基于雷達(dá)檢測(cè)的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評(píng)估技術(shù)

李曉光

（中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司長(zhǎng)春高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，吉林長(zhǎng)春 130000）

高速鐵路的高運(yùn)行速度、高平順性和高安全性，對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性提出了極高的要求［1］。寒區(qū)鐵路的路基凍害問題會(huì)影響路基的平順性，對(duì)冬季鐵路的運(yùn)營安全產(chǎn)生了較大影響。由于路基凍害根治難度大，高速鐵路的養(yǎng)護(hù)維修工作面臨巨大的挑戰(zhàn)［2］。

高效的檢測(cè)手段、科學(xué)的評(píng)估方法和有效的整治措施對(duì)于運(yùn)營鐵路路基凍害的處理尤為重要。目前鐵路路基凍害的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估和整治具有以下特點(diǎn)［3-6］：①傳統(tǒng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)方法無法準(zhǔn)確反映凍害發(fā)展情況，且具有滯后性?，F(xiàn)有鐵路路基凍害的檢測(cè)通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢查等手段，實(shí)行定人、定時(shí)、定點(diǎn)的檢查制度，但由于凍害的隨機(jī)性，對(duì)于某些地段凍害的發(fā)展情況的評(píng)價(jià)往往是滯后的。②傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法考慮因素單一?，F(xiàn)有評(píng)估方法主要以凍脹量為指標(biāo)，尚未考慮形成凍害的各種影響因素，其合理性和有效性有待商榷。③傳統(tǒng)的路基凍害整治方法存在盲目性，針對(duì)性較差。目前有砟軌道凍害的整治措施主要有疏排水、新挖側(cè)溝、保溫等工程措施以及注鹽、設(shè)置預(yù)墊板、高抬道等維修措施，其中注鹽法較普遍，但尚缺乏精細(xì)化實(shí)施和鹽分跟蹤檢測(cè)方法，不能掌握凍害整治地段鹽分流失規(guī)律。此外，各種凍害維護(hù)整治方法都存在一定的盲目性。由于不能精確把握凍害地段長(zhǎng)度，往往擴(kuò)大凍害整治地段，造成較大的浪費(fèi)。應(yīng)結(jié)合凍害地段的評(píng)估結(jié)果，提出有針對(duì)性的整治方法。

本文通過建立雷達(dá)檢測(cè)、軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)的鐵路路基凍害綜合檢測(cè)技術(shù)，提高凍害檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性、前瞻性，形成基于雷達(dá)檢測(cè)的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評(píng)估技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)鐵路路基凍害的大規(guī)模維護(hù)整治提供有力支撐。

1 雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)組成

車載探地雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要工作原理為：由中心控制系統(tǒng)下達(dá)指令至多普勒信號(hào)控制系統(tǒng)，對(duì)軌枕進(jìn)行識(shí)別與距離探測(cè)，并將所識(shí)別的信息反饋到中心控制系統(tǒng)；中心控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)，通過空氣耦合天線發(fā)出和接收脈沖信號(hào)，同時(shí)記錄環(huán)境條件與GPS 位置信息，相關(guān)反饋的波形信號(hào)可通過電腦終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 鐵路路基信號(hào)采集系統(tǒng)工作流程

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

雷達(dá)系統(tǒng)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)受到外界的干擾信號(hào)，因此對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理提出了較高的要求［7］。數(shù)據(jù)處理分析的過程：零線的標(biāo)定→背景去噪→水平濾波→頻域垂直帶通濾波→增益設(shè)置→路基異常病害判識(shí)。

鐵路路基在環(huán)境溫度周期性變化的影響下，冬季會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的情況，其體積增大導(dǎo)致路基凍脹，影響線路的平順性；而春季氣溫回升，路基內(nèi)的冰融化，導(dǎo)致路基融沉。從現(xiàn)場(chǎng)采集的地質(zhì)雷達(dá)剖面的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可得到同樣的規(guī)律性變化，路基凍害的雷達(dá)典型剖面見圖2。從根本上說，路基凍害的檢測(cè)主要是檢測(cè)路基含水率的波動(dòng)。由于級(jí)配碎石、水、冰材料特性的差異，其介電常數(shù)具有明顯差異，導(dǎo)致雷達(dá)波的反射能量與反射振幅不同。

圖2 含水率大凍害程度高的雷達(dá)典型剖面

1.3 雷達(dá)檢測(cè)和軌道檢測(cè)的關(guān)聯(lián)性分析

在一寒區(qū)鐵路探測(cè)18 個(gè)區(qū)間長(zhǎng)度約48 km 的線路。將含水率的不同狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分，I 級(jí)對(duì)應(yīng)含水率大，Ⅱ級(jí)對(duì)應(yīng)含水率較大，Ⅲ級(jí)對(duì)應(yīng)稍大。當(dāng)含水率分布里程與軌道不平順里程存在交叉時(shí)，其判定結(jié)果記為1，表示在該含水率里程存在軌道不平順情況，反之則記為0。該寒區(qū)鐵路綜合判定結(jié)果見表1。

表1 一寒區(qū)鐵路判別結(jié)果

由表1可知：對(duì)于上下行線各含水率等級(jí)，路基含水率與軌道不平順狀況的里程分布關(guān)聯(lián)度均在77.92%以上；上行線Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)含水率與軌道不平順情況里程分布關(guān)聯(lián)度分別在81.13%，68.18%以上；路基含水率與軌道不平順里程分布存在較高的相關(guān)性，且含水率高的地段相關(guān)性更強(qiáng)。

2 凍害評(píng)估技術(shù)

主觀評(píng)價(jià)法和客觀評(píng)價(jià)法是2類常用的綜合評(píng)價(jià)方法。主觀評(píng)價(jià)法以層次分析法為代表，主要用于定性分析?？陀^評(píng)價(jià)法按照各指標(biāo)間的關(guān)系來確定指標(biāo)權(quán)重，再進(jìn)行評(píng)價(jià)［8］。本文在綜合2 種評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，提出適用于寒區(qū)鐵路的有砟軌道路基凍害評(píng)估方法。

2.1 層次分析法

層次分析法主要按照下述步驟進(jìn)行：①明確復(fù)雜問題所包含的全部因素，理清各因素間的邏輯關(guān)系；②將復(fù)雜問題按照不同層次的要素進(jìn)行分解，形成帶有邏輯關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)；③將每一層次要素兩兩比較，建立評(píng)判矩陣；④運(yùn)用特定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算評(píng)判矩陣最大特征值及其對(duì)應(yīng)的正交特征向量，確定權(quán)值；⑤進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；⑥計(jì)算各指標(biāo)對(duì)復(fù)雜問題的權(quán)重。對(duì)復(fù)雜問題的分層一般分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和指標(biāo)層C，如圖3所示［9］。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

按照下述步驟進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

1）運(yùn)用和積法求解評(píng)判矩陣，將得到的矩陣按行分別相加，結(jié)果用向量Wi表示

式中：aij為矩陣元素；N為元素?cái)?shù)量為權(quán)重向量。

2）將所有得到的向量Wi分別做單位化處理，得到同一準(zhǔn)層下所有指標(biāo)的權(quán)重向量。

3）在取得最大特征值后，分別計(jì)算評(píng)判矩陣的一致性指標(biāo)CI和一致性比CR。

式中：A為評(píng)判矩陣；n為評(píng)判矩陣階數(shù)；λmax為評(píng)判矩陣最大特征值；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

CI值越小，則表示評(píng)判矩陣的一致性越好。通常情況下，3階以下矩陣不需檢驗(yàn)，對(duì)于3階及以上矩陣，當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，確定評(píng)判矩陣的一致性是合理的；否則需對(duì)評(píng)判矩陣進(jìn)行修正，直到檢驗(yàn)結(jié)果符合要求為止。

2.2 評(píng)估體系構(gòu)建

通過前期大量研究工作，概括總結(jié)了寒區(qū)鐵路路基發(fā)生凍害的原因可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要包括水分遷移、含水率、填料類型、路基類型等，而外因主要包括氣溫、列車運(yùn)行荷載、寒冷時(shí)降雨水分的補(bǔ)給等。按照層次分析法的計(jì)算流程，將寒區(qū)鐵路路基凍害狀況評(píng)估劃分為雷達(dá)檢測(cè)指標(biāo)、軌道檢測(cè)指標(biāo)和氣象地質(zhì)指標(biāo)3 類，共選取9 個(gè)主要影響因素作為指標(biāo)層，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為了判斷指標(biāo)間相對(duì)重要性，咨詢相關(guān)專業(yè)人員對(duì)指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行判斷，得出各評(píng)判矩陣，見表3—表5。

表3 A-B評(píng)判矩陣

表4 B1-C評(píng)判矩陣

表5 B3-C評(píng)判矩陣

評(píng)判矩陣A-B的最大特征值λmax=3.018 3，其對(duì)應(yīng)的特征向量為W=[0.443 4，0.169 2，0.387 4]Τ，CI=0.009 2，CR=0.009 2/0.58=0.016＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

評(píng)判矩陣B1-C的最大特征值λmax=4.031，其對(duì)應(yīng)的特征向量為W=[0.467 3，0.277 2，0.095 4，0.160 1]Τ，CI=0.05，RI=0.90，CR=0.05/0.90=0.056＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

評(píng)判矩陣B3-C的最大特征值λmax=4.010 4，其對(duì)應(yīng)的特征向量為W=[0.423 6，0.227，0.227，0.122 4]Τ，CI=0.003 5，RI=0.90，CR=0.003 5/0.90=0.004＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

由此得到路基凍害各指標(biāo)權(quán)重見表6。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)計(jì)算得到的路基凍害各指標(biāo)權(quán)重值，以權(quán)重最低者即道砟污染權(quán)重值0.037 為基準(zhǔn)，建立指標(biāo)間相對(duì)數(shù)值關(guān)系，參考鐵總運(yùn)〔2015〕60 號(hào)《高速鐵路路基修理規(guī)則》、鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》和TB/T 2818—2016《鐵路路基病害分類及評(píng)定》規(guī)范，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重，得出評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，見表7。

表7 寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

按照表7 的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)寒區(qū)鐵路有砟軌道路基的實(shí)際情況進(jìn)行打分，在滿分100 分的基礎(chǔ)上根據(jù)不同指標(biāo)的不同狀態(tài)進(jìn)行扣分，最終用得分情況評(píng)價(jià)區(qū)間范圍內(nèi)鐵路有砟軌道路基凍害的狀態(tài)。85（含）～100 分可認(rèn)為路基處于安全狀態(tài)，產(chǎn)生凍害的概率較低；60（含）～85分表示路基處于中等風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生凍害的概率較大，需比對(duì)扣分項(xiàng)，有針對(duì)性地開展凍害整治；60 分以下的路基處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，路基已出現(xiàn)較嚴(yán)重的凍害或有極大的概率會(huì)產(chǎn)生凍害，應(yīng)立即采取處置措施。

3 結(jié)語

采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)一段寒區(qū)鐵路路基含水率進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)含水率分布里程和凍害處所關(guān)聯(lián)度在77.92%以上，并且Ⅰ級(jí)含水率與凍害處所分布的關(guān)聯(lián)度大于Ⅱ級(jí)含水率的關(guān)聯(lián)度。結(jié)合主觀和客觀評(píng)估方法，建立了適用于寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害的評(píng)估指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重以及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。通過基于雷達(dá)檢測(cè)的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評(píng)估技術(shù)，可為將鐵路路基凍害的整治由“事后修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑靶蕖碧峁┘夹g(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)鐵路路基凍害的“冬病夏治”奠定基礎(chǔ)。