地質(zhì)雷達在鐵路路基病害治理中的探測應用

張中坡，郝英健，竇智，劉德永，唐世杰

（1.北京鐵路局工務處，北京 100039；2.北京鐵路衡水工務段，河北 衡水 053000；3.中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊；4.黑龍江北方有色建設(shè)有限責任公司，黑龍江 150046）

北京鐵路局管轄京九線地處海河流域滯洪區(qū)，路基多數(shù)線段為高填方形式設(shè)計施工，路基填筑用土為就地取土，多以當?shù)氐姆凵巴?、粉土、粉質(zhì)黏土為主。路基填高3～10m。由于路基填料和施工質(zhì)量差等原因，致使線路運營多年后，路基狀態(tài)一直不穩(wěn)定，每逢雨季均出現(xiàn)不同程度的水害，主要表現(xiàn)為路基頂面沉陷處的道砟囊，路基坡面通道式竄水，局部線路下沉，橋頭路基下沉，路基邊坡沖刷、溜坍等水害，造成線路慢行或水害斷道，危及京九線汛期行車安全，影響正常的行車秩序。在多年的路基病害整治和設(shè)備加固中，主要采用了卸山皮土路基加寬、漿砌片石邊坡防護，路基表層硬化和路基基床壓力注漿等加固方式，取得了一定的加固效果。在治理潛藏在路基內(nèi)部的病害、路橋結(jié)合部路基等薄弱地段，需要一種先進的探測技術(shù)去準確的判定病害的方位和病害的程度。為此，采用地質(zhì)雷達對路基病害進行探測成為一項研究和應用的熱點。

1 地質(zhì)雷達的基本原理、路基病害性狀及地質(zhì)雷達探測病害的可行性

1.1 地質(zhì)雷達的基本原理

我局引進的意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS－K2地質(zhì)雷達設(shè)備由主機、發(fā)射天線、接收天線、筆記本電腦、數(shù)據(jù)電纜等硬件和采集、分析軟件組成。該地質(zhì)雷達的工作原理可概括為：用筆記本電腦中的雷達數(shù)據(jù)采集軟件控制雷達主機，命令主機在采集數(shù)據(jù)時段通過發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，并同時通過接收天線接收經(jīng)探測土體的介質(zhì)面反射過濾的高頻電磁波，此高頻電磁波經(jīng)測試電路采樣、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、經(jīng)線纜傳輸至主機并經(jīng)主機成像軟件顯示被測土體介質(zhì)組織結(jié)構(gòu)圖像。由于路基土體隱性病害性狀是不規(guī)則空間各異的氣體、液體和砟體等組成，其介質(zhì)介電常數(shù)與原路基砂土粒介電常數(shù)各自不一，經(jīng)其介質(zhì)面反射高頻波產(chǎn)生時差和強弱的差異，這個差異就是被檢測的模擬信號，也就是地質(zhì)雷達經(jīng)其電路放大、轉(zhuǎn)換和軟件分析處理成像的基本像素。

1.2 路基隱性病害成因和性狀

1.2.1 路基隱性病害主要成因

一是鐵路路基在施工時局部路段特別是近橋臺后路基段分層壓實的密實度不達標，經(jīng)多年行車荷載作用和降水自然密實，并在下沉時伴隨石砟局部下沉導致道床枕木頭脫空；二是填筑路基的土質(zhì)為粉砂土、粉土和粉質(zhì)黏土，土質(zhì)級配不合理且土粒阻水性極差而水敏性極強，降水后受水浸在重力作用下極易向路基深部滲透使土粒間自由水增加甚至飽和，土體軟化引發(fā)土粒向下移動并形成微小空隙，降水量和降水時長的增加可加劇土粒被滲流攜帶沖蝕形成泥砂流涌出路基坡面承壓薄弱的縫隙或孔洞，泥砂流會快速沖蝕攜帶路基土體使土粒大量流失形成路基內(nèi)隱形洞穴或通道；三是已進行邊坡護砌的坡面，漿砌片石或混凝土砌體后仍有土體自然密實和降水沖蝕存在，容易出現(xiàn)大面積空洞和懸空。

1.2.2 隱性病害的性狀

從路基隱性病害的成因可知：隱性病害性狀分為三種情況，即道床頂部沉陷不規(guī)則的坑、洞，并多數(shù)已被石砟充填；路基土體內(nèi)由降水滲流引發(fā)的空洞或通道并充有空氣或水；漿砌片石或混凝土砌體后不規(guī)則的空洞或懸空。

1.3 地質(zhì)雷達對路基隱性病害探測的可行性

從地質(zhì)雷達工作原理可推理：被測物體應具備三個條件：1.被測物體是非金屬物體介質(zhì)；2.該被測物體無金屬屏蔽；3.該物體為介質(zhì)為非均質(zhì)物體。

鐵路路基隱性病害性狀符合地質(zhì)雷達探測物體條件，即無病害路基土體介質(zhì)基本一致，而有病害形成的空洞、通道（介質(zhì)為空氣、水或石砟）與原路基土體的介質(zhì)體相差極大，高頻電磁波進入隱性病害區(qū)不同的介質(zhì)體對其影響變化極為明顯，這些信息經(jīng)儀器取樣和軟件分析處理成像像素對比度大，各介質(zhì)點對應的像素可將病害空間幾何狀態(tài)顯現(xiàn)較為逼真的圖像。可以說采用地質(zhì)雷達探測路基隱性病害在理論上是非?？茖W有效的方法之一。

2 地質(zhì)雷達探測路基隱性病害的關(guān)鍵要點

2.1 探測點位確定

在使用地質(zhì)雷達設(shè)備現(xiàn)場探測前要對病害部位進行初步的分析，判定病害的主要性狀類型，以便使用雷達檢測時更具有針對性。

2.1.1 初步判定方式

結(jié)合鐵路線路軌檢車數(shù)據(jù)分析路基病害：列車在軌道上運行中，當某點連續(xù)出現(xiàn)垂向加速度III級及以上，要及時對現(xiàn)場軌道設(shè)備進行檢查，判定軌道的動態(tài)變形是由石砟道床引起的，還是鋼軌傷損引起的，還是路基病害引起的，當不能判定原因時，應進一步對路基基床進行雷達探測。

2.1.2 隱性病害的表觀現(xiàn)象

（1）石砟擠入路基基床形成道砟陷槽：導致道床內(nèi)積水、路基邊坡鉆水、石砟及軌道下沉。

（2）路橋過渡段路基鉆水掏空：該病害的主要危害是路基表層水通過橋頭路基與橋臺或框構(gòu)橋邊墻通過縫隙滲入，在路基邊坡流出，長時間的流水導致路基填料流失造成空洞。

（3）路基加寬造成的新舊路基滑動層不穩(wěn)定：鐵路大面積提速期間，幫寬部位與路基本體相比屬薄弱區(qū)，在道床擠壓情況下，易發(fā)生變形滑動等病害現(xiàn)象。

（4）路基內(nèi)部不良填料、空洞、陷穴等有害空間：施工前或施工過程中遺留的有害空間，運營后沒有及時發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為局部路基持續(xù)緩慢下沉。

（5）路基內(nèi)穿越的各種管線損壞或存在缺陷時造成掏空路基，線路下沉。

以上提及的隱性病害初步判定和表觀現(xiàn)象是確定地質(zhì)雷達探測點位的依據(jù)。

2.2 地質(zhì)雷達探測路基隱性病害參數(shù)選擇和操作要點

對路基探測系統(tǒng)參數(shù)選擇主要涉及到天線的中心頻率、采樣時窗、采樣間隔、測量步長（天線移動的速度）。采集參數(shù)的設(shè)置是否正確、合理關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)和探測的效果。

（1）天線中心頻率選擇：天線中心頻率選擇需要在滿足探測深度的基礎(chǔ)上兼顧被測體的尺寸。在實際探測中，意大利博泰克公司的探地雷達提供了200MHz、400MHz、800MHz三種頻率的天線，其探測較為精確的深度分別是10m、6m、3m處的被測體。對比來看，頻率越高精度越高，相應的探測深度越小。鐵路路基基床病害發(fā)生在埋深3米以內(nèi)，適合選用400MHz天線。

（2）時窗的選?。簳r窗的選取主要取決于最大探測深度與路基土體電磁波的傳播速度，時窗（W）的選擇可以取最大探測深度（H）和電磁波波速v之比的兩倍，為滿足土體中電磁波的速度與被測體埋深的不確定性可再增加30%的時窗（W）余量。

（3）采樣率的選擇：選取合適的采樣率是改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個重要的因素，采樣率是由尼奎斯特采樣定理決定的，即采樣率至少達到最高頻率的2倍，對于大多數(shù)的商用雷達系統(tǒng)，頻帶寬度和中心頻率之比為1∶1，即反射波的最高頻率為中心頻率的1.5倍。

（4）測量步長：在離散點測量時，空間移動步長取決于天線的中心頻率和地下介質(zhì)的介電常數(shù)，通常其最大值不應超過尼奎斯特采樣間隔，即為圍巖中子波波長的1／4。

（5）天線距離：使用分離天線時，適當選取發(fā)射與接收天線的距離，可以使來自目的體的回波信號增強。偶極天線在臨界角方向的增益最強，因此，天線間的距離L的選擇應使最深目的體相對接收和發(fā)射天線的張角為臨界角的2倍。

（6）天線方向的取向 ：天線的排列方向（天線的方向）對探地雷達取得資料品質(zhì)有很大影響。對于使用偶極子天線雷達系統(tǒng)，因偶極天線輻射具有優(yōu)選的極化方向，因此天線的取向很重要。不同的天線排列方式將得到不同的品質(zhì)資料。

（7）現(xiàn)場測點的布置：路橋結(jié)合部探測時，探測為順線路方向的線性探測，分別測量鋼軌兩側(cè)0.5m至1.5m范圍位置，鋼軌道心位置，即每股鐵路軌道一般測量3條線，也可根據(jù)現(xiàn)場情況增加。雙線一般測量5條線，共用中間1條線的數(shù)據(jù)。

3 地質(zhì)雷達探測實例

在線路探測中通過實地驗證、對比得出了存在問題的線路路基病害形態(tài)和線橋結(jié)合部病害狀態(tài)圖樣。

3.1 路基道砟陷槽

如在京九線某橋的下行側(cè)路肩上路基出現(xiàn)道砟陷槽現(xiàn)象，由雷達探測得出的圖像為下圖1，藍線框內(nèi)為病害位置，可以初步判定該位置有2處道砟陷槽，具體深度約為1.5m，沿線路方向長度為1.5m。

圖1

3.2 路橋過渡段路基空洞病害

為排除京九線某橋路橋過渡段位置是否存在空洞，進行了現(xiàn)場實測，測試圖片為圖2，圖中藍線框出的位置即為路基空洞處，被積水軟化滲流帶走土粒形成的洞穴內(nèi)填充了其他雜物造成圖像中的波形出現(xiàn)變化。后經(jīng)實際挖探，發(fā)現(xiàn)路基表層下1.1m處，有一空洞，與測量結(jié)果基本一致。

圖2

3.3 注漿整治前后對照探測結(jié)果

京九線在路基道砟陷槽及空洞整治中，為減小對鐵路運輸?shù)挠绊?，采用了路基注漿工藝，通過地質(zhì)雷達探測，也可以對注漿前后的同一位置進行比較，以檢驗注漿加固的效果。我們選取了京九線某路基道砟陷槽進行地質(zhì)雷達探測，圖4的明顯發(fā)亮的波形為注漿后的鋼管水泥成份，經(jīng)過對比得出注漿對于路基狀態(tài)的穩(wěn)定起到明顯作用。

圖3 注漿前路基情況

圖4 注漿后路基情況

4 結(jié)束語

我局地質(zhì)雷達的引進和使用，為鐵路路基病害治理提供了先進的探測手段，從而能夠準確的判定病害的位置和尺寸，使病害整治更具針對性和有效性。目前存在兩方面的問題需要進一步的探討和研究：一是地質(zhì)雷達在鐵路探測方面的拓展性需要進一步挖掘，如在高大擋墻后部空洞、隧道襯砌后部空洞、框構(gòu)立交橋頂進后期路基探測等；二是對地質(zhì)雷達波形的研究需要進一步總結(jié)經(jīng)驗和規(guī)律，更好地提供判定依據(jù)。

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