基于車載探地雷達技術(shù)的碎石道床檢測數(shù)據(jù)的應(yīng)用探討

劉恒柏 江波 瞿起明 李耀南

中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081

截止2020年底，全國鐵路營業(yè)里程達到14.6萬km，其中既有線10.8萬km，既有線及高速鐵路局部區(qū)段的道床均為碎石道床。碎石道床作為軌枕、鋼軌的直接支撐體，將列車車輛荷載擴散、減小并傳遞給基床，使列車重復荷載作用下所產(chǎn)生的道床下沉、道砟和路基面應(yīng)力均不超過容許值，延緩軌道永久變形，還起到增加軌道彈性、隔離振動、減少噪聲、排水等作用［1］，其狀態(tài)決定列車運營的安全性與舒適性。

傳統(tǒng)手段檢測或巡查道床狀態(tài)時基本靠肉眼，道床表面污染物質(zhì)在風吹、雨淋或荷載傳遞過程中的道砟振動等作用下，逐步在道床內(nèi)部或下部積聚；基床中的細顆粒物質(zhì)在抽吸作用下會向道床翻冒并積聚，這些均難以被肉眼觀察，且道床臟污或翻漿冒泥的起始、終止里程及區(qū)段的總體道床狀態(tài)均難以被觀察確定。如何快速、準確地檢查道床病害，查明狀態(tài)不良區(qū)段，在有限的財力、物力、人力、時間條件下更加合理地安排清篩或養(yǎng)護維修計劃，是當前工務(wù)部門亟須解決的問題。

車載探地雷達技術(shù)具備數(shù)據(jù)容易連續(xù)獲取、快速、精度高、不干擾行車、易于操作實施、不破壞道床和軌道結(jié)構(gòu)等特點，在當前運輸繁忙、天窗點緊張、安全要求高的背景下，檢測速度可以達到120 km/h，能夠解決既有線道床狀態(tài)數(shù)據(jù)難以快速連續(xù)獲取的問題。本文基于2018年車載探地雷達對一既有線道床的檢測數(shù)據(jù)，分析道床病害檢測結(jié)果，獲取道床狀態(tài)信息，探討其在道床清篩或養(yǎng)護維修決策中的應(yīng)用價值。

1 車載探地雷達檢測方法與原理

1.1 檢測方法

本文車載探地雷達檢測系統(tǒng)搭載于中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所的WX25T999318隧道狀態(tài)檢查車（以下簡稱隧檢車，見圖1）上。天線頻率選用400 MHz（道砟表面以下探測深度能達到2 m以上，可以兼顧基床病害的探測），3個天線安裝于車底，分別對應(yīng)道心、兩側(cè)砟肩（3條測線）。檢測系統(tǒng)中雷達主機、采集計算機、同步單元等在檢測車廂內(nèi)布置。

圖1 WX25T999318隧道狀態(tài)檢查車及測線布置

1.2 檢測原理

檢測時天線隨著隧檢車的行駛而連續(xù)移動，發(fā)射天線向道床及基床發(fā)射電磁波，電磁波在道床、基床傳播的過程中遇到介電常數(shù)差異的介質(zhì)交界面時發(fā)生反射，被接收天線接收并轉(zhuǎn)儲于采集計算機上，反映道床狀態(tài)的不同介質(zhì)交界面反射信息均被記錄，通過對采集數(shù)據(jù)的處理、分析，獲知道床狀態(tài)信息。

2 數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

一既有線檢測時隧檢車接掛于普速旅客列車尾部，隨旅客列車同步行駛，檢測速度與其一致，最高可達120 km/h；采集道間距或步距設(shè)置為0.115 m，每道采樣點設(shè)置為512個，時窗設(shè)置為65 ns。

2.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析時同時分析道心、兩側(cè)砟肩3條測線，將道床病害分為道床臟污、道床翻漿冒泥，并拾取每處道床病害起始、終止里程（處理過程中通過路局提供橋梁、涵洞等設(shè)備臺賬里程進一步校正里程，確保與實際現(xiàn)場里程樁一致），結(jié)合長短鏈計算病害長度；由于橋梁與路基結(jié)構(gòu)不同，且存在護軌橋梁，其道心測線檢測數(shù)據(jù)受到干擾，為保證數(shù)據(jù)分析的客觀性，扣除橋梁區(qū)段，即本文結(jié)果為扣除橋梁后的道床檢測結(jié)果。

3 道床檢測結(jié)果

3.1 道床探地雷達圖像判釋與解譯結(jié)果驗證

道床臟污與翻漿冒泥由數(shù)據(jù)分析過程中對道床雷達圖像的判釋與解譯得出，其準確、可靠性影響道床檢測結(jié)果的準確、可靠性，為此須對其進行驗證。驗證時從解譯結(jié)果中抽選出代表性道床臟污與翻漿冒泥，在病害里程范圍內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況選點清挖道砟，觀察其實際道床狀態(tài)，核查解譯結(jié)果是否與實際狀態(tài)一致。在上海局、鄭州局、西安局管轄內(nèi)的線路上均進行了開挖驗證。

圖2為上海局管轄內(nèi)上行K261+330處道床現(xiàn)場開挖實況與雷達圖像。由圖2（a）可知：枕盒道砟在枕底深度附近，其孔隙全部被青色的污泥填充，近軌枕處積聚少量明水，道床臟污板結(jié)嚴重，下雨季節(jié)在水和列車荷載作用下將產(chǎn)生翻漿。由圖2（b）可知：道床表面至基床頂面深度范圍存在連續(xù)、起伏強反射同相軸，這代表清潔道砟與下伏泥砟混合體間的界面反射掩蓋了正常清潔道床與基床交界面的反射信號，造成其反射同相軸向淺層抬升的假象，此處被判釋為道床臟污。驗證結(jié)果表明道床探地雷達圖像判釋、解譯結(jié)果與現(xiàn)場實際一致，但道床病害歸類應(yīng)修正為道床翻漿冒泥。

圖2 上行K261+330道床現(xiàn)場開挖實況及雷達圖像

圖3為上海局管轄內(nèi)上行K333+900處道床現(xiàn)場開挖實況與雷達圖像。由圖3（a）可知：枕盒道砟在枕底深度附近，其孔隙被青色的細小顆粒填充但未被充滿，細小顆粒潮濕且不呈泥狀，表明道床已臟污。由圖3（b）可知：道床內(nèi)部存在雪花狀或絮狀的凌亂反射且連片出現(xiàn)（道床臟污導致道砟顆粒表面被對水有較強吸附能力的粉末或細小顆粒物包裹，電磁波在包裹面發(fā)生散射或衍射），道床與基床交界面反射同相軸不清晰，表明道床臟污嚴重，此處被判釋為道床臟污。驗證結(jié)果表明判釋、解譯結(jié)果與現(xiàn)場實際一致。

圖3 上行K333+900道床現(xiàn)場開挖實況與雷達圖像

總體上，道床探地雷達圖像判釋、解譯結(jié)果與現(xiàn)場實際一致，道床病害檢測結(jié)果準確、可靠，但少數(shù)點道床病害歸類須修正，極少數(shù)判釋不準確的點須根據(jù)現(xiàn)場開挖結(jié)果進行修正。

3.2 道床檢測結(jié)果及原因分析

為獲取該既有線總體道床狀態(tài)信息，對上、下行線各單處道床病害進行匯總統(tǒng)計，結(jié)果見表1。其中占比表示臟污累計長度占路基長度的比例?？芍荷闲芯€道床臟污占比為4.40%，道床翻漿冒泥占比為1.43%，合計道床病害占比為5.83%；下行線道床臟污占比為0.90%，道床翻漿冒泥占比為0.10%，合計道床病害占比為1.00%。該既有線道床病害總體占比小于6%，道床臟污占比明顯較道床翻漿冒泥高，且上下行差異較大。上行線道床臟污、翻漿冒泥、合計道床病害占比分別為下行線的4.9、14.3、5.8倍，表明該既有線上行線道床狀態(tài)明顯偏差。

表1 既有線上、下行線總體道床檢測結(jié)果

雷達圖像判釋、解譯過程中，針對上、下行線均普遍存在輕微道床臟污的情況，圖像分析時均僅對較嚴重的區(qū)段進行判釋和提取，另外上、下行線道床翻漿冒泥雷達圖像特征均非常明顯，不存在上、下行線判釋標準不統(tǒng)一的情況，即數(shù)據(jù)分析過程是客觀的，不會影響上、下行線道床病害占比差異。

道床臟污的主要原因有石砟破碎、軌枕磨損及臟污物質(zhì)由面層、底砟層、路基滲入等［2］；道床翻漿冒泥的主要原因有道床臟污、板結(jié)，基床土質(zhì)不良，養(yǎng)護作業(yè)不當，列車動力作用等［3-4］。道床臟污和翻漿冒泥的主要原因均直接或間接與鐵路運營時線路通行的列車及其荷載作用相關(guān)。該既有線鄭州北編組站向東（即上行）車流量（3 166列）明顯較向西（即下行）車流量（2 275列）大［5］，表明上行線較下行線通行列車數(shù)量明顯偏多、承受列車荷載作用明顯偏大，且上行線主要承擔大宗貨物煤炭、石油、原鹽等由西向東的運輸［6-9］。上、下行線道床病害占比差異與其運量差異一致。

4 道床檢測數(shù)據(jù)應(yīng)用探討

道床總體檢測結(jié)果對了解既有線全線道床狀態(tài)作用很大，單處道床病害結(jié)果對了解局部點狀態(tài)有用，但道床清篩或養(yǎng)護維修須進一步了解各鐵路區(qū)段的道床狀態(tài)信息。本文對上、下行線均按車站區(qū)間劃分鐵路區(qū)段，根據(jù)其分界里程進一步統(tǒng)計各區(qū)間道床臟污、翻漿冒泥及合計道床病害的數(shù)量、累計病害長度及其占比；上、下行線車站區(qū)間分別有167、162個，由于各車站區(qū)間路基長度不一致，為使各區(qū)間之間道床狀態(tài)的比較更具客觀性，采用各車站區(qū)間道床病害占比繪制分布圖進行比較，見圖4（5%以下區(qū)間未在分布圖中畫出）。

圖4 既有線車站區(qū)間道床病害占比分布

通過圖4可以快速、準確地識別出上、下行線道床病害占比較高即道床狀態(tài)較差的車站區(qū)間。例如占比超過35%的車站區(qū)間2個，即大廟—大湖、廟溝—張茅，其道床狀態(tài)最差，均分布在上行線；占比介于30%～35%的車站區(qū)間上行線2個，即觀音堂—廟溝、大許家—大廟，下行線1個，即洛陽東—洛陽，其道床狀態(tài)均很差。道床清篩或養(yǎng)護維修應(yīng)優(yōu)先上述區(qū)段進行。

為將檢測結(jié)果更好地應(yīng)用于道床清篩或養(yǎng)護維修決策，對各車站區(qū)間道床病害數(shù)據(jù)按5%的梯度區(qū)間依據(jù)占比從高到低進行細分統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 既有線不同梯度車站區(qū)間道床病害統(tǒng)計結(jié)果

通過表2可以快速、準確獲取不同道床狀態(tài)水平的車站區(qū)間數(shù)量、病害長度。道床清篩或養(yǎng)護維修中更加關(guān)注狀態(tài)不良區(qū)段的信息，通過采用占比從高到低的倒序方式，表2展示了道床狀態(tài)不同水平的車站區(qū)間數(shù)量、累計病害長度。工務(wù)管理部門在制定道床清篩或養(yǎng)護維修計劃時可參考表2數(shù)據(jù)，在不影響運輸生產(chǎn)任務(wù)完成的前提下，估算不同道床養(yǎng)護維修量需要調(diào)用的財力、物力、人力、天窗等，科學、合理地安排清篩或養(yǎng)護維修的車站區(qū)間、數(shù)量及其里程區(qū)段［10］，具備條件時可依據(jù)表2數(shù)據(jù)進行全線道床清篩或養(yǎng)護維修的統(tǒng)籌管理。

傳統(tǒng)上道床清篩依據(jù)五年內(nèi)計劃通過總重確定［11］，但在相同的達到道床清篩要求的通過總重下，不同里程區(qū)段道床由于運量、道砟材質(zhì)、路基填料類型與地質(zhì)條件、氣候、運營及養(yǎng)護維修管理等影響因素不同，其內(nèi)部實際狀態(tài)水平存在差異，部分區(qū)段狀態(tài)較差需要清篩，部分區(qū)段道床狀態(tài)較好不需要清篩；另外部分區(qū)段雖未達到道床清篩所要求的通過總重，但其道床狀態(tài)已變差，影響行車安全與舒適性，如果根據(jù)通過總重統(tǒng)一進行清篩會導致欠維修、過維修及相關(guān)資源浪費［10，12］。探地雷達檢測道床病害是通過電磁波探查道床內(nèi)部的實際狀態(tài)得出的結(jié)果，反映了道床的真實狀態(tài)水平，因此依據(jù)車載探地雷達碎石道床檢測結(jié)果（表2）制定道床清篩或養(yǎng)護維修計劃較傳統(tǒng)方式更加科學、合理。

5 結(jié)論與建議

1）該既有線上行道床狀態(tài)總體上較下行明顯偏差，主要原因為上行線運量較下行線明顯偏大。

2）對上、下行線分別繪制區(qū)間道床病害占比分布圖，可以快速、準確地識別出道床狀態(tài)最差、較差的區(qū)間，指出應(yīng)優(yōu)先進行道床養(yǎng)護維修的區(qū)間。

3）對上、下行線各車站區(qū)間的道床病害數(shù)據(jù)按5%梯度采用占比從高到低的倒序方式進行細分統(tǒng)計，可獲取道床狀態(tài)不同水平的車站區(qū)間數(shù)量、累計病害長度，用于指導道床清篩或養(yǎng)護維修計劃的制定，提高其科學性、合理性。

建議進行高頻如2 GHz天線檢測道床狀態(tài)的研究，提高檢測分辨率，彌補橋梁道床狀態(tài)檢測的不足，提高單處道床臟污、道床翻漿冒泥的量化程度，促進道床狀態(tài)評定由粗獷式定性分析轉(zhuǎn)為精準量化分析，促進道床大修從周期修、計劃修向狀態(tài)修、智能修和精準修的轉(zhuǎn)變。