不同埋深鐵路路基隱伏巖溶病害的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法

柯在田，齊法琳，鄧普

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

不同埋深鐵路路基隱伏巖溶病害的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法

柯在田，齊法琳，鄧普

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

針對(duì)鐵路路基存在的隱伏巖溶病害問(wèn)題，采用車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。論述和分析地質(zhì)雷達(dá)工作原理，通過(guò)選擇不同頻率天線，對(duì)不同埋深隱伏巖溶典型病害的雷達(dá)圖像進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同頻率天線對(duì)不同深度隱伏巖溶病害的探測(cè)效果，提出不同埋深病害的最佳檢測(cè)方法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)配置方案可取得良好檢測(cè)效果。

鐵路路基；隱伏巖溶病害；地質(zhì)雷達(dá)；正演模擬；埋深

我國(guó)巖溶地區(qū)分布廣泛，由巖溶引起的路基塌陷，尤其是隧底路基塌陷是鐵路路基常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害之一。近年來(lái)，隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)營(yíng)線路的行車速度及載重不斷提高，尤其是有砟軌道線路提速后，巖溶路基病害對(duì)路基穩(wěn)定性的影響越來(lái)越大，巖溶引起的路基塌陷成為鐵路地質(zhì)災(zāi)害的主要問(wèn)題之一，危及鐵路行車安全。

巖溶路基病害發(fā)育的基礎(chǔ)條件是隱伏巖溶的存在。目前，探測(cè)隱伏巖溶一般采用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、淺層地震及聲波電磁波孔間透視、CT層析等方法[1-3]。探測(cè)深度不均一性的隱伏巖溶發(fā)育帶極具挑戰(zhàn)性，并在運(yùn)營(yíng)線路中，受作業(yè)天窗時(shí)間短、地表?xiàng)l件復(fù)雜、干擾多等因素影響，鐵路路基狀態(tài)快速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)一直缺少有效手段。車載地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的成熟應(yīng)用，對(duì)快速檢測(cè)判別鐵路路基巖溶病害具有良好效果。

針對(duì)鐵路路基運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在隱伏巖溶病害問(wèn)題，采用車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)對(duì)隱伏巖溶探測(cè)的正演模擬，對(duì)比分析不同頻率天線對(duì)不同深度隱伏巖溶病害的探測(cè)效果，提出不同埋深病害的最佳檢測(cè)方法，并通過(guò)對(duì)貴廣鐵路某段路基采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了檢測(cè)方法的有效性，取得良好檢測(cè)效果，為后續(xù)鐵路路基的實(shí)際應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground-enetrating Radar，GPR）是一種高效的淺層地球物理探測(cè)技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、快速連續(xù)探測(cè)、抗干擾和場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛用于地質(zhì)勘測(cè)、工程施工質(zhì)量檢測(cè)、資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事等方面。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法是通過(guò)天線連續(xù)測(cè)量方式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播過(guò)程中遇到存在電性差異（介電常數(shù)）的電性分界面后發(fā)生反射和折射，各地層反射回地表的電磁波被接收天線接收。通過(guò)分析雷達(dá)主機(jī)精確記錄的反射電磁波的旅行時(shí)間（也稱雙程走時(shí)）、幅度與波形等特征，推斷地下結(jié)構(gòu)的形態(tài)、埋深和構(gòu)造等[4-6]，達(dá)到識(shí)別地下目標(biāo)物的目的，其工作原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

電磁波脈沖的雙程走時(shí)計(jì)算：

式中：H為反射目標(biāo)的深度，m；x為發(fā)射天線與反射目標(biāo)中心的橫向距離，m；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns。

根據(jù)式（1）計(jì)算出地下目標(biāo)的埋深：

2 隱伏巖溶病害的正演模擬

2.1 典型病害

鐵路路基隱伏巖溶病害情況復(fù)雜多變，因此雷達(dá)圖像的正演模擬一般從簡(jiǎn)單模型開(kāi)始。結(jié)合既有鐵路路基的設(shè)計(jì)和實(shí)際情況，在查詢相關(guān)介質(zhì)的電性參數(shù)后[7-11]，實(shí)驗(yàn)采用正演模擬方法，模擬隱伏巖溶的裂隙、蜂窩狀溶蝕、空洞病害，埋深為1 m。隱伏巖溶模型（見(jiàn)圖2）設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)?3.0 m×3.5 m，道床和基床厚度為0.3 m和2.5 m，天線距路基表面為0.2 m；試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖2 隱伏巖溶模型

表1 試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)設(shè)置

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理后，模型a雷達(dá)圖像和模型b雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。從圖3和圖4可見(jiàn)，裂隙帶附近電磁波同相軸錯(cuò)段，其產(chǎn)生強(qiáng)烈反射，振幅顯著增強(qiáng)，并伴有繞射產(chǎn)生的雙曲線現(xiàn)象，圖像呈帶狀分布。在蜂窩狀溶蝕帶，雷達(dá)圖像呈現(xiàn)雜亂無(wú)規(guī)則的強(qiáng)反射波，并有蜂窩狀小溶洞產(chǎn)生的細(xì)小雙曲線。空洞地帶呈現(xiàn)出較為明顯的雙曲線特征，由于雷達(dá)波的衰減和溶洞介質(zhì)的吸收作用，底部能量相對(duì)較弱。

2.2 不同天線頻率與埋深的隱伏巖溶雷達(dá)圖像

隱伏巖溶復(fù)雜多變，其埋深具有不均一性。因此，對(duì)不同深度的隱伏巖溶造成的路基病害需要采用不同頻率的天線進(jìn)行探測(cè)。在此結(jié)合實(shí)際檢測(cè)需要，模擬400 MHz、200 MHz、100 MHz天線頻率的不同埋深隱伏巖溶空洞的雷達(dá)圖像。不同頻率與埋深的隱伏巖溶模型示意見(jiàn)圖5，試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。圖5中的設(shè)計(jì)模型測(cè)線長(zhǎng)10 m，設(shè)置1 m、3 m、5 m、7 m和10 m埋深的隱伏巖溶空洞。其中1 m埋深模型采用圖2隱伏巖溶裂隙與蜂窩溶蝕正演模型。

圖3 模型a雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4 模型b雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5 不同頻率與埋深的隱伏巖溶模型示意圖

表2 試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)設(shè)置

（1）1 m、3 m和5 m埋深的隱伏巖溶裂隙、溶蝕、空洞正演模擬。對(duì)200 MHz和400 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，200 MHz埋深1 m與400 MHz埋深1 m的雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意見(jiàn)圖6和圖7；200 MHz埋深3 m與400 MHz埋深3 m的雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意見(jiàn)圖8和9；200 MHz埋深5 m與400 MHz埋深5 m的天線頻率的雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意見(jiàn)圖10和圖11。埋深1 m時(shí)，圖6和圖7反映的巖溶裂隙與蜂窩狀溶蝕的基本特征良好，400 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像更為細(xì)膩清晰，更能反映出巖溶裂隙、蜂窩狀溶蝕的主體特征。埋深3 m時(shí)，在圖8和圖9反映的巖溶空洞雙曲線主體特征中，200 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像較400 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像明顯。埋深5 m時(shí)，圖11的400 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像不太明顯，而圖10的200 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像較為明顯。綜上所述，400 MHz天線頻率的地質(zhì)雷達(dá)較適合埋深3 m以內(nèi)的路基隱伏巖溶病害探測(cè)；200 MHz及更低天線頻率的地質(zhì)雷達(dá)適合3 m及更深的隱伏巖溶病害探測(cè)。

（2）7 m和10 m埋深的隱伏巖溶空洞正演模擬。對(duì)200 MHz、100 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，200 MHz埋深7 m與100 MHz埋深7 m的雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意見(jiàn)圖12和圖13；200 MHz埋深10 m與100 MHz埋深10 m的天線頻率的雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意見(jiàn)圖14和15。埋深7 m時(shí)，圖12的200 MHz與圖13的100 MHz天線頻率的雷達(dá)圖像反映出雙曲線特征，表明其均能探測(cè)到底部隱伏巖溶空洞病害。埋深10 m時(shí)，200 MHz天線頻率的雷達(dá)僅能微弱地探測(cè)到隱伏巖溶病害，而100 MHz天線頻率的雷達(dá)優(yōu)勢(shì)凸顯。綜上所述，200 MHz天線頻率的地質(zhì)雷達(dá)適合7 m以內(nèi)的隱伏巖溶病害探測(cè)，100 MHz及更低天線頻率的地質(zhì)雷達(dá)適合探測(cè)7 m以上的隱伏巖溶病害。

圖6 200 MHz埋深1 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖7 400 MHz埋深1 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖8 200 MHz埋深3 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖9 400 MHz埋深3 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖10 200 MHz埋深5 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖11 400 MHz埋深5 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

綜上所述，探測(cè)不同深度的隱伏巖溶病害，采用不同的天線頻率，隨著病害埋深的增加，應(yīng)降低天線頻率。結(jié)合檢測(cè)實(shí)際需要，提出探測(cè)不同深度隱伏巖溶病害方案：一是3 m以內(nèi)的淺層隱伏巖溶病害探測(cè)及常見(jiàn)的路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)，可采用400 MHz天線頻率為主的車載地質(zhì)雷達(dá)方式進(jìn)行檢測(cè)；二是10 m以內(nèi)較大埋深的隱伏巖溶病害可采用200 MHz天線頻率為主的檢測(cè)方式。車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)3個(gè)配置方案見(jiàn)圖16。方案1為4通道雷達(dá)主機(jī)（1個(gè)200 MHz天線、3個(gè)400 MHz天線），偏重于淺層路基結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)；方案2為4通道雷達(dá)主機(jī)（3個(gè)200 MHz天線、1個(gè)400 MHz天線），偏重于深部路基病害探測(cè)；方案3為6通道雷達(dá)主機(jī)（3個(gè)200 MHz天線、3個(gè)400 MHz天線），是通用設(shè)計(jì)方案。

圖12 200 MHz埋深7 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖13 100 MHz埋深7 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)配置方案的有效性和適用性，在貴廣高速鐵路某區(qū)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證[10]。區(qū)段鐵路的貴州段穿越剝（侵）蝕高原，地質(zhì)情況復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育不良，特殊巖土類型較多。按照檢測(cè)需求，區(qū)段路基探測(cè)深度約為10 m，采用方案2進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)200 MHz屏蔽天線地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)；采樣時(shí)窗200 ns；采樣點(diǎn)數(shù)1 024個(gè)；采用連續(xù)測(cè)量方式進(jìn)行檢測(cè)。

圖14 200 MHz埋深10 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖15 100 MHz埋深10 m雷達(dá)圖像模擬數(shù)據(jù)結(jié)果示意圖

圖16 車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)配置方案

對(duì)該區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理后，發(fā)現(xiàn)多處溶蝕裂隙及其發(fā)育地區(qū)，以及巖溶空洞和蜂窩狀溶蝕地區(qū)。隱伏巖溶病害溶蝕裂隙雷達(dá)圖像見(jiàn)圖17，從圖中可以明顯地看到2.0～3.8 m深度范圍條帶狀的強(qiáng)反射區(qū)域，較符合巖溶裂隙的圖像特征，判斷此地段存在巖溶裂隙病害。巖溶空洞圖像見(jiàn)圖18，在圖中白色條框區(qū)域可明顯地看到5.1～7.0 m深度范圍巖溶空洞病害表現(xiàn)出強(qiáng)反射雙曲線特征，判斷此地段存在巖溶空洞病害。蜂窩狀溶蝕雷達(dá)圖像見(jiàn)圖19，在圖中4.8～8.0 m深度范圍白色區(qū)域的雷達(dá)圖像為雜亂無(wú)規(guī)則的強(qiáng)反射波，并伴有雙曲線特征，說(shuō)明此地段存在蜂窩狀溶蝕病害。與該區(qū)段鉆孔地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)這些地段確實(shí)存在上述病害。車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)配置方案的有效性和適用性為后續(xù)實(shí)際檢測(cè)工作提供了理論依據(jù)。

圖17 溶蝕裂隙雷達(dá)圖像

圖18 巖溶空洞圖像

圖19 蜂窩狀溶蝕雷達(dá)圖像

4 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)在隱伏巖溶病害檢測(cè)方面的應(yīng)用前景廣闊。通過(guò)正演模擬方法，總結(jié)不同深度隱伏巖溶病害適用的檢測(cè)方案，并得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)隱伏巖溶病害埋深在3 m以內(nèi)時(shí)，宜采用400 MHz天線頻率。

（2）當(dāng)隱伏巖溶病害埋深在3～7 m時(shí)，宜采用200 MHz天線頻率。

（3）當(dāng)隱伏巖溶病害埋深在7～10 m時(shí)，宜采用100 MHz天線頻率。

通過(guò)在貴廣高速鐵路某區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，車載地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)配置方案取得良好效果。探測(cè)不同深度的隱伏巖溶病害，應(yīng)采用不同的天線頻率，隨著病害埋深的增加，應(yīng)降低天線頻率。

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GPR Method to Detect Covered Karst Disease of Deeply Buried Railway Subgrade

KE Zaitian，QI Falin，DENG Pu
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The onboard ground penetrating radar (GPR) detection technology is used to simulate and study the covered karst disease of subgrade. The paper analyzes the working principle of the radar, which is by choosing antennas with different frequencies, to make numerical simulation of radar images of deeply buried karst diseases, compare and analyze the detection results of the diseases buried in different depths, and propose the tailored detection methods for different-depth diseases. Good detection results are acquired by this method according to on-site test.

railway subgrade；covered karst disease；ground penetrating radar；forward simulation；deeply buried

U213.1；U25

A

1001-683X（2017）10-0001-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1434211）

柯在田（1964—），男，研究員。E-mail：kezt@rails.cn

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-21