鐵路路基檢測中探地雷達應用流程研究

曹原

摘要：傳統(tǒng)的路基檢測方法以挖探、釬探為主，既損壞線路，又只能提供少量信息，不能提供長段線路的詳細調(diào)查情況，且費時、費工，遠不能適應目前鐵路全面提速和未來高速運營的需要。近年來，地質(zhì)雷達（GPR，也稱探地雷達）技術被引入鐵路路基檢測和評估，顯現(xiàn)出了獨特功能和優(yōu)異特點，引起了廣泛興趣和關注。本文結合工程實踐詳細論述了探地雷達在工程中的應用流程和方法。

關鍵詞：鐵路；路基檢測；探地雷達；應用流程

引言

路基檢測是鐵路建設與管理中的關鍵性、基礎性技術，為工程設計、施工和養(yǎng)護提供可靠的依據(jù)，不僅對于控制工程質(zhì)量至關重要，而且決定著線路維修養(yǎng)護決策的科學性，并直接影響維修養(yǎng)護資金分配的合理性。

地質(zhì)雷達檢測具有無損、快速、準確等優(yōu)點，非常適用于道床、基床狀態(tài)調(diào)查和病害檢測。本文介紹了探地雷達的探測原理、參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理方法，在某鐵路標段軟基處理水泥樁進行檢測評價中的應用，取得了較好的效果。

1.探地雷達探測原理

探地雷達由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線（T）組成。通過發(fā)射天線電磁波以 60°～90°的波束角向地下發(fā)射高頻電磁波（106～109Hz），電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（R）接收，如圖1 所示，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端將兩種波顯示出來。

當?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)精確測得的走時t，由上式求得目標體的深度 z。式（1）中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的；v值可用寬角法直接測量，也可以根據(jù)近似計算公式來計算。

波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。圖 2 為波形記錄示意圖。圖中對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了相應的波形記錄。在波形記錄上，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面。

反射脈沖波形的明顯程度，是對探地雷達圖像進行地質(zhì)解釋的重要依據(jù)。它決定于發(fā)射脈沖波的能量，波在地質(zhì)界面上的反射特性以及波在地下介質(zhì)中行進時的衰減情況。反射特性決定于物性界面的波阻抗差異，以反射系數(shù)描述。

2.工程概況

某鐵路正線全長 74.1 km，該路段路基采用了水泥樁處理，水泥樁有正三角形和正方形兩類，現(xiàn)已完成路基路面鋪設。為了檢測該路段軟基處理水泥樁數(shù)目及樁距，評價路基處理質(zhì)量，采用探地雷達通過在地表布設測線進行連續(xù)的觀測。由于水泥樁和周圍軟基底有著明顯的電導率差異，會造成基底反射波形同相軸在橫向的連續(xù)性隨著樁基而展現(xiàn)出規(guī)律性的變化。對采集的數(shù)據(jù)進一步進行處理分析，因此可以探明地下樁基的分布情況。

3.數(shù)據(jù)采集

3.1 儀器參數(shù)

本次探測采用從瑞典 MALA- GEOSCINCE 公司引進的探地雷達系統(tǒng) RAMAC/GPR。根據(jù)參數(shù)選擇理論及項目實際情況，考慮探測深度和上覆層位的電導率特性，本次樁基探測主要采用儀器參數(shù)如下：天線 250 MHZ 屏蔽天線；采樣率0.4 ns；采樣點數(shù) 800 個；采樣長度 320 ns；重復采樣次數(shù) 128 次。

3.2測線布置

測線布設示意圖如圖 3 所示。為了更好的對地下水泥樁的位置進行控制和防止測線布設不合理造成的水泥樁數(shù)量誤差，在垂直路基方向（縱向）從一側邊坡到另一側邊坡布設 3 條測線，長度為實際路基縱向寬度，橫向則在縱向測線的中點布設 3 條垂直的測線，長度為 11.8 m，測點點距均為 0.1 m。

4.資料處理方法

為了對雷達圖像進行合理的地質(zhì)解釋，首先需要進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要是對雷達波形作處理，包括增強有效信息、抑制隨機噪聲、壓制非目標體的雜亂回波、提高圖像的信噪比和分辨率等。其目的是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，以盡可能高的分辨率在雷達圖像上顯示反射波，便于提取反射波的各種有用參數(shù)，以利于地質(zhì)解釋。常用的雷達數(shù)據(jù)處理手段有數(shù)字濾波、反濾波、偏移繞射處理和增強處理等。數(shù)字濾波利用電磁波的頻譜特征來壓制各種干擾波，如直達波和多次反射波等；反濾波則是將地下介質(zhì)理解為一系列的反射界面，由反射波特征求取各個界面的反射系數(shù)；偏移繞射處理，即反射波的層析成像技術，是將雷達記錄中的每個反射點偏移到其本來位置，從而真實反映地下介質(zhì)分布的情況；增強處理，有助于增強有效信號，盡可能清晰地反映地下介質(zhì)的分布情況。處理流程如圖 4 所示。

5.資料處理成果

經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，能夠清晰辨別水泥樁的位置，準確計算其數(shù)目和樁距。該測點橫向樁數(shù)為4，樁距依次為 3.4 m、3.2 m、3.1 m，平均樁距為 3.23 m；縱向樁數(shù)為 7，樁距依次為1.6 m、1.5 m、1.7 m、1.4 m、1.7 m、1.6 m，平均樁距為 15.8 m。

6.結論

路基檢測是鐵路和公路工程檢測技術新學科的重要部分，是一門快速發(fā)展的分支學科，它融檢測理論、儀器開發(fā)研制和測試操作技術及路基工程相關學科基礎知識于一體。路基檢測技術的發(fā)展，對保證工程質(zhì)量和我國檢測技術的發(fā)展都具有重要意義。

探地雷達技術由于對淺表層結構探測精度高，施工效應快，對探測目標體無損傷，廣泛應用于工程質(zhì)量檢測，本文利用探地雷達技術對鐵路標段軟基處理水泥樁進行了檢測，準確定位了樁位、樁數(shù)及樁距，為工程質(zhì)量評估提供了可靠的依據(jù)，取得很好的應用效果。

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