劉歡 李晉平 王偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司北京鐵科工程檢測有限公司，北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

高精度、快捷、環(huán)境友好型的探地雷達(dá)作為一種工具，越來越多地應(yīng)用于鐵路路基非侵入性的評(píng)估和長期監(jiān)測。該方法以電磁學(xué)理論為基礎(chǔ)，在土木與環(huán)境工程［1］、地質(zhì)［2］、考古［3］、行星科學(xué)［4］、法醫(yī)學(xué)［5］、交通運(yùn)輸［6-9］等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文以一既有線鐵路為例，采用WX999318隧道狀態(tài)檢查車（以下簡稱隧檢車）對(duì)該線路路基狀況進(jìn)行了快速檢測。該線鐵路為重載鐵路，列車運(yùn)行過程中路基承受的連續(xù)動(dòng)荷載逐年增加，尤其在萬噸貨車的作用下，路基基床變形、翻漿冒泥、下沉、含水異常、道砟陷槽等鐵路路基病害頻繁發(fā)生。本文通過分析路基翻漿冒泥、下沉、含水異常、道砟陷槽病害探地雷達(dá)（Ground-Penetrating Radar，GPR）圖像特征，建立常見的鐵路路基病害與探地雷達(dá)時(shí)域圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后期雷達(dá)圖像自動(dòng)化或半自動(dòng)化快速識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

1 檢測方法

1.1 車載GPR工作原理

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)通常由發(fā)射天線、接收天線、控制單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和顯示單元構(gòu)成。發(fā)射天線向被研究介質(zhì)表面發(fā)射電磁脈沖，接收天線收集被地下的電介質(zhì)異常體反射和散射回來的信號(hào)。從接收信號(hào)中提取特征，如時(shí)間延遲、反射波峰振幅和頻率譜，用以評(píng)價(jià)目標(biāo)體的特性。根據(jù)調(diào)查目的和類型使用地面耦合或空氣耦合天線，天線的選取取決于所需的穿透深度、被研究的土壤類型和被探測的異常體大小。

鐵路車載式地質(zhì)雷達(dá)的檢測原理如圖1所示。安裝在鐵路列車上的發(fā)射天線發(fā)射一系列電磁脈沖，電磁脈沖垂直入射到鐵路下方的結(jié)構(gòu)層（道床、路基表層、路基底層等），當(dāng)遇到兩種具有不同電磁特性的材料之間的界面時(shí)，一部分的電磁波被反射回探地雷達(dá)接收天線。這種反射信號(hào)構(gòu)成了測量記錄中的一個(gè)重要組成部分。在一個(gè)測點(diǎn)上得到的一個(gè)完整波形，稱一個(gè)掃描線A-Scan，它提供了關(guān)于地下構(gòu)造精確的一維信息。當(dāng)連續(xù)測試時(shí)，將每個(gè)測點(diǎn)掃描線重疊構(gòu)成二維矩陣，得到連續(xù)剖面圖B-Scan，即地質(zhì)雷達(dá)圖像［10］。地質(zhì)雷達(dá)圖像可直觀地反映路基內(nèi)各結(jié)構(gòu)層的厚度變化以及物性變化，用于實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)解釋。

圖1 車載地質(zhì)雷達(dá)工作原理

1.2 檢測儀器設(shè)備

隧檢車（圖2）上車載式路基狀況檢測系統(tǒng)由雷達(dá)主控器、3 個(gè)400 MHz 屏蔽天線、數(shù)據(jù)采集儀、信號(hào)顯示儀、視頻記錄儀、測距儀、信號(hào)傳輸電纜等組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，測距儀觸發(fā)雷達(dá)系統(tǒng)按設(shè)定的間隔發(fā)射脈沖信號(hào)并接收路基結(jié)構(gòu)層反射的雷達(dá)波信號(hào)。采集儀記錄顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示檢測到的回波信號(hào)，生成雷達(dá)圖像，從而獲取各路基結(jié)構(gòu)層的情況。

圖2 WX999318隧道狀態(tài)檢查車外觀

1.3 測線布置

現(xiàn)場檢測時(shí)，將天線懸掛固定在隧道檢查車底部，與軌頂保持一定距離，對(duì)路基進(jìn)行快速連續(xù)檢測。數(shù)據(jù)采集采用測距輪脈沖觸發(fā)模式，每30 km 自動(dòng)換名存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集過程中做好現(xiàn)場記錄，為后期數(shù)據(jù)預(yù)處理、里程初步校正、數(shù)據(jù)解釋、數(shù)據(jù)備份等提供參考。本次檢測布置了3 條測線，如圖3 所示。中間測線布置在線路中心，鋼軌兩側(cè)各布置一條測線，由平行放置的3個(gè)400 MHz屏蔽天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 路基檢測測線布置示意

本次檢測使用中心頻率為400 MHz的屏蔽天線，采樣時(shí)窗為65 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512，道間距為0.1129 m。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地質(zhì)雷達(dá)（Ground Radar，GR）處理分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過處理，雷達(dá)圖像中規(guī)則和隨機(jī)的干擾信號(hào)得到壓制，信號(hào)信噪比得到提高，路基結(jié)構(gòu)層間界面、病害體外部界面及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射波振幅、波形、相位和頻譜隨雙程走時(shí)（或深度）、里程、測線等變化圖像特征得到凸顯。本次處理流程包括里程校正、零線設(shè)定、背景去噪、增益控制、道間均衡、一維濾波、預(yù)測反褶積處理等。雷達(dá)圖像最后在matgpr 軟件上以wiggle 波形圖展示。

2 鐵路路基病害GPR圖像分析

常見的鐵路路基病害有：翻漿冒泥、下沉、含水異常、道砟陷槽、基床不平整等。本文通過對(duì)車載探地雷達(dá)圖像的波形特征、頻率、幅度、相位和電磁波能量吸收的變化規(guī)律進(jìn)行分析，建立其與鐵路路基病害的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 正常鐵路路基GPR圖像

圖4是無任何病害的正常鐵路路基GPR數(shù)據(jù)處理后的B-Scan 灰度圖，圖像內(nèi)右側(cè)波形為其中某一道的A-Scan?？芍涸? ns，有一層整齊規(guī)則的鋸齒狀尖波，為軌枕的反射；在0 ～9 ns，出現(xiàn)不規(guī)則的多次反射波，由道砟層內(nèi)不同級(jí)配的碎石造成；在9 ～11 ns 出現(xiàn)兩層能量較大、連續(xù)且平直的同相軸，層狀結(jié)構(gòu)明顯，可連續(xù)追蹤，推斷其為砂墊層，并且在單點(diǎn)曲線圖上對(duì)應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)尖脈沖，相位相反，這是介質(zhì)的介電常數(shù)差異所造成的；11 ～23 ns 的結(jié)構(gòu)為基床，23 ns以下的結(jié)構(gòu)為下伏地層。

圖4 正常鐵路路基GPR圖像

2.2 翻漿冒泥病害GPR圖像

翻漿冒泥是最常見的一種鐵路路基病害，分為道床性和基床性兩種。在水侵蝕和反復(fù)列車振動(dòng)的作用下，砂礫石層或含有黏土和粉粒的路基土中的小碎屑和石粉污染物在一定條件下軟化、觸變、液化形成泥漿。列車通過時(shí)，軌枕上下微小波動(dòng)，使泥漿通過道砟孔隙被擠壓、抽吸上來，造成道床的臟污和硬化，從而降低或失去道床的彈性，軌道幾何尺寸變化，導(dǎo)致線路不平順?；脖韺印⒌讓踊虻鼗瓭{時(shí)會(huì)使基床不密實(shí)，承載力下降，進(jìn)一步惡化會(huì)導(dǎo)致下沉病害。

圖5 紅色方框內(nèi)為翻漿冒泥GPR 病害圖像，翻漿冒泥在基床內(nèi)部形成，穿過砂墊層至道床內(nèi)部，在道床中部至基床頂面深度范圍內(nèi)，出現(xiàn)較連續(xù)、波動(dòng)的強(qiáng)反射同相軸，含水狀況不同，其多次反射存在差異，并且掩蓋了道床、基床界面的反射信號(hào)，表現(xiàn)出道床、基床界面反射同相軸向淺層抬升的假象?；岔敳可疃扰R近區(qū)域波組雜亂、不連續(xù)、低頻強(qiáng)反射形似“山尖”或“草帽”狀。

圖5 翻漿冒泥路基GPR圖像

2.3 路基下沉病害GPR圖像

路基下沉是由于基床和路基土或軟弱地基的密實(shí)度不夠，受水、覆蓋層荷載、自重的影響，在氣候變化、列車動(dòng)荷載和振動(dòng)的耦合作用下，發(fā)生局部或大面積垂直沉降或沉降變形，局部或范圍較小且有道砟陷入基床時(shí)又稱道砟陷槽、道砟囊或道砟袋。有的經(jīng)過列車運(yùn)行壓實(shí)及局部路基病害整治后，下沉趨勢緩解，僅在雷達(dá)圖像上有不平整的基床表面顯示，對(duì)行車安全已無較大影響；有的因上覆荷載增加、水的作用或基床不密實(shí)惡化使沉降速率加大，影響行車安全。對(duì)路基下沉病害的監(jiān)測和治理宜建立長效機(jī)制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和整治。

路基下沉雷達(dá)圖像的特征如圖6?？芍?，道床和基床結(jié)構(gòu)層間界面、基床表層和底層間界面反射同相軸發(fā)生明顯的彎曲、深度向下錯(cuò)斷或偏移，同相軸在相同深度附近中斷，不連續(xù)、時(shí)斷時(shí)續(xù)或高低不平，砟土混合比較嚴(yán)重時(shí)同相軸可能缺失。

圖6 路基下沉GPR圖像

2.4 含水異常病害GPR圖像

含水異常指一定長度區(qū)段路基中一定深度結(jié)構(gòu)層界面，其含水量相對(duì)臨近區(qū)段較大的現(xiàn)象?；不虻鼗枯^大會(huì)導(dǎo)致路基質(zhì)量惡化穩(wěn)定性不足，容易引發(fā)翻漿冒泥、下沉等病害。圖像特征（圖7）為：界面低頻強(qiáng)反射、振幅較大、相位反相且存在多次反射，電磁波能量衰減快，能量團(tuán)分布不均勻，自動(dòng)增益梯度大。由于含水表面通常連續(xù)分布，反射波同相軸連續(xù)性好，波形相對(duì)均勻。

圖7 含水異常路基GPR圖像

2.5 道砟陷槽病害GPR圖像

由于降雨，路基被雨水軟化，軟化的土層變形促進(jìn)了道砟囊的形成。道砟囊改變了原有的排水功能，使地表水或地下水更容易沉積在路基中，侵蝕路基，破壞路基的承載力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致路基坍塌，道砟壓入路基基面，最終形成道砟下沉。圖8 為道砟陷槽GPR特征圖像，圖像中反射信號(hào)強(qiáng)，連續(xù)同相軸突然斷開，有顯著的下降，如同斷層中的地塹一樣。

圖8 道砟陷槽GPR圖像

總結(jié)以上路基病害與探地雷達(dá)圖像及波形特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 鐵路路基病害GPR圖像及波形特征

3 結(jié)語

利用探地雷達(dá)檢測鐵路路基病害，檢測速度快、效率高，檢測結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、可靠。本文基于探地雷達(dá)圖像的波形、頻率、振幅、相位、電磁波能量吸收（或自動(dòng)增益梯度）等細(xì)節(jié)特征的變化規(guī)律建立了鐵路路基病害與探地雷達(dá)特征圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為雷達(dá)圖像判讀的重要依據(jù)，也有利于今后探地雷達(dá)圖像的智能快速識(shí)別。