GPR技術(shù)在北同蒲線路基塌陷探測(cè)中的應(yīng)用

胡在良 劉歡 杜翠

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵科檢測(cè)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.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

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）技術(shù)是基礎(chǔ)設(shè)施成像中最常用的近地表地球物理方法之一。該技術(shù)在鐵路路基勘察中的應(yīng)用研究主要集中在道砟臟污、鐵路沿線的翻漿冒泥分布［1］、結(jié)構(gòu)面起伏以及車載探地雷達(dá)領(lǐng)域［2-3］。GPR技術(shù)數(shù)據(jù)采集快速，現(xiàn)場(chǎng)反饋及時(shí)，能有效地識(shí)別結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變化。根據(jù)GPR系統(tǒng)帶寬的不同，其圖像分辨率能達(dá)到厘米量級(jí)。鐵路路基塌陷探測(cè)手段有多種方法，如探地雷達(dá)法、瞬態(tài)面波法、高密度電阻率法、輕型動(dòng)力觸探法、土工試驗(yàn)法、挖探法［4］等，但是在鐵路路基塌陷搶險(xiǎn)中要求探測(cè)手段不能破壞路基結(jié)構(gòu)且需及時(shí)提供探測(cè)結(jié)果，所以GPR技術(shù)作為一種高效快速無損檢測(cè)方法常應(yīng)用在鐵路路基搶險(xiǎn)探測(cè)中。本次探測(cè)段線路位于北同蒲線忻州—太原區(qū)間，近兩年間線路K299+950—K325+051區(qū)間內(nèi)發(fā)生塌陷，均為道路工人巡檢過程發(fā)現(xiàn)，具體的地下塌陷范圍不詳。為保證通車正常，幾處塌陷均采用了道砟充填的方式應(yīng)急處理。

1 GPR技術(shù)原理及測(cè)線布置

探地雷達(dá)信號(hào)是電磁波，以波的形式通過物質(zhì)內(nèi)部。構(gòu)成材料的土壤、巖石、混凝土通常是由多種成分混合而成，被認(rèn)為是有損耗的介質(zhì)。路基土壤中含有礦物顆粒、空氣、水以及生物，其中的電荷遷移率是可變的，但由于受到限制從而會(huì)產(chǎn)生極化行為，定義了整體物質(zhì)的介電性能和電導(dǎo)率。道砟底面裂損時(shí)，空隙里含有空氣或水，而空氣、水與基床土、地基土、基巖的介電常數(shù)存在較大的差異［5］。GPR 系統(tǒng)通常在0.01 ～ 2 GHz 頻率內(nèi)工作。在0.01 ～ 0.1 GHz 內(nèi)的GPR 天線適合于對(duì)幾十米深度的地下物體進(jìn)行成像；在0.1～1 GHz 內(nèi)的GPR 天線適用于道路與鐵路的路基的檢測(cè)；1～2 GHz內(nèi)的GPR天線適用于隧道襯砌和建筑結(jié)構(gòu)的厘米級(jí)的評(píng)估。

本次檢測(cè)區(qū)段為上下行線共線，在鐵路沿線左右砟肩及道心各布置了1 條測(cè)線，路肩布置1 條測(cè)線，共布置8條測(cè)線。

2 GPR數(shù)據(jù)處理與解釋

GPR 數(shù)據(jù)是通過脈沖電磁波的反射回波得到的，由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)電磁波不同程度的吸收和反射，以及介質(zhì)的不均勻性等因素，使得GPR 脈沖返回接收天線時(shí)波幅減少，反射波波形也與發(fā)射波形有較大變化。此外，不同程度的干擾波和隨機(jī)噪聲也會(huì)降低實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比。因此，通過壓制干擾突出有用信號(hào)來改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，為最終異常缺陷的解釋提供清晰的探地雷達(dá)圖像。本次GPR 數(shù)據(jù)采用專業(yè)的探地雷達(dá)處理分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行資料處理、分析和解釋。數(shù)據(jù)流程為：數(shù)據(jù)輸入→刪除壞道→標(biāo)記分割→背景濾波→帶通濾波→增益→時(shí)深轉(zhuǎn)換→圖形編輯→輸出剖面圖。

探地雷達(dá)反射波反射系數(shù)的大小由相應(yīng)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的差異決定。介電常數(shù)的差異越大反射系數(shù)越大，探測(cè)效果越好。

根據(jù)探地雷達(dá)圖像中反射波的強(qiáng)弱、波形等特征判斷地下空洞、不密實(shí)、含水區(qū)域等情況。當(dāng)路基完好時(shí)，在GPR 圖像上基床頂反射面信號(hào)較強(qiáng)、同相軸連續(xù)；當(dāng)路基出現(xiàn)空洞時(shí)，雷達(dá)圖像上有明顯的繞射波；當(dāng)路基中有道碴陷槽時(shí)，在雷達(dá)圖像上反射波強(qiáng)烈，與周圍具有明顯差異，同相軸連續(xù)、層次分明；當(dāng)路基中有溶蝕破碎時(shí)，在雷達(dá)圖像上不僅反射信號(hào)較強(qiáng)，而且同向軸不連續(xù)，層次錯(cuò)亂；當(dāng)路基中有節(jié)理發(fā)育時(shí)，在雷達(dá)圖像上反映為反射信號(hào)較強(qiáng)，且同相軸連續(xù)、層次分明；當(dāng)路基含水時(shí)，含水區(qū)域在雷達(dá)圖像上反映為反射信號(hào)較強(qiáng)，頻率較低且連續(xù)性強(qiáng)［10］。

3 異常結(jié)果分析

3.1 K299+945—K299+961區(qū)段檢測(cè)異常分析

該段區(qū)間分別在上行線路肩、上行線道心、上行線左右砟肩以及下行線路肩、下行線道心、下行線左右砟肩布設(shè)了測(cè)線。上行線涵洞里程為K299+946—K299+954，下行線涵洞里程為K299+952—K299+960。上行線右砟肩里程K299+945—K299+961 雷達(dá)剖面見圖1。可知，道砟厚度約為0.7 cm，K299+956—K299+957 范圍深度1.1 m 位置出現(xiàn)雷達(dá)波形結(jié)構(gòu)較為雜亂、不規(guī)則，反射信號(hào)能量有變化，同相軸不連續(xù)，推測(cè)路基本體可能出現(xiàn)不密實(shí)情況。K299+945—K299+961 下行線路肩雷達(dá)剖面見圖2?？芍?，涵洞下方深度在30 cm 開始，同相軸從小里程到大里程方向下沉，是由涵洞基礎(chǔ)質(zhì)量較差導(dǎo)致的。K299+945—K299+961下行線右砟肩雷達(dá)剖面見圖3?？芍?，涵洞兩側(cè)K299+950 及K299+956 位置深度同相軸在70 cm 出現(xiàn)嚴(yán)重下沉，下沉量達(dá)60 cm。主要由于季節(jié)性降雨較大且土質(zhì)不良的因素嚴(yán)重影響了路基的質(zhì)量與穩(wěn)定性。

圖1 K299+945—K299+961上行線右砟肩GPR剖面

圖2 K299+945—K299+961下行線路肩GPR剖面

圖3 K299+945—K299+961下行線右砟肩GPR剖面

3.2 K307+272—K307+291區(qū)段檢測(cè)異常分析

該段區(qū)間在上行線路肩布設(shè)了1 條測(cè)線，上行線涵洞里程為K307+280—K307+285。K307+272—K307+291上行線路肩雷達(dá)剖面見圖4?？芍?，道砟厚度約為0.7 cm，上行線涵洞兩側(cè)路涵連接處K307+280及K307+285位置同相軸斷裂，原因?yàn)楹郴靥钔翂簩?shí)質(zhì)量較差，隨著列車反復(fù)荷載作用，路基越來越軟，填料在雨水作用下被沖走，出現(xiàn)空洞。

3.3 K324+260—K324+280區(qū)段檢測(cè)異常分析

該段區(qū)間在下行線道心、下行線左右砟肩、下行線路肩以及上行線路肩共布設(shè)了5條測(cè)線。

K324+260—K324+280 下行線路肩雷達(dá)剖面見圖5?？芍?，下行線路肩里程從K324+268開始同相軸下沉明顯，向小里程方向淺部與深部均出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，K324+264 為下沉最大位置，推測(cè)K324+270位置路基土向K324+264 位置流失，從而導(dǎo)致出現(xiàn)路基塌陷現(xiàn)象。

圖5 K324+260—K324+280下行線路肩GPR剖面

3.4 K325+011—K325+051區(qū)段檢測(cè)異常分析

該段區(qū)間在上行線道心以及左右砟肩共布設(shè)了3條測(cè)線。K325+011—K325+051 上行線左砟肩雷達(dá)剖面見圖6?？芍?，道砟厚度約為0.7 cm，上行線線路中心里程K325+042 深度1.2 m 位置出現(xiàn)雷達(dá)反射信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化出現(xiàn)明顯異常，邊界伴隨繞射現(xiàn)象，疑似為黃土陷穴。

圖6 K325+011—K325+051上行線左砟肩GPR剖面

4 結(jié)語

此次檢測(cè)四個(gè)區(qū)段，道砟厚度普遍在0.6～0.7 m；K299+945—K299+961 路涵連接處出現(xiàn)嚴(yán)重下沉，涵洞基礎(chǔ)質(zhì)量較差；K307+272—K307+291 路涵連接處出現(xiàn)肉眼可見的空洞，與回填土壓實(shí)質(zhì)量較差有關(guān)；K324+260—K324+280 下行線路肩淺部與深部出現(xiàn)不均勻沉降，推測(cè)K324+270位置路基土向K324+264位置流失，導(dǎo)致路基塌陷；K325+011—K325+051 區(qū)段上行線路中心里程K325+042 下方疑似有黃土陷穴。GPR 技術(shù)在北同蒲線路基塌陷搶險(xiǎn)中發(fā)揮了重要作用，該技術(shù)在路基病害快速檢測(cè)探測(cè)方面的應(yīng)用前景廣闊。