碎石道床狀態(tài)雷達測試適宜參數(shù)研究

王石磊，彭湛，齊法琳，馬駿，陳浩

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京工務(wù)段，北京 100007；3.中國鐵路上海局集團有限公司 工電檢測所，上海 200071）

0 引言

碎石道床是有砟軌道結(jié)構(gòu)的基本組成部分，隨著服役時間增加，道床漸失彈性和排水功能，需要開展頻繁維修工作，直至清篩大修［1］。道床臟污狀態(tài)是清篩策略決策的重要依據(jù)，傳統(tǒng)道床臟污率主要通過現(xiàn)場挖驗取樣進行質(zhì)量篩分確定，該方式天窗用時長、效率低，難以普遍開展［2-4］。因具有快速、無損優(yōu)勢，近10年來國外圍繞碎石道床雷達檢測及量化評價技術(shù)進行了大量實踐。國外針對碎石道床狀態(tài)快速檢測主要采用高頻雷達技術(shù)［5-7］，當前我國對此研究及應(yīng)用仍較少，因此有必要對該技術(shù)可行性及雷達測試適宜參數(shù)進行研究。

采用高頻雷達采集了實際線路碎石道床數(shù)據(jù)，分析碎石道床雷達電磁信號特征及道床介電特性，驗證雷達測試參數(shù)的有效性，為后續(xù)該技術(shù)深化研究奠定了基礎(chǔ)。

1 技術(shù)原理

地質(zhì)雷達技術(shù)是指通過發(fā)射天線向被測對象內(nèi)部發(fā)射電磁波，當遇到介電特性存在差異的界層或區(qū)域時，電磁波會發(fā)生反射，接收天線記錄回程波時間和振幅，形成單道波形，沿線路方向按指定間隔進行采樣即可形成由多道波形組成的二維雷達圖像。通過對單道波信號及二維雷達圖像分析，可獲取被測對象特定的物理參數(shù)（如道砟厚度等）。地質(zhì)雷達電磁波在碎石道床中傳播路徑示意見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達電磁波在碎石道床中傳播路徑示意圖

采用高頻雷達測試碎石道床時，電磁波除在介電特性存在差異的界層或區(qū)域發(fā)生反射外，當電磁波波長與碎石顆粒間間隙尺寸相近時會發(fā)生散射現(xiàn)象。基于散射現(xiàn)象存在與否或明顯程度，可表征道床碎石顆粒間孔隙狀況，進而為間接識別道床臟污、板結(jié)、翻漿冒泥及其誘發(fā)的排水不良等線路修理問題提供解決方案。碎石道床內(nèi)高頻雷達電磁波典型散射特征見圖2。

圖2 碎石道床內(nèi)高頻雷達電磁波典型散射特征

2 模型試驗

2.1 30 m足尺碎石道床模型

基于30 m路基病害模擬槽構(gòu)建足尺碎石道床模型，道床底寬5 m，采用混凝土Ⅲ型軌枕、60型鋼軌，采用Ⅰ級碎石道砟，碎石道床模型斷面見圖3。

圖3 碎石道床模型斷面

模型沿長度分為Ⅰ～Ⅳ區(qū)段，各區(qū)段長為7.5 m。區(qū)段Ⅰ、Ⅱ為全斷面臟污；區(qū)段Ⅲ分層臟污，臟污厚度為底部17 cm；區(qū)段Ⅳ為潔凈道砟；道床底部沿線路縱向預(yù)埋4塊長3.8 m、寬20 cm、厚10 mm的鋼板。道床縱斷面見圖4。

圖4 碎石道床模型縱斷面

區(qū)段Ⅰ臟污組分采用粒徑小于5.0 mm的細顆粒煤，區(qū)段Ⅱ、Ⅲ臟污組分采用粒徑小于7.1 mm的級配碎石材料模擬。碎石道床模型構(gòu)筑狀況見圖5。在模型構(gòu)筑前后采用水準儀分別測量了10處道床底部及軌頂標高，推算枕底道床厚度見表1。

圖5 碎石道床模型構(gòu)筑狀況

表1 典型位置模型枕底道床厚度推算值 cm

2.2 既有鐵路線測試

某測試鐵路線為Ⅰ級普速鐵路，試驗區(qū)間長3000m，包含隧道2座，簡支預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋2座，測試線路以貨物運輸為主，貨物類型主要為煤炭。隧道段于2019年進行了人工清篩，路基及橋梁區(qū)段15年內(nèi)未清篩，未清篩區(qū)段道心及枕端存在翻漿冒泥，道砟孔隙內(nèi)存在細顆粒煤集聚現(xiàn)象。測試區(qū)段布局及典型道砟表面狀況見圖6。

圖6 既有線測試區(qū)段布局

2.3 測試系統(tǒng)及參數(shù)

采用GSSI公司生產(chǎn)的2 GHz中心頻率空氣耦合型天線及配套主機作為雷達數(shù)據(jù)采集單元，采集單元搭載于人工助力推行的同軸轉(zhuǎn)動絕緣輪金屬框架小車上，測試系統(tǒng)組成見圖7。為模擬道床運營檢測需求天線位于線路車輛限界內(nèi)，橫向布置3部天線，其中枕端天線極化方向與線路方向一致，道心天線極化方向垂直于線路，天線底面距軌頂190 mm，天線布局見圖8。采集時窗為15～25 ns，采樣點數(shù)為512，道間距為5 cm，采集過程不設(shè)增益調(diào)整，測試速度約為3 km/h。

圖7 測試系統(tǒng)組成

圖8 測試天線布局

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 30 m碎石道床

3.1.1 雷達圖像

為測試不同時窗對道床檢測能力的影響，30 m碎石道床試驗分別設(shè)置了15、20 ns兩種工況，各工況下3條測線雷達圖像分別見圖9、圖10。

圖9 20 ns時窗測試結(jié)果

圖10 15 ns時窗測試結(jié)果

測試結(jié)果表明2種時窗設(shè)置均能有效捕捉到道床底部反射信號（見圖9、圖10中藍色標注區(qū)域），說明高頻雷達測試系統(tǒng)枕底有效探測深度大于45 cm，道砟有效探測深度大于65 cm，能夠滿足碎石道床狀態(tài)探測需求。15 ns時窗工況下，道床底部鋼板反射信號處于有效信號的下緣，即單道波形內(nèi)道床有效數(shù)據(jù)占比更大，道床狀態(tài)信息挖掘空間更大。

3.1.2 介電常數(shù)推算值

對圖9、圖10中具有明確反射信號的區(qū)域，在雷達圖像中拾取同一位置處砟面及鋼板表面反射峰值，計算雙程走時，結(jié)合道砟厚度實測結(jié)果，按公式（1）推算介電常數(shù)，具體計算結(jié)果見表2。

式中：εr為介電常數(shù)；c為電磁波在真空中的傳播速度；Δt為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時；h為砟面至鋼板間的距離。

表2 30 m碎石道床模型不同區(qū)段介電常數(shù)推算結(jié)果

測試結(jié)果表明：區(qū)段Ⅱ介電常數(shù)介于6.4～7.0，平均值為6.7；區(qū)段Ⅲ介電常數(shù)介于4.3～5.0，平均值為4.7：區(qū)段Ⅳ介電常數(shù)較為均勻，均為4.7。區(qū)段Ⅱ介電常數(shù)最大，區(qū)段Ⅲ與Ⅳ平均介電常數(shù)一致，但區(qū)段Ⅲ介電常數(shù)存在一定的離散現(xiàn)象。由此表明，潔凈道床介電常數(shù)較為統(tǒng)一，伴隨臟污程度的增加，道床介電常數(shù)存在明顯增大現(xiàn)象。

3.2 既有線測試結(jié)果

3.2.1 典型部位挖驗推算道床介電常數(shù)

既有線K191+073處設(shè)置挖驗孔，雷達圖像及挖驗孔狀況見圖11，挖驗孔處砟面距道砟底面53 cm，枕底道砟厚30 cm，挖驗處前后道床底部雷達反射信號明確，反射信號雙程走時約8.7 ns，按公式（1）推算道床介電常數(shù)約為6.0，相較于30 m碎石道床潔凈區(qū)段，介電常數(shù)存在明顯增大，說明該處亦存在明確臟污。

圖11 典型區(qū)段雷達圖像及挖驗狀況

3.2.2 高頻雷達數(shù)據(jù)處理

國外針對碎石道床高頻雷達測試數(shù)據(jù)進行了大量研究，參考文獻［5］的方法對雷達測試數(shù)據(jù)進行處理，具體步驟見圖12。原始雷達圖像、希爾伯特變換、縱向平滑豎向低通等關(guān)鍵處理步驟結(jié)果見圖13。

圖12 高頻雷達數(shù)據(jù)處理流程

圖13 高頻雷達數(shù)據(jù)關(guān)鍵處理步驟結(jié)果

結(jié)果表明，原始雷達圖像難以直觀展示碎石道床深度及沿線路長度方向變化信息，采用的研究方法對高頻雷達數(shù)據(jù)處理后，道床狀態(tài)信息可讀性明顯增強。以縱向平滑豎向低通處理結(jié)果為例，綠色代表臟污程度相對較低區(qū)域，紅色代表臟污程度相對較高區(qū)域，路基、隧道、橋梁區(qū)段所揭露的道床狀態(tài)與線路維護較為吻合，后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場挖驗取樣后質(zhì)量篩分結(jié)果，深入研究基于雷達數(shù)據(jù)屬性量化表征道床狀態(tài)的方法。

4 結(jié)論

（1）30 m碎石道床模型試驗結(jié)果表明高頻雷達道砟有效探測深度不低于65 cm，能夠滿足碎石道床狀態(tài)檢測的需求。

（2）碎石道床高頻雷達測試參數(shù)可按間距5 cm、采樣點512、時窗15 ns設(shè)置。

（3）潔凈道床介電常數(shù)較為統(tǒng)一，干燥狀態(tài)下測試結(jié)果為4.7，伴隨臟污程度的增加，道床介電常數(shù)存在明顯增大現(xiàn)象。

（4）原始高頻雷達圖像難以直觀展示碎石道床深度及沿線路長度方向變化信息，采用增益調(diào)整、希爾伯特變換等操作后道床狀態(tài)可讀性明顯增強，如何基于雷達數(shù)據(jù)屬性量化表征道床狀態(tài)是后續(xù)研究的重點。