双频探地雷达桥梁桩基位姿检测装置及方法与流程

本发明属于桥梁工程及新老桥改扩建工程，具体是一种双频天线探地雷达的桥梁桩基位姿检测装置及方法，适用于老桥改造中既有桩基的精准定位与空间姿态评估、桩基清障前的位姿探测以及新建桥梁桩基施工质量验收等领域。

背景技术：

1、在桥梁工程的新建、改扩建及老桥拆除重建项目中，既有桩基的精准定位与空间姿态探测是施工安全与质量控制的关键环节。 随着城市交通升级与老桥改造工程日益增多，大量既有桥梁桩基需要被精准探测定位，以确定其是否影响新建结构物的布置，或为桩基切割、拔除等清障作业提供依据。然而，受施工年代久远、原始竣工资料缺失或桩基施工过程中钻孔偏斜、混凝土浇筑鼓包等因素影响，大量既有桩基的实际空间位置与设计理论位置存在显著偏差，甚至相邻桩基之间也存在相互干扰，给老桥改造和新建结构的避让设计带来极大困难。

2、传统检测方法以人工开挖探坑、钻孔取芯验证、以及基于设计图纸的几何放样为主，存在以下显著缺陷：1）开挖探坑与钻孔取芯工作量大、成本高、周期长，且对既有结构造成二次损伤，尤其在城市密集施工区域，开挖受限严重；2）无法全面反映桩基在地下空间的完整三维形态，仅能获取有限的离散点信息，难以判断桩身的垂直度偏差方向和整体倾斜程度；3）对于埋深较大的桩基，常规方法几乎无法实施；4）现有探地雷达检测技术多用于隧道衬砌、路面结构层或浅表管线探测，无法实现以桩基理论中心为基准的多半径同心圆扫测路径规划，难以满足桥梁桩基空间位姿（三维坐标+垂直度）的探测需求。

3、因此，研发一种无损、快速、精准、无需大面积开挖、专门适配桥梁桩基空间位姿探测的雷达检测装置及方法，已成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种无损探测、多圈扫测、空间重建、精准定位的检测装置及方法，解决老桥改造中既有桩基位置不明、垂直度不清、原始资料缺失导致的设计冲突与施工安全风险，实现不破坏桩基与周边土体、不影响交通与环境、精准识别桩基空间三维姿态（三维坐标偏移量+垂直度偏差角度）的目标。该方法操作便捷、结构简单，在地面作业时能够无损探测，能快速、高效地完成桥梁桩基空间位姿探测工作，保证老桥改造设计与施工的质量与安全。区别于现有常规雷达检测技术，本发明的核心方法在于“多半径同心圆扫测+空间位姿反演”的处理模式。其通过不同半径的同心圆测线获取桩基在不同深度截面上的边缘轮廓信息，实现了从“二维剖面探测”到“三维空间位姿检测”的转换。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种双频探地雷达桥梁桩基位姿检测装置，包括：支撑单元、周向扫测单元、径向位移单元、探测模块、数据处理与显示模块，

4、所述支撑单元包括立柱与固定伸缩杆，所述立柱竖直固定于地面检测区域的中心位置，用于支撑整个检测装置，防止运行过程中发生位移；所述固定伸缩杆水平安装于检测装置与立柱之间，用于承载并定位周向扫测单元与径向位移单元；

5、所述周向扫测单元包括滑轨与旋转驱动，所述滑轨固定安装于固定伸缩杆上，由旋转驱动组件带动，绕立柱中心轴线进行精确角度的连续式旋转，以驱动探测单元沿预定周向测线对地下桩基进行全周向扫测；

6、所述探测模块包括雷达固定装置、雷达检测设备、测距轮及减震限位弹簧，所述雷达固定装置用于保护支撑并固定雷达检测设备，并保持其探测面垂直向下对准地面；所述测距轮安装于雷达固定装置后方，随雷达固定装置移动而滚动，用于实时标定雷达数据采集点的平面极坐标位置，确保检测数据与空间位置精准匹配；所述减震限位弹簧连接于位移伸缩杆末端与雷达固定装置之间；所述测距轮安装于雷达固定装置后方，随装置移动而滚动，用于实时标定雷达数据采集点的平面极坐标位置：半径+角度，确保检测数据与空间位置精准匹配；所述减震限位弹簧连接于位移伸缩杆末端与雷达固定装置之间；

7、所述数据处理与显示模块包括平板及内置算法；所述平板通过局域无线传输采集雷达检测数据及位置数据，内置双频数据算法与桩基空间位姿反演模型，实时生成雷达剖面、输出桩基三维空间形态、桩位偏差值与垂直度偏差角度。

8、进一步，所述减震限位弹簧包含弹性减震元件与纵向限位导轨，用于吸收地面不平整带来的振动，同时限定雷达天线在垂直方向上的微小浮动范围，确保天线与地面保持恒定间距。

9、进一步，所述雷达检测设备包含至少两种中心频率的天线，同时搭配低频天线与高频天线，低频天线用于深层桩体轮廓与桩底深度探测，高频天线用于浅层桩顶及近地表桩身缺陷精细识别，各天线同步发射与接收电磁波。

10、一种双频探地雷达桥梁桩基位姿检测方法，基于所述的双频探地雷达桥梁桩基位姿检测装置，具体步骤如下：

11、步骤一：现场踏勘与参数标定，在待测桩基正上方地面确定理论桩位中心点，收集桩基设计资料，包括设计桩径、设计桩长、理论桩位坐标、设计桩顶标高，在已知介电常数的标定区域进行系统标定，校正雷达波速与走时参数；

12、步骤二：同心圆测线规划与检测装置就位，以立柱中心为圆心，按预设半径序列：r1=0.10m、r2=0.20m、r3=0.30m……rn，覆盖桩基设计断面直径的1.5倍范围，规划多条同心圆测线；保证径向位移单元能将雷达探测单元调节至所需最大测线半径位置，并使雷达天线垂直对准地面；

13、步骤三：多圈雷达数据采集，启动周向扫测模块的旋转驱动组件，带动雷达探测单元沿当前半径的同心圆轨迹匀速运动，测距轮触发雷达等间距采样，采集该半径圆周上的全周向雷达剖面数据；单圈完成后，径向位移单元向外伸至下一预设半径，重复采集，直至完成全部预设同心圆测线的数据采集；采集过程中平板实时显示各测线的雷达剖面图与行走轨迹，操作人员监控数据质量；

14、步骤四：雷达数据预处理与桩基特征识别，数据处理与显示模块的平板内置算法接收全部测线的原始雷达数据后，执行以下分析：（1）进行噪声背景去除与增益补偿，消除环境电磁干扰及信号衰减影响（；2）双频数据融合处理，将低频与高频天线的数据进行联合分析，兼顾探测深度与浅层分辨率，识别不同深度的桩-土介电差异界面；（3）在各测线雷达剖面中自动拾取桩基边缘反射同相轴，标记各测点处桩基边缘特征点的深度与平面位置；

15、步骤五：桩基空间位姿反演与三维转换，将各同心圆测线上识别出的桩基边缘特征点，按其实际空间坐标：极坐标半径r、角度θ、深度z转换至三维坐标系：x， y， z；基于所有特征点云，采用最小二乘法拟合桩基三维空间形态，提取桩基中轴线方程；通过中轴线与理论铅垂线z轴的空间夹角计算垂直度偏差角度及偏差方向，通过中轴线与桩位设计中心线的水平偏移量计算桩位偏差：x向偏移、y向偏移、总偏移量；

16、步骤六：检测结果输出与判定，平板实时生成以下成果：桩基三维空间形态图、桩位偏差值：x向偏移、y向偏移、总偏移量、垂直度偏差角度及偏差方向、各深度截面形心坐标列表；将上述检测结果与设计规范限值：桩位允许偏差、垂直度允许偏差进行对比，自动输出偏差值和垂直度，为老桥改造设计与施工质量验收提供依据。

17、进一步，步骤一中，现场踏勘与参数标定具体包括：在平板中输入待测桩基的设计参数，在地面已知介电常数的标定点：裸露混凝土承台表面或已知深度的金属板埋设处进行快速标定，校正雷达波速参数。

18、进一步，步骤二中，同心圆测线规划上具体包括：在平板中设定雷达轨迹测线的半径序列：从0.1m起，以0.1m为步进，直至覆盖桩基设计直径的1.5倍，通过位移伸缩杆将雷达检测设备推送至最大雷达轨迹测线半径位置。

19、进一步，步骤三中，多圈雷达数据采集具体包括：在平板上点击“开始检测”，滑轨带动雷达检测设备沿当前轨迹测线半径匀速周向运动，测距轮触发雷达等间距采样，平板实时显示雷达剖面图，完成一整圈扫测后，位移伸缩杆自动或手动收缩至下一雷达轨迹测线半径，重复扫测，直至全部雷达轨迹测线完成。

20、进一步，步骤五中，桩基空间位姿反演与三维转换具体包括：全部测线完成后，平板内置算法自动执行双频数据处理，通过中轴线与桩位设计中心线的水平偏移量计算桩位偏差：x向偏移、y向偏移、总偏移量，操作员在平板上查看生成的实测拟合桩位的三维空间形态图、桩位偏差值、垂直度偏差角度及偏差方向。

21、本发明与现有技术相比，具有以下显著有益效果：

22、本发明不开挖、不破损、无损检测，专门适配桥梁桩基地面扫测工况，可与老桥改造前期勘察同步进行，大幅提升桩基探测效率与空间定位精度，保障改造设计与施工安全，为既有桩基评估与新建结构避让设计提供可靠数据支撑。

23、本发明装置结构简单、安装快捷、无损检测、不影响交通，稳定性强、精度高、适应性强，可广泛应用于老桥改造桩基清障前的既有桩基精准定位、新建桥梁桩基施工质量验收及桩基病害普查等场景。