基于車載探地雷達(dá)的重載鐵路道床臟污指數(shù)提取研究

朱德兵,高 堤,秦懷兵,孔 波,肖志宇

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長沙 410083； 2.有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410083； 3.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北肅寧 062356)

引言

近年來，隨著我國重載鐵路列車運(yùn)行密度和運(yùn)量逐漸增大，線路運(yùn)營條件也變得愈加復(fù)雜。道砟在列車荷載的長期作用下會出現(xiàn)破碎和粉化，另外，列車上粉煤灰或外界風(fēng)沙揚(yáng)塵灌入散體道床空隙，都會造成道床臟污[1-3]。研究表明，臟污介質(zhì)與水作用后會引發(fā)道床板結(jié)、翻漿冒泥等病害，導(dǎo)致軌道不均勻沉降，影響列車運(yùn)行安全[4-5]。為保證道床清潔，需定期對道床污染較為嚴(yán)重地段進(jìn)行清篩。由于重載鐵路上粉煤灰顆粒于道床間自上而下漸進(jìn)沉積，依靠傳統(tǒng)目測法或開挖方式獲取鐵路道床臟污信息存在局限性[6]，無法滿足現(xiàn)實(shí)探測要求。

車載探地雷達(dá)以80 km/h的速度快速連續(xù)采集鐵路道床高頻電磁激勵(lì)響應(yīng)信號，通過響應(yīng)信號反映道床介電常數(shù)差異，具有高效無損的特點(diǎn)。近年來，基于探地雷達(dá)開展道床臟污率提取研究在國內(nèi)外方興未艾。秦懷兵(2015)介紹了朔黃鐵路公司利用英國Zetica4通道探地雷達(dá)和Zarp雷達(dá)處理軟件在國內(nèi)首次集成了路基道床檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于對道床臟污指數(shù)、厚度等定量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行檢測，并將其探索性地應(yīng)用于評價(jià)道床清篩質(zhì)量和對清篩后道床臟污發(fā)展情況進(jìn)行跟蹤分析[7]。Anbazhagan P等(2016)利用不同頻率的雷達(dá)天線對不同臟污介質(zhì)的模型和鐵軌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)臟污介質(zhì)含量增加會使得電磁波速度降低和介電常數(shù)增加，并且鐵礦石污染的道床介電常數(shù)最大，煤灰次之，破碎道砟最小[8]。Ciampoli L B等(2016)使用地面耦合多通道雷達(dá)(600 MHz和1 600 MHz中心頻率天線)和3個(gè)空中發(fā)射雷達(dá)系統(tǒng)(1 000 MHz和2 000 MHz中心頻率天線)探測了不同污染程度的道砟，對探測結(jié)果分別從時(shí)間域和頻率域進(jìn)行觀測，提出了信號頻譜的形狀和道砟臟污率相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]。雷文太等(2017)發(fā)明了一種運(yùn)用探地雷達(dá)反演鐵路道床不潔率的方法，通過對預(yù)處理后的雷達(dá)剖面數(shù)據(jù)按照鐵軌里程區(qū)間進(jìn)行分段成像，在每一個(gè)分段區(qū)間內(nèi)，將某一設(shè)定深度區(qū)間成像結(jié)果的能量值作為該里程點(diǎn)對應(yīng)的路基道床不潔率，最后將分段區(qū)間中各里程點(diǎn)對應(yīng)的不潔率進(jìn)行平均，將此平均值作為分段區(qū)間道床不潔率的估計(jì)值[10]。章游斌等(2018)按質(zhì)量百分比對以粉煤灰作為臟污介質(zhì)的道床進(jìn)行級配，利用速度法測得道床臟污率與平均介電常數(shù)呈線性正相關(guān)，可用于指導(dǎo)臟污道床介電常數(shù)的預(yù)測和評估[11]。BRIAN E等(2019)研究了不同臟污程度和含水量的道床對探地雷達(dá)電磁波信號的散射和反射影響，提出了一種基于中心頻率為2 GHz探地雷達(dá)散射能量時(shí)程來測量干凈道砟厚度的方法，作為反映道床整體污染狀況的一個(gè)指標(biāo)，并通過現(xiàn)場樣品進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。郄錄朝等(2020)利用自主研制的滲透儀器研究了道床臟污對道床滲透性能的影響機(jī)制，對道床臟污程度按照滲透性能劃分臟污等級，并對應(yīng)給出了清篩建議[13]。Fiseha N B等開發(fā)出了一種探地雷達(dá)裝置并提出自動(dòng)測量道砟層厚度的算法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置較常規(guī)裝置相比可有效消除噪聲，并且所提出的算法與該探地雷達(dá)裝置相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確地確定道砟厚度[14]。

試驗(yàn)研究表明，重載鐵路煤運(yùn)專線道床臟污介質(zhì)質(zhì)量百分比與其介電常數(shù)呈線性正相關(guān)[11]，作為一種間接手段，車載探地雷達(dá)可以檢測運(yùn)營線路道床臟污質(zhì)量，為道床清篩決策提供依據(jù)。由于煤運(yùn)專線路基、橋梁、隧道等典型線路環(huán)境不同導(dǎo)致道砟臟污狀態(tài)和雷達(dá)測試信號存在一定差異，不同線路下道床臟污程度差別較大，隧道地段普遍比橋梁、線路上臟污更為嚴(yán)重，且橋梁地段存在護(hù)軌影響，會對雷達(dá)檢測信號產(chǎn)生干擾。因此，針對不同線路特點(diǎn)開展道床臟污率提取研究，將為更精確地獲取道床臟污狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬不同線路下道床雷達(dá)信號響應(yīng)

由于電磁波具有高頻特征，其波長較短，容易被介質(zhì)吸收衰減，另外實(shí)際情況中道床路基結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且外界電磁干擾較多，使得實(shí)測雷達(dá)剖面信噪比大打折扣。因此，利用數(shù)值模型來模擬復(fù)雜形體存在時(shí)的雷達(dá)響應(yīng)，獲取道床不潔率與雷達(dá)波時(shí)域波形的聯(lián)系，對建立二者之間的相關(guān)關(guān)系具有重要指導(dǎo)意義。

1.1 基于時(shí)域有限差分法的GPRMAX正演模擬理論

目前探地雷達(dá)數(shù)值模擬最常用的軟件是GPRMAX2D，其核心算法是時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)，該軟件具有建模簡單、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)[15]。時(shí)域有限差分算法起源于1996年YEE K[16]發(fā)表的著名論文，其思想是把關(guān)于時(shí)間變量的兩個(gè)Maxwell旋度方程轉(zhuǎn)化為差分形式，通過Yee氏單元將空間離散化，在微小體積和時(shí)間內(nèi)對連續(xù)電磁場進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)電磁學(xué)理論，高頻電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律服從Maxwell方程組。Maxwell方程組描述了電磁場各介質(zhì)參數(shù)之間的相互關(guān)系，為探地雷達(dá)探測原理提供了重要理論基礎(chǔ)。其表現(xiàn)形式為

(1)

(2)

(3)

(4)

以上即為Maxwell方程組的微分形式。

在使用時(shí)域有限差分法時(shí)，數(shù)值模擬的不穩(wěn)定性將會導(dǎo)致在解顯式差分方程時(shí)，模擬運(yùn)算結(jié)果會隨著時(shí)間步長迭代次數(shù)增大而無限制地增大[17]。因此，為規(guī)避這種不穩(wěn)定性，空間步長Δx、Δy、Δz和時(shí)間步長Δt的取值不能互相獨(dú)立，必須滿足一定關(guān)系，即

(5)

式(5)即為FDTD算法數(shù)值解的穩(wěn)定性條件[18]。令該式中的Δz→∞時(shí)，即為二維電磁場的穩(wěn)定條件。

同時(shí)，在使用FDTD對Maxwell旋度方程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，寬頻脈沖激勵(lì)波傳播速度會隨著頻率變化而發(fā)生變化，并且這種變化是由于網(wǎng)格離散化和電磁波傳播方向改變引起的，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差，這種現(xiàn)象稱為數(shù)值模擬中的色散現(xiàn)象[17]。因此，離散步長與電磁波在模型中的最小傳播波長必須滿足一定關(guān)系，才能消除計(jì)算精度受數(shù)值色散誤差的影響，其關(guān)系式為

(6)

式中，λ為模擬區(qū)域內(nèi)最小傳播波長值。

1.2 數(shù)值模擬不同線路下雷達(dá)響應(yīng)

正演模擬是研究雷達(dá)波在不同線路下臟污道床中傳播特性的有力手段，針對路基、橋梁、隧道等線路路基結(jié)構(gòu)，建立符合其物性特征的模型是數(shù)值模擬工作的基礎(chǔ)。非橋涵重載鐵路路基自上而下分別由道床、基床和路基構(gòu)成，對于路基、橋梁、隧道等不同線路下鐵路路基結(jié)構(gòu)來說，其區(qū)別主要在于基床層，其中路基的基床層填充材質(zhì)為砂黏土，隧道仰拱的填充材質(zhì)為素混凝土，含有極少鋼筋；橋梁梁體處由鋼筋密度較大的混凝土構(gòu)成，其相對介電常數(shù)更高。由于粉煤灰于道床間自上而下漸進(jìn)沉積，使得道床層相對介電常數(shù)具有垂向差異，因此建立數(shù)值模型時(shí)應(yīng)對道床進(jìn)行分層。為簡化分析，不考慮降雨、降雪以及其他諸如砂土等不同臟污成分對道床介電常數(shù)的影響，建立如圖1所示的3層鐵路路基模型，通過改變基床層和臟污道砟層的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)對不同線路不同臟污程度時(shí)的道床雷達(dá)響應(yīng)信號模擬研究。

圖1 正演模型

本次數(shù)值模擬模型沿鐵軌方向長度為21 m，自上而下介質(zhì)分布為空氣層(0.3 m)、新鮮道砟層(0.1 m)、臟污道砟層(0.3 m)、基床層(2.0 m)共3層介質(zhì)。數(shù)值模型中共設(shè)有25根混凝土枕木，規(guī)格為0.22 m×0.16 m，枕木之間的間距為0.56 m，并均勻分布在道床表層。正演時(shí)，選用完全匹配層(Perfectly Matched Layer，PML)作為邊界條件，層數(shù)為8，激勵(lì)信號源為雷克子波，雷達(dá)天線置于道床表面上方0.3 m處，并從左到右依次完成探測掃描。每種線路下正演模型參數(shù)如表1所示，介質(zhì)電性參數(shù)如表2所示。

表1 模型參數(shù)

表2 介質(zhì)電性參數(shù)

基于道床相對介電常數(shù)與臟污率呈線性正相關(guān)[11]，在不同線路環(huán)境下，通過將臟污程度逐漸增大直至泥化后的臟污道砟層相對介電常數(shù)分別設(shè)置為8，10，12，14，16，來模擬不同臟污程度下的雷達(dá)信號響應(yīng)。對于正演模擬得到的不同線路環(huán)境下的雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面，利用朱德兵提出的道床臟污率提取算法[19]進(jìn)行處理，得到不同線路環(huán)境時(shí)不同臟污程度下，道床雷達(dá)信號功率譜響應(yīng)曲線，通過計(jì)算功率譜曲線在主頻區(qū)段內(nèi)的包絡(luò)面積，并對功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值與道床介電常數(shù)進(jìn)行擬合，可以得到不同線路環(huán)境不同臟污程度下道床臟污指數(shù)與相對介電常數(shù)(道床臟污率)之間的相關(guān)關(guān)系。

路基環(huán)境下的正演模擬結(jié)果如圖2(a)所示，利用臟污率提取算法[19]處理時(shí)，將功率譜響應(yīng)計(jì)算時(shí)間窗口T取為16 ns，通過對計(jì)算得到的功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值與道床相對介電常數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2(b)和圖2(c)所示?？梢钥闯?，功率譜曲線包絡(luò)面積值及振幅最大值均勻分布在擬合曲線的近旁或坐落在擬合曲線上，說明以功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值構(gòu)成的道床臟污指數(shù)與道床相對介電常數(shù)呈線性正相關(guān)，即隨著臟污道床相對介電常數(shù)增加，所獲得的道床臟污指數(shù)也隨之呈線性增加。

圖2 路基環(huán)境下正演結(jié)果

橋梁環(huán)境下不同臟污程度道床雷達(dá)響應(yīng)信號的正演模擬結(jié)果如圖3(a)所示，利用臟污率提取算法[19]處理時(shí)，為研究梁體反射信號對計(jì)算結(jié)果的影響，通過分別計(jì)算橋梁梁體截?cái)嗲昂罄走_(dá)信號功率譜響應(yīng)和對應(yīng)的功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值，并將其與道床介電常數(shù)值進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3(b)和圖3(c)所示。可以看出，當(dāng)計(jì)算時(shí)間窗口中包含橋梁梁體反射信號時(shí)，由功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值構(gòu)成的道床臟污指數(shù)與相對介電常數(shù)值無法對應(yīng)，二者之間均無正相關(guān)規(guī)律。從對截?cái)鄻蛄毫后w反射信號后的擬合結(jié)果可以看出，道床臟污指數(shù)與相對介電常數(shù)呈線性正相關(guān)，即隨著道床臟污水平(相對介電常數(shù))逐漸增大，所獲得的功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值也隨之增加，說明梁體反射信號對雷達(dá)整體響應(yīng)信號產(chǎn)生了干擾，截?cái)嗪笈K污指數(shù)與道床介電常數(shù)對應(yīng)更好。

圖3 橋梁環(huán)境下正演結(jié)果

隧道環(huán)境下的正演模擬結(jié)果如圖4(a)所示，利用臟污率提取算法[19]處理過程中，通過分別計(jì)算隧道仰拱反射信號截?cái)嗲昂蟮墓β首V響應(yīng)和道床臟污指數(shù)，并對兩種臟污指數(shù)與道床相對介電常數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4(b)和圖4(c)所示?？梢钥闯?，無論是否截?cái)嗨淼姥龉暗姆瓷湫盘枌Φ来才K污指數(shù)與介電常數(shù)的擬合規(guī)律無影響，仰拱信號截?cái)嗲昂蠖呔收嚓P(guān)，即隨著道床臟污程度(相對介電常數(shù))逐漸增大，所獲得的功率譜響應(yīng)曲線振幅最大值或包絡(luò)面積值也逐漸增加。從擬合效果上來看，相對于振幅最大值，功率譜曲線包絡(luò)面積與相對介電常數(shù)之間線性關(guān)系更好，更有利于道床臟污水平預(yù)測和評估。

2 現(xiàn)場測試不同線路挖驗(yàn)點(diǎn)雷達(dá)信號響應(yīng)

通過人工挖驗(yàn)方式獲取不同線路下(路基、橋梁、隧道)道床煤灰質(zhì)量百分比數(shù)據(jù)，建立其與現(xiàn)有探地雷達(dá)系統(tǒng)測得道床臟污水平相關(guān)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，確定不同線路下道床臟污特征，為制定合理的道床清篩計(jì)劃提供依據(jù)。試驗(yàn)所用儀器為中礦華安能源生產(chǎn)的GR-Ⅳ型探地雷達(dá)，作業(yè)方式為人工拖行，采用等時(shí)采樣模式，雷達(dá)天線中心頻率為400 MHz，天線時(shí)域?yàn)?5 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512。試驗(yàn)作業(yè)時(shí)，采用機(jī)械支架固定天線，使天線在鐵軌上方的水平位置和高度與車載探地雷達(dá)一致。

圖4 隧道環(huán)境下正演結(jié)果

在朔黃線上根據(jù)所選挖驗(yàn)地點(diǎn)天窗時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場，檢測員在開挖前用便攜式探地雷達(dá)跟蹤一段距離采集雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將挖驗(yàn)點(diǎn)位置在雷達(dá)剖面上進(jìn)行打標(biāo)，得到包含各挖驗(yàn)點(diǎn)在內(nèi)的一段雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面。測量完成后，在各挖驗(yàn)點(diǎn)位置將長度和寬度為枕盒范圍、深度為軌枕底面以下300 mm范圍內(nèi)的道砟挖出，裝入編織袋，按實(shí)際挖出量稱石砟質(zhì)量。一篩將道砟過25 mm篩，篩出污土另裝編織袋并稱重；二篩將污土過16 mm篩，篩出污土另裝編織袋并稱重；三篩將污土過10 mm篩，篩出污土另裝編織袋并稱重；四篩將三篩的污土帶回，用5 mm篩洗，將剩余污土?xí)窀煞Q重，做差求出5 mm以下粒徑污土質(zhì)量，根據(jù)污土質(zhì)量和石砟總質(zhì)量比值算得不同孔徑規(guī)格下的臟污率，實(shí)際現(xiàn)場施工過程如圖5所示。

圖6 路基環(huán)境下挖驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

2.1 路基線路上挖驗(yàn)點(diǎn)雷達(dá)信號響應(yīng)結(jié)果

路基環(huán)境下道床臟污情況整體好于橋梁和隧道地段，即便是臟污較為嚴(yán)重的路段，在道床表面也幾乎很少看到粉煤灰等臟污介質(zhì)，粉煤灰大部分已經(jīng)沉積到道床內(nèi)部。通過選取上行線某次路基環(huán)境下挖驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行分析，原始雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面如圖6(a)所示，該剖面中共有4個(gè)挖驗(yàn)點(diǎn)?？梢钥闯?，由于存在直耦波和鋼軌反射等信號干擾，原始剖面中存在多條水平同相軸，同相軸下方仍然存在著軌枕干擾信號，造成道床層內(nèi)和底界面反射信息不易識別，利用平均道去背景和小波變換可分別去除直耦波、鋼軌反射和枕木繞射信號的干擾。針對濾波后的雷達(dá)二次剖面，采用5 m作為分段間距，時(shí)間計(jì)算窗口取為10 ns，計(jì)算每個(gè)挖驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)段內(nèi)的平均信號功率譜響應(yīng)和各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線在主頻區(qū)段內(nèi)包絡(luò)面積。最后，對各挖驗(yàn)點(diǎn)道床臟污指數(shù)和臟污率進(jìn)行曲線擬合，所得結(jié)果如圖6(b)和圖6(c)所示?？梢钥闯?，各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線振幅最大值或包絡(luò)面積值均勻分布在曲線兩側(cè)，且隨著臟污率值增大而增大，表明各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線振幅最大值或包絡(luò)面積值與臟污率呈正相關(guān)，這與路基環(huán)境下的數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致。

圖5 挖驗(yàn)試驗(yàn)現(xiàn)場

2.2 橋梁線路上挖驗(yàn)點(diǎn)雷達(dá)信號響應(yīng)結(jié)果

為防止列車在橋梁上脫軌，一般采用在基本軌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)護(hù)軌的方式，將脫軌車輪限制在基本軌與護(hù)軌之間的輪緣槽[20]。由于護(hù)軌是鋼鐵材料，電磁波在其表面會產(chǎn)生強(qiáng)反射，從而對道床層內(nèi)臟污介質(zhì)的反射信號產(chǎn)生干擾。選取上行線上某次橋梁挖驗(yàn)時(shí)的雷達(dá)剖面進(jìn)行分析，該剖面中共有7個(gè)挖驗(yàn)點(diǎn)。原始雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面如圖7(a)所示，可以看出，剖面中同時(shí)存在直耦波、鋼軌、護(hù)軌等引起的多條反射波同相軸，另外，枕木的繞射也影響著道床反射信號的識別。利用臟污率提取算法[19]對雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行處理時(shí)，通過分析截?cái)鄻蛄毫后w反射信號前后的功率譜響應(yīng)結(jié)果，計(jì)算兩種情況下相應(yīng)的道床臟污指數(shù)，對各挖驗(yàn)點(diǎn)道床臟污指數(shù)與臟污率進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖7(b)、圖7(c)所示?？梢钥闯觯?cái)鄻蛄毫后w反射信號后，各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值與道床臟污率對應(yīng)更好，二者正相關(guān)性更明顯。原因在于橋梁梁體內(nèi)鋼筋密集，其反射或散射雷達(dá)信號對整體數(shù)據(jù)有影響，通過確定雷達(dá)剖面中道床底部反射同相軸對應(yīng)的雙程旅行時(shí)間，將該時(shí)刻之后的雷達(dá)信號進(jìn)行截?cái)?，然后?jì)算功率譜響應(yīng)，即可得到消除梁體反射影響后的道床臟污指數(shù)。

圖7 橋梁環(huán)境下挖驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

2.3 隧道線路上挖驗(yàn)點(diǎn)雷達(dá)信號響應(yīng)結(jié)果

由于隧道呈管狀空間，列車在運(yùn)行、交會過程中會產(chǎn)生較強(qiáng)空氣對流，尤其在隧道的進(jìn)出口處，列車裝運(yùn)的粉煤灰被大量吹落，長此以往，使得該地段整體上道床臟污情況較為嚴(yán)重[21-22]。另外，隧道內(nèi)環(huán)境較為陰暗潮濕，如果不能實(shí)現(xiàn)有效排水，將會導(dǎo)致道床濕度增大。在隧道挖驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和道砟板結(jié)較為嚴(yán)重，隧道內(nèi)道床濕度較大。

選取上行線某次隧道挖驗(yàn)過程中測得的雷達(dá)剖面進(jìn)行分析，該剖面中共有5個(gè)挖驗(yàn)點(diǎn)。原始雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面如圖8(a)所示，可以看出，由于直耦波和軌枕的干擾，道床底界面的反射信息不易識別。分別利用平均道去背景和小波變換的方法對直耦波及軌枕干擾進(jìn)行壓制，對于濾波后的雷達(dá)二次剖面，采用5 m作為各挖驗(yàn)點(diǎn)分段間距窗口并對各窗口內(nèi)信號進(jìn)行平均，通過計(jì)算截?cái)嗨淼姥龉靶盘柷昂蟮墓β首V響應(yīng)及主頻區(qū)間內(nèi)功率譜曲線包絡(luò)面積，對各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線包絡(luò)面積或振幅最大值進(jìn)行曲線擬合，得到如圖8(b)和圖8(c)所示結(jié)果。可以看出，與正演模擬結(jié)果相吻合，仰拱信號截?cái)嗲昂蟮来才K污指數(shù)與臟污率擬合結(jié)果一致，均表現(xiàn)為各挖驗(yàn)點(diǎn)功率譜曲線振幅最大值或包絡(luò)面積與臟污率呈正相關(guān)。說明在隧道環(huán)境下提取道床臟污指數(shù)時(shí)，可類似路基環(huán)境下計(jì)算方法進(jìn)行處理，無需截?cái)嘌龉靶盘?。因?yàn)樗淼姥龉盀樗鼗炷粱蚝袠O少鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，其介電常數(shù)值與路基基床層相差甚微，故而可以采用相同方法進(jìn)行計(jì)算。

圖8 隧道環(huán)境下挖驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

利用車載探地雷達(dá)可以快速、連續(xù)采集鐵路道床高頻電磁激勵(lì)響應(yīng)信號，通過響應(yīng)信號反映道床介電常數(shù)差異，從而間接檢測運(yùn)營線路道床臟污質(zhì)量。由于煤運(yùn)專線路基、橋梁、隧道等線路環(huán)境不同，導(dǎo)致道砟臟污狀態(tài)和雷達(dá)測試信號存在一定差異。通過針對性研究不同線路下道床雷達(dá)響應(yīng)信號，根據(jù)數(shù)值模擬和探地雷達(dá)在不同線路現(xiàn)場測試結(jié)果，主要結(jié)論如下。

(1)重載鐵路上路基、橋梁、隧道3種線路環(huán)境下，以功率譜曲線振幅最大值或包絡(luò)面積構(gòu)成的道床臟污指數(shù)與道床臟污率均呈正相關(guān)，這為全線提取道床臟污率奠定了基礎(chǔ)。

(2)利用道床臟污率提取算法對不同線路環(huán)境下雷達(dá)信號計(jì)算道床臟污指數(shù)時(shí)需要求同存異，對于橋梁環(huán)境下的雷達(dá)信號，計(jì)算功率譜響應(yīng)時(shí)需截?cái)鄷r(shí)間窗口中的梁體反射信號，對于隧道環(huán)境下的雷達(dá)數(shù)據(jù)，可類似于路基線路進(jìn)行臟污指數(shù)計(jì)算，無需截?cái)鄷r(shí)間窗口中的仰拱或基床層反射信號。

(3)本文相關(guān)方法同樣適用于普鐵和煤礦運(yùn)專線道床臟污狀態(tài)評估，在不同環(huán)境或臟污介質(zhì)中可按照同樣方法建立起相關(guān)關(guān)系。