项开创性的工程，桥面铺装虽仅为桥梁工程的附属工程，但对行车舒适度有极大的影响，是养护工作效果的直接体现，钢桥面环氧沥青铺装的养护维修因其材料特点更是一项世界性难题，受到行业的广泛关注。

环氧沥青既不是环氧树脂，也不是沥青，而是一种通过精确组分和相态设计，经化学反应形成的多组分互穿网络三维立体结构热固性材料，兼具环氧树脂和沥青两种材料的优点，是一种具有高强度、高粘接力、高柔韧性的新型路面防水、铺装的复合材料。以环氧树脂作为沥青的改性剂而得到的环氧沥青也具有一定的热固性，沥青被束缚在交联网络中，从而在根本上改变沥青所固有的热塑性行为。一旦沥青中的环氧树脂与固化剂发生固化反应，就会形成一种不可逆的两相三维热固性复合物，这种两相热固性复合物是以交联的环氧树脂作为连续相，沥青作为分散相。

胶州湾大桥三座航道桥上部结构为钢箱梁，桥面铺装形式为：环氧富锌底漆+环氧改性沥青防水粘结层+2.5cm环氧沥青混合料+环氧改性沥青粘结层+2.5cm环氧沥青混合料,钢桥面铺装总面积约4.6万平方米，如图1。

图1 胶州湾大桥钢桥面铺装方案

截至目前，胶州湾大桥已经安全运营接近11年，总通行车辆超过1.2亿辆次，包括环氧沥青路面在内的桥面铺装保持了较好的状态。随着通车时间增长，通行车辆越来越多，尤其是重载交通逐年提升，桥面铺装也存在逐年劣化的趋势。根据近几年胶州湾大桥养护巡查和维修记录，钢桥面环氧沥青铺装病害逐渐显现，并逐年增多，主要病害类型为鼓包、开裂、脱层。现有的检测手段主要为表观检测，对初期病害和深层次病害检查缺少有效方法，为做好相关病害检测、成因分析和处置，一种快速、准确的无损检测方法是十分有必要的。本文结合胶州湾大桥的养护管理工作，在对现有检测手段和检测设备进行了广泛对比的基础上，提出了使用三维探地雷达进行钢桥面环氧沥青铺装层病害检测的方法，根据检测结果系统分析了钢桥面环氧沥青混合料铺装层鼓包病害产生的原因和检测方法。

环氧沥青铺装空隙率一般低于3%，处于密实状态，透水透气能力极差，环氧沥青混凝土内滞留水汽无法排出，是造成鼓包病害的重要原因。由于环氧沥青混合料的特性以及铺装的支撑刚度、温度状况和交通荷载等苛刻环境条件，钢桥面铺装鼓包病害若未得到及时有效的处理，将会快速扩展，造成裂缝、松散乃至脱空等严重病害，水的渗入将造成钢板生锈，从而影响桥梁及铺装整体使用寿命和长期服务性能。鼓包是形成于铺装体系与桥面板之间或铺装体系层间，竖向表现为铺装材料被顶起，平面近似呈现圆形的一种病害现象。鼓包病害的出现主要跟混合料的特性、水、气等因素有关，其病害机理分析如下：

图2 环氧沥青铺装层鼓包病害

1.施工期病害成因。①水分受热汽化的膨胀作用。环氧沥青铺装层底部水分在高温作用下汽化并不断膨胀，向上难以从密实的铺装层逃逸，向下更难以从桥面板逃逸，导致蒸汽压力增加，从而形成了鼓包病害。②干燥空气受热膨胀作用。界面之间即使不存在水分，高温的沥青混合料对密封进去的空气进行了加热，卷入的干燥空气受热膨胀也可导致鼓包病害产生。③气体泵吸作用。白天随着气温升高，鼓包内气体体积发生膨胀，铺装沥青类材料在高温下变软，作用在其上的压力使其发生变形产生鼓包，而晚上随着气温降低，鼓包内气体压力下降，低于外界气压，但铺装上层材料已经变硬，很难再恢复原来的形状，这样就在鼓包内部产生了局部真空，鼓包外的气体就会通过表面裂纹或空隙进入鼓包内部，晚上鼓包吸入的气体超过白天排出的气体，当温度升高后鼓包准备第二个发展周期，气体泵吸作用致使鼓包病害加剧。

2.运营期病害成因。运营期桥上车辆反复的荷载作用也是鼓包产生的一个重要原因。鼓包出现后，鼓包顶部在车辆荷载的作用下首先出现开裂，进而整个鼓包区域就会出现塌陷。由于已丧失层间粘结，塌陷后的鼓包区域就会形成坑槽。因此，鼓包病害如果处理不及时，就会引起龟裂、坑洞等病害。鼓包病害的形成可划分为3个阶段：初期鼓包阶段，主要表现为在高温天气时表面出现圆形的微小隆起现象；中期裂缝阶段，初期隆起后由于未得到及时处置，鼓包的顶端三角锉状裂纹在行车荷载的反复冲击作用下继续扩展；塌陷阶段，当鼓包底部的空气散失或水进入层间，在行车荷载产生的动压力作用下，铺装层和钢板之间产生拍打效应，从而导致钢板锈蚀，铺装层碎裂为坑槽。

环氧沥青铺装层的初期病害和深层次病害主要表现形式为脱空，开裂和塌陷都是病害发展到一定程度后的表观表现。目前，钢桥面铺装的脱空病害检测方法主要有：落锤式弯沉仪(FWD)、红外热成像方法和探地雷达(GPR)技术。

FWD由拖车（包括加载系统和位移传感器）与微机控制系统（包括控制及数据采集处理部分）组成。其工作原理是：在计算机控制下，把一定质量的重锤由液压传动装置提升至一定高度后自由落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而发现路面结构缺陷。

红外热成像技术能够直观并快速地检测物体内部的缺陷，利用整体温度差异来反映局部缺陷。使用红外热成像仪可以直观快速地检测出道路存在部分隐性病害的问题，及早做出预防性养护。相较于以往在道路工程中的其他检测方法，红外热成像技术有着直观、非接触、轻便、快捷等优势，目前主要应用于温度离析检测、路面脱空检测、透水率检测、公路监控等方面。

检测时，红外热像仪的物镜收集被测物体向外辐射的红外线能量，扫描器将能量汇集至红外探测器上，将其转化为电信号，再经过放大器和信号处理器输出反应物体表面温度场分布热像图的电子信号，最后在终端显示器上显示红外热像图。

红外热成像方法工序繁琐，受环境温度影响很大，检测条件苛刻，限制了其在道路检测方面的应用。

三维探地雷达主要由3部分构成，包括雷达主机、地面耦合天线、数据分析软件。雷达主机的核心是频率步进技术，可以完成高密度的数据采集，也具备深度探测能力和高分辨率，可以支持不同深度的探测作业；通过对分辨率及信号带宽进行优化处理，可以确保在高速探测的情况下保留图像细节。地面耦合天线的核心是天线阵列技术，可以提供范围在200～3000MHz的高频电磁波，适用性较强，地面偶合天线独特的宽频天线设计-蝴蝶结单极天线阵子，结合了不同的发射与接收天线，内部天线振子等间距分部（距离为7.5cm），如图3-5所示。并且其单次检测可以同时支持对20条测线进行扫描，覆盖范围较广，最终可以形成网格化数据与三维图像信息。数据分析软件主要是负责对接收的反射波信号进行转化处理，最终呈现出检测信息。三维探地雷达单次扫描可以同时获取行进方向水平与垂直断面信息、横断方向垂直断面信息，经过数据分析软件进行处理，可以转化为高精度的三维图像信息。

图3 三维探地雷达无损检测系统示意图

图4 雷达探头工作原理示意图

图5 探地雷达天线内部阵子排列图

探地雷达应用的基础是发射天线向外发射电磁波，每当电磁波遇到介电特性发生变化的界面后，一部分电磁波被反射，另一部分发生折射并继续传播，接收天线采集反射电磁波。部分信号被反射的基础是一种物质和另一种物质之间电磁特性的差异。

简单地说，雷达可以探测任何物质，只要它的磁或电响应不同于它周围的其他物质。这种差异主要来自材料的相对介电常数。经反射的电磁波传播到位于天线阵列中不同位置的接收天线处，再通过数据处理软件整合三个维度的反射信号。从信号的表现形式上，3D-Radar系统属于步进频率探地雷达（Step frequency GPR），一般的二维探地雷达属于时间域脉冲探地雷达。步进频率探地雷达是在频率域实现探地雷达的发射与接收，通过傅氏变换，得到被测量介质的电磁波时间域响应。步进频率技术的信号处理方式是将一段时间内的频带分成多个频率段，然后将这些频段发射和接收。

本次检测选取胶州湾大桥大沽河航道桥（桩号：K51+690-K52+300）左幅桥最右侧行车道作为检测目标，雷达检测前封闭该区域，首先采用人工巡检的方式进行路面病害调查，对发现的病害标记位置并粘贴铝箔胶带。

图6 道路封闭并完成初步病害调查

本次检测采用的三维雷达地面耦合天线一次可以覆盖1.5米宽的车道，多条测线即可对整条道路进行全覆盖检测，如图7所示。地耦雷达检测时，车辆的行驶速度为10～15km/h，相对于其他无损检测方法具有非常高的检测效率。对采集到的数据进行去噪、拼接等一系列处理，得到三维探地雷达检测图如图8所示。

图7 三维探地雷达现场无损检测图

图8 环氧沥青铺装层三维探地雷达检测图

三维探地雷达对金属胶带非常敏感，电磁波会在铝箔胶带上发生全反射，检测人员在雷达图像上发现鼓包位置的特征。图中绿色方框为金属胶带的雷达图像，而红色椭圆形内为铺装层鼓包所产生的雷达图像，从而验证了探地雷达在探测环氧沥青路面病害的有效性。

探地雷达主要是通过介电常数差异特性来探测道路结构内部情况，由于介电常数的差异，电磁波出现反射现象，在雷达图像上形成高亮图像。雷达数据解释先决条件是发现异常点，该过程实际就是在雷达图像上寻找不同点，包括相位变化、灰度高亮变化等。三维探地雷达在寻找异常点过程中，主要是通过纵断面图像与水平面图像进行，其中纵断面主要观察高亮异常与结构物特征图像，而水平面主要观察高亮异常图像。探地雷达图像解释是探地雷达探测的最终目的，但是单一依靠探地雷达图像是无法进行准确的异常点位判读，只有将探地雷达数据的异常信息与探测物介电特性相结合，才能有效判读异常信息。因此，在进行桥面环氧沥青铺装层探地雷达图像判读前，需要对环氧沥青铺装层结构情况、铺装层结构雷达图像特点与探地雷达性能特点形成一定的认识。探地雷达通过介电常数差异性进行环氧沥青铺装层内部的探测，不同铺装结构层其介电常数不同，或者由于其施工工艺形成界面介电常数变化。电磁波在不同介电常数的结构层内传播时，根据反射系数定理在层间形成同相轴界面。正常结构界面会出现连续的同相轴，当同相轴出现断开、消失等现象时，说明该结构层存在异常变化的现象。正常结构层内雷达图像应是匀质统一，当出现较多小范围波动反射现象时，说明该结构层内部可能存在脱空、松散或者含水率偏高的情况。

由图8分析可知，在已经发生鼓包和怀疑将要发生鼓包位置的雷达图像相位与周围区域明显不同。在目测沥青表面没有发生鼓包的位置，发现局部雷达图像与已经发生鼓包的雷达图像非常相似，检测人员对这些异常部位进行标记，并对这些位置进行挖探确认，检测结果跟现场确认结果一致，说明了三维探地雷达技术对钢桥面铺装初期病害和深层病害检测是可靠的，能够准确有效检测环氧沥青铺装的鼓包病害，检测方案也是合理的。

三维探地雷达技术具有高效、便捷、准确的特点，在高速公路、城市道路和机场道路中应用逐渐扩大。三维探地雷达能够高效准确得到沥青层厚度以及道路内部的裂缝病害、层间失效病害、脱空病害、松散病害等。在大量的工程项目应用中，验证了三维探地雷达探测道路内部结构物（包括病害）的可行性，且是其所有应用中比较准确有效的应用之一。

基于预防性养护需求的提升，未来对于路面早期病害尤其是深层次病害检测的需求会越来越高，三维探地雷达在路面病害的精确识别和探测将会有广阔的前景。