無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)技術(shù)研究綜述

張建超，劉世川，田秀淑

（石家莊鐵道大學(xué)a.省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.機(jī)械工程學(xué)院，c.大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，石家莊 050043）

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路不斷地發(fā)展進(jìn)步，對(duì)列車運(yùn)行速度、安全性及乘坐舒適性等方面均提出了更高的要求，從而使得廣泛采用的無(wú)砟軌道作用更加凸顯.但是，隨著列車日常負(fù)載運(yùn)營(yíng)和環(huán)境因素的影響，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的病害傷損情況.這些病害的存在與擴(kuò)展不僅對(duì)后期運(yùn)營(yíng)增加了養(yǎng)護(hù)成本，還會(huì)影響無(wú)砟軌道動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并存在著巨大的列車運(yùn)行安全隱患.

傳統(tǒng)的軌道檢測(cè)方法是利用天窗時(shí)間對(duì)軌道缺陷進(jìn)行人工巡檢，但隨著線路大幅擴(kuò)增，人工巡檢作業(yè)顯然效率過(guò)低，需要對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行革新.在現(xiàn)階段，典型的無(wú)損檢測(cè)與智能監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠在不破壞無(wú)砟軌道表面的前提下，對(duì)肉眼發(fā)現(xiàn)不了的病害或傷損進(jìn)行定位、檢測(cè)及評(píng)估.這些檢測(cè)技術(shù)或方法可有效提升軌道結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)效率，降低后期養(yǎng)護(hù)成本，保障運(yùn)營(yíng)安全.

本文對(duì)無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)較為突出且典型的病害及成因進(jìn)行闡述，并對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)病害的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行分析，對(duì)各典型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，對(duì)今后新發(fā)展技術(shù)進(jìn)行展望，以期為檢測(cè)技術(shù)在無(wú)砟軌道中得到進(jìn)一步應(yīng)用提供一定參考.

1 軌道混凝土結(jié)構(gòu)病害情況

無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)常見的病害位置主要集中在預(yù)制軌道板或軌枕、現(xiàn)澆式道床板與砂漿緩沖調(diào)整層上，其病害形式主要有預(yù)制軌道板或現(xiàn)澆式道床板表面不同形式的裂紋裂縫、軌道板翹曲變形、高溫上拱，軌道板或道床板內(nèi)部缺陷、砂漿層裂縫破損、砂漿層與軌道板或底座板（支承層）間的離縫脫空等.

1.1 預(yù)制軌道板和現(xiàn)澆道床板表面裂紋裂縫

無(wú)砟軌道預(yù)制軌道板和現(xiàn)澆道床板表面裂紋裂縫病害發(fā)生部位和形式復(fù)雜多樣，較為常見的有：預(yù)制軌道板或雙塊式軌枕處的普通裂紋、縱連式無(wú)砟軌道板板間接縫處裂縫、現(xiàn)澆雙塊式軌枕處的道床板裂紋裂縫.

對(duì)于雙塊式無(wú)砟軌道道床板，文獻(xiàn)［1-3］通過(guò)鐵路施工案例所暴露出的病害缺陷進(jìn)行了闡釋，并指出了病害成因.圖1為雙塊式無(wú)砟軌道道床板常見裂紋部位及形式，主要有：預(yù)制軌枕四角處的道床板上的角裂紋、八字角裂縫；軌枕兩側(cè)的橫豎向或貫通裂紋；道床板表面的龜裂或不規(guī)則裂縫.其病害成因主要有：混凝土表面和內(nèi)部形成的內(nèi)外溫差；混凝土塑性收縮、溫度收縮、干燥收縮與自生收縮；混凝土澆筑后未及時(shí)養(yǎng)護(hù)或養(yǎng)護(hù)不到位；澆筑后應(yīng)力釋放不及時(shí)等.

圖1 CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道道床板裂紋部位及形式Fig.1 Crack location and form of CRTSⅠdouble-block ballastless track slab

1.2 軌道板翹曲變形與層間離縫

除了軌道板表面較為常見的裂紋裂縫外，板式無(wú)砟軌道因其構(gòu)造原因，軌道板自身的翹曲變形與離縫也具有一定普遍性.經(jīng)研究，影響此類病害的主要因素有：在變化的溫度載荷下，軌道板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生垂向的溫度梯度，軌道板面溫度與初溫差值越大，溫度梯度越大，軌道板翹曲變形的豎向位移就越大［4］，且會(huì)伴隨離縫的產(chǎn)生；縱連式軌道板在溫度載荷的影響下，會(huì)發(fā)生較大的伸縮變形，造成板間寬窄接縫處破損，如圖2所示.加之軌道板與砂漿層界面的剪切強(qiáng)度在溫度應(yīng)力下的降低，最終會(huì)致使軌道板與砂漿層界面的脫粘和層間離縫［5］.在列車不斷沖擊載荷的作用下，既有的傷損將加劇使得病害區(qū)域擴(kuò)展，影響線路的服役性能與軌道平順性.

圖2 CRTSⅡ型軌道板間接縫處傷損Fig.2 Damage at commissure between CRTSⅡballastless track slabs

1.3 現(xiàn)澆式道床板的蜂窩空洞病害

在澆筑雙塊式無(wú)砟軌道道床板時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生混凝土內(nèi)部缺陷，主要為蜂窩和空洞，產(chǎn)生原因主要是施工澆筑作業(yè)不良，諸如振搗方法不當(dāng)、混凝土和易性較差、混凝土混合料配比不佳、操作或澆筑時(shí)漏振而繼續(xù)澆筑上層混凝土等［6］.這些病害缺陷在復(fù)雜的外部因素影響下，將降低混凝土強(qiáng)度性能，從而對(duì)無(wú)砟軌道造成破壞，影響行車安全.

1.4 水泥乳化瀝青砂漿層傷損缺陷

水泥乳化瀝青砂漿層是板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中重要組成部分，是軌道板與底座板之間的填充墊層.它由乳化瀝青與水泥、細(xì)骨料（砂）、水及膨脹劑等添加劑成分組成，并經(jīng)水泥水化硬化與瀝青破乳共同膠結(jié)作用而形成的一種黏彈性復(fù)合材料，其作用主要是支撐、調(diào)整、傳力、隔振及減振［7］.根據(jù)實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)，可分為較低彈性模量和抗壓強(qiáng)度的CA砂漿（Cement Asphalt Mortar）和較高彈性模量和抗壓強(qiáng)度的BZ砂漿（Bitumen Zement Mortar），其中CA砂漿因研發(fā)起步較早，技術(shù)體系較為成熟，當(dāng)前已廣泛地應(yīng)用在板式無(wú)砟軌道建設(shè)中.

CA砂漿層的傷損形式主要是砂漿層自身破損（裂紋、剝離、離縫、掉塊等）而引起的砂漿層與軌道板或底座板的離縫脫空，如圖3所示.究其原因是在列車載荷、環(huán)境溫度及CA砂漿與軌道板或底座板界面兩側(cè)材料的差異性的綜合影響下，層間界面產(chǎn)生較大的拉伸與剪切應(yīng)力，這種不利的受力狀態(tài)會(huì)致使板間砂漿層離縫或脫空的現(xiàn)象發(fā)生［8］.在病害長(zhǎng)期積累的情況下，勢(shì)必會(huì)將加劇軌道結(jié)構(gòu)部件損壞，從而降低行車的安全性、平穩(wěn)性和舒適性.

圖3 水泥乳化瀝青砂漿層與軌道板脫空Fig.3 Void at cement emulsified asphalt mortar layer and track slab

2 軌道混凝土結(jié)構(gòu)病害的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

軌道檢測(cè)作業(yè)在運(yùn)維中必不可少，傳統(tǒng)的人工巡檢存在效率低、成本高等問題，尤其是隨著高速鐵路無(wú)砟軌道里程的劇增，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足鐵路發(fā)展的需求.當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鐵路軌道相關(guān)病害檢測(cè)大多為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非破壞、快速、高效等優(yōu)點(diǎn)［9］.高速鐵路無(wú)砟軌道病害無(wú)損檢測(cè)技術(shù)大多是利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷而引起聲、光、熱、電、磁等反應(yīng)變化所實(shí)現(xiàn)的，諸如超聲波法、沖擊回波法、紅外熱成像法、探地雷達(dá)法等，其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用性等情況如表1所示.

表1 常見的典型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)Tab.1 Common non-destructive testing technologies

2.1 超聲波技術(shù)在軌道病害檢測(cè)的應(yīng)用

2.1.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)原理

超聲波技術(shù)是利用收發(fā)超聲脈沖波對(duì)軌道混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，超聲波在軌道內(nèi)部傳播遇到缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射或繞射，進(jìn)而引起波形、波速或頻率的改變.圖4、圖5分別為超聲波檢測(cè)軌道裂縫深度和蜂窩空洞原理模型，其中L為發(fā)射換能探頭與接收換能探頭間的水平距離，h為裂縫深度.

圖4 超聲波檢測(cè)軌道裂縫深度模型Fig.4 Crack depth model of ultrasonic testing

圖5 超聲波檢測(cè)軌道蜂窩空洞模型Fig.5 Honeycomb cavity model of ultrasonic testing

2.1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

高速鐵路無(wú)砟軌道的混凝土裂縫不僅會(huì)影響混凝土質(zhì)量，還會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性.超聲平測(cè)法在混凝土裂縫檢測(cè)工作中具有廣泛應(yīng)用，李陽(yáng)［10］利用超聲波檢測(cè)裂紋深度原理，通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬驗(yàn)證得出，對(duì)于檢測(cè)混凝土裂縫的深度值為5.0 cm、10 cm較可靠.進(jìn)一步探討超聲波平測(cè)法對(duì)混凝土裂縫深度的檢測(cè)范圍，郭偉玲等［11］推導(dǎo)了超聲波平測(cè)法檢測(cè)裂縫深度的計(jì)算公式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定了各項(xiàng)參數(shù)，得到了超聲波在裂縫深度介于50～250 mm之間測(cè)試精度最高的結(jié)論.

對(duì)于CA砂漿層檢測(cè)，在傳統(tǒng)接觸式耦合超聲檢測(cè)基礎(chǔ)上，空耦式超聲檢測(cè)技術(shù)也逐步得到應(yīng)用.李再幃等［12］通過(guò)運(yùn)用空氣耦合超聲Lamb波信號(hào)能量傳播原理，建立并預(yù)設(shè)脫空病害CA砂漿層的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道模型，驗(yàn)證了Lamb波檢測(cè)CA砂漿層脫空病害的實(shí)效性.吳剛等［13］利用空氣耦合超聲導(dǎo)波所具有的高頻率和高模態(tài)特性，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，高效地檢測(cè)了CA砂漿層的脫空病害.CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板下的填充層為自密實(shí)混凝土，嚴(yán)武平等［14］針對(duì)該類型軌道板離縫病害，進(jìn)行了數(shù)值、物理模擬及工程實(shí)驗(yàn)，闡述了基于超聲波干涉動(dòng)力學(xué)特征提取軌道板板下離縫病害的探測(cè)技術(shù)，并驗(yàn)證了其動(dòng)力學(xué)特征能準(zhǔn)確地描述出傷損病害的相對(duì)位置.Li等［15］針對(duì)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板與支承層間自密實(shí)混凝土破損病害的快速高分辨成像問題，提出了一種將光線正向追蹤和合成孔徑聚焦成像技術(shù)相結(jié)合的FR-SAFT法，其計(jì)算時(shí)間比傳統(tǒng)方法減少了70%，精度更高.

2.1.3 超聲波檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)及適宜性

單面平測(cè)法、雙面斜側(cè)及鉆孔對(duì)測(cè)法是超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的3種方法.在對(duì)無(wú)砟軌道板內(nèi)部缺陷檢測(cè)中，因往往僅有一個(gè)可測(cè)面，所以應(yīng)用較廣的方法是單面平測(cè)法.

超聲波檢測(cè)要求的頻率較高，通常在0.4～5 MHz，可在一定距離內(nèi)沿直線傳播，故在軌道混凝土內(nèi)部傳播時(shí)有較好的束射性和指向性，并且其頻率越高，方向性越好.在檢測(cè)無(wú)砟軌道混凝土?xí)r具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，靈敏度高，操作簡(jiǎn)便，通常將兩個(gè)傳感器探頭以不同的測(cè)距同時(shí)按跨縫和不跨縫布置測(cè)點(diǎn)即可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè).

但是，鑒于無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)本身為非勻質(zhì)并具有多孔性及彈黏塑性的復(fù)合材料，超聲波在其傳播時(shí)會(huì)發(fā)生多次復(fù)雜的散射、繞射現(xiàn)象，進(jìn)而很大程度上造成聲波能量的衰減，而且對(duì)高頻信號(hào)而言，頻率越高，在軌道混凝土內(nèi)部繞射能力越差、傳播距離越小，故超聲單面平測(cè)法僅適合于檢測(cè)較淺裂縫.尤其當(dāng)裂縫中存有積水、泥漿或鋼筋等雜質(zhì)填充物時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響聲波信號(hào)的傳播速度與路徑，進(jìn)而影響檢測(cè)精度.

2.2 沖擊回波技術(shù)在軌道病害檢測(cè)的應(yīng)用

2.2.1 沖擊回波檢測(cè)技術(shù)原理

沖擊回波法是由不同大小激振錘激發(fā)的一種應(yīng)力波（P波），其能量大且集中.圖6為沖擊回波法檢測(cè)軌道混凝土缺陷原理示意圖.在無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中，主要是利用應(yīng)力波在有裂縫和無(wú)裂縫的混凝土中傳播形式的顯著差異性.應(yīng)力波會(huì)在結(jié)構(gòu)底面邊界或缺陷等介質(zhì)波阻抗不連續(xù)界面與結(jié)構(gòu)表面之間反復(fù)發(fā)生反射等現(xiàn)象，從而引起結(jié)構(gòu)的局部瞬態(tài)共振與瞬態(tài)共振頻率的降低，根據(jù)穿過(guò)帶缺陷介質(zhì)的頻譜分析，即可獲得該軌道混凝土內(nèi)部缺陷信息［16］.

圖6 沖擊回波法檢測(cè)軌道混凝土缺陷原理Fig.6 Schematic diagram of the principle of detecting track concrete defects by impact echo method

2.2.2 沖擊回波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

利用沖擊回波技術(shù)對(duì)無(wú)砟軌道裂縫有諸多針對(duì)性的研究，劉平等［17］通過(guò)對(duì)沖擊回波和超聲波檢測(cè)裂縫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了沖擊回波法能夠檢測(cè)較深的裂縫.王彬等［18］通過(guò)混凝土試件模擬沖擊回波法檢測(cè)裂縫深度，其測(cè)試結(jié)果與實(shí)際裂縫深度接近，相對(duì)誤差也滿足工程檢測(cè)要求.Yeh等［19］利用相位光譜區(qū)分沖擊回波法測(cè)得的裂縫與鋼筋反射信號(hào)，并檢驗(yàn)了沖擊持續(xù)時(shí)間、裂縫與鋼筋的尺寸深度比、采樣率和采樣持續(xù)時(shí)間對(duì)沖擊回波相位法有效性的影響.Kee等［20］采用沖擊回波法對(duì)鋼筋混凝土表面的裂紋等缺陷進(jìn)行了測(cè)試，并且描繪了二維圖譜與頻率譜.此外，對(duì)于裂縫環(huán)境是否影響檢測(cè)結(jié)果方面，余聰?shù)龋?1］基于沖擊回波原理建立了相應(yīng)的物理模型，并且根據(jù)首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理分別檢測(cè)了干燥裂縫和含水裂縫的深度，研究表明在裂縫干燥時(shí)的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確.

在軌道板或道床板內(nèi)部缺陷檢測(cè)方面，Azari等［22］比較了沖擊回波和超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)的敏感性，證明了基于頻譜分析的沖擊回波法在測(cè)試混凝土板厚和缺陷位置時(shí)精度更高.潘龍江［23］利用沖擊彈性波的速度分布，評(píng)價(jià)混凝土的質(zhì)量，并判斷混凝土內(nèi)部是否存在缺陷.胡志鵬［24］在LS-DYNA數(shù)值模擬沖擊回波的基礎(chǔ)上，識(shí)別了軌道板中蜂窩傷損的具體深度.Xu等［25］通過(guò)在無(wú)砟軌道仿真模型中預(yù)設(shè)損傷，利用固定P波波速下的主頻變化和振幅峰值對(duì)無(wú)砟軌道板的損傷進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了沖擊回波法適用于檢測(cè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的損傷和厚度.

對(duì)于填充層處的病害檢測(cè)，吳佳曄等［26］采用模型實(shí)驗(yàn)證明了沖擊回波法與平面成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并在京滬、滬杭、石武高鐵線得以應(yīng)用，檢測(cè)脫空率準(zhǔn)確度達(dá)到85%.Jiang等［27］利用沖擊回波法對(duì)CRTSⅢ型無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土與預(yù)制軌道板間粘結(jié)界面處的缺陷進(jìn)行了識(shí)別，經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)揭板獲得的實(shí)際質(zhì)量狀態(tài)相比較，證明了沖擊回波法的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確有效.

2.2.3 沖擊回波檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)及適宜性

沖擊回波法適合單面測(cè)試，僅需選擇合適的沖擊器即可達(dá)到檢測(cè)需求；較超聲波而言，沖擊回波法的應(yīng)力波通常為2～20 kHz的低頻波，避免了高頻信號(hào)衰減和過(guò)多雜波干擾問題；沖擊回波的能量高、頻譜響應(yīng)性好，這使得沖擊波在無(wú)砟軌道混凝土介質(zhì)中傳播時(shí)不會(huì)發(fā)生較大的散射，并且受材料成分與結(jié)構(gòu)差異的影響較小，能夠更好地傳播以產(chǎn)生有效的反射波，故可檢測(cè)較大深度的缺陷，并且受無(wú)砟軌道裂縫、空洞內(nèi)水、鋼筋或其他雜質(zhì)影響較?。?8］.

單點(diǎn)式和掃描式是目前沖擊回波技術(shù)檢測(cè)混凝土缺陷的兩種方式.其中，單點(diǎn)式?jīng)_擊檢測(cè)需確保合適的沖擊能量與點(diǎn)測(cè)位置，效率較低，不適合大范圍的連續(xù)檢測(cè)；掃描式?jīng)_擊檢測(cè)彌補(bǔ)了單點(diǎn)式檢測(cè)效率低下問題，其采用滾動(dòng)接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，但滾動(dòng)接觸又會(huì)產(chǎn)生較差的耦合狀態(tài)，進(jìn)而很大程度上影響數(shù)據(jù)的采集效果.因此在進(jìn)行沖擊回波法檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意確保沖擊器或接收器與測(cè)試面接觸良好.

2.3 紅外成像技術(shù)在軌道病害檢測(cè)的應(yīng)用

2.3.1 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)原理

紅外熱成像技術(shù)是利用被測(cè)對(duì)象的不連續(xù)性缺陷對(duì)熱傳導(dǎo)性能的影響，使軌道板表面的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致軌道板表面紅外輻射能力發(fā)生差異，從而推斷軌道板內(nèi)部是否存在缺陷［29-30］，其檢測(cè)病害原理如圖7所示.

圖7 紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)軌道板病害原理Fig.7 Principle of infrared thermal imaging for detecting track plate disease

2.3.2 紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用情況

許多學(xué)者針對(duì)紅外熱成像技術(shù)在無(wú)砟軌道檢測(cè)的適用性開展了相關(guān)研究，王登濤等［31］推導(dǎo)了高速鐵路無(wú)砟軌道板表面溫差公式，獲得了表面裂縫檢測(cè)的控制因素，并仿真分析了可優(yōu)化檢測(cè)條件，得到了熱成像對(duì)軌道板裂縫有效的檢測(cè)范圍.Cui等［32］提出了一種利用角度系數(shù)區(qū)分軌道板裂紋的紅外熱信號(hào)方法，并通過(guò)仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究了裂縫寬度檢測(cè)下限的影響因素及正確性，驗(yàn)證了儀器分辨率越高、軌道板與裂縫間溫差越大，可檢測(cè)到的軌道板裂縫寬度越小的結(jié)論.Li等［33］基于建立的軌道板有限元模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了紅外熱成像技術(shù)可檢測(cè)的裂紋寬度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，當(dāng)溫度高于15℃時(shí)，可檢測(cè)到寬度不小于0.2 mm的裂紋；當(dāng)溫度不低于20℃時(shí)，能夠檢測(cè)到寬度小至0.14 mm的裂紋.

當(dāng)軌道板混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)微裂紋與周圍良好介質(zhì)溫差較小、設(shè)備接收熱輻射不佳時(shí)，往往需采用主動(dòng)激勵(lì)來(lái)提升軌道板和環(huán)境溫度的輻射差異以進(jìn)行檢測(cè)作業(yè).馬曄［34］研發(fā)了集混凝土結(jié)構(gòu)主動(dòng)激勵(lì)、紅外成像信號(hào)數(shù)據(jù)采集、圖像處理分析為一體的設(shè)備系統(tǒng)，通過(guò)主動(dòng)激勵(lì)采集到了溫差較小的混凝土缺陷表面的溫度場(chǎng)圖譜，驗(yàn)證了主動(dòng)激勵(lì)式紅外檢測(cè)的有效性.為避免細(xì)微裂紋進(jìn)一步惡化，鄧安仲等［35］提出了基于高分子導(dǎo)電膜拉敏效應(yīng)的混凝土裂縫紅外線成像檢測(cè)方法，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可精準(zhǔn)分辨軌道板混凝土微裂縫的位置與演化趨勢(shì).

2.3.3 紅外熱成像檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)及適宜性

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用機(jī)理是利用光敏元件對(duì)目標(biāo)對(duì)象自身的紅外熱輻射進(jìn)行采集以獲得熱像圖，故該技術(shù)無(wú)需和軌道板接觸即可進(jìn)行檢測(cè).紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)效率較高，紅外探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是以μs或ms計(jì)量，溫度分辨率最高可達(dá)10-3k級(jí)［36］.在檢測(cè)無(wú)砟軌道板表面裂紋或細(xì)微裂縫時(shí)，紅外熱成像技術(shù)基于裂縫內(nèi)空氣介質(zhì)與軌道板混凝土材料間的導(dǎo)熱性能，可以非常直觀高效地完成檢測(cè)工作.

但是，紅外熱成像技術(shù)對(duì)環(huán)境溫度要求較高，在夜間或低溫的外界條件下，其檢測(cè)效率會(huì)明顯下降，需配合采取合適的外部激勵(lì)熱源，從而造成檢測(cè)成本和專業(yè)操作性的提升.此外，受限于紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)機(jī)理，主要應(yīng)用于無(wú)砟軌道一些淺表裂紋裂縫檢測(cè)，很難檢測(cè)出缺陷的深度，即便在采取主動(dòng)外部熱源激勵(lì)情況下，檢測(cè)精度也難以達(dá)到要求.

2.4 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在軌道病害檢測(cè)的應(yīng)用

2.4.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)原理

地質(zhì)雷達(dá)法作為無(wú)損檢測(cè)中較為典型的技術(shù)，在當(dāng)前高速鐵路無(wú)砟軌道檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛.它通過(guò)天線向被檢測(cè)對(duì)象連續(xù)發(fā)射高頻電磁脈沖信號(hào)，并由天線接收被檢測(cè)對(duì)象中存在電性差異的反射和透射信息，進(jìn)而推斷分析出被測(cè)對(duì)象的特征，如圖8所示［37］，其中h為探測(cè)深度.

圖8 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)病害原理圖Fig.8 Schematic diagram of detecting disease by ground penetrating radar

2.4.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用情況

地質(zhì)雷達(dá)在無(wú)砟軌道混凝土內(nèi)部、層間密實(shí)度和空隙大小及配筋結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)中具有較好的效果.吳昱［38］基于地質(zhì)雷達(dá)對(duì)軌道板鋼筋下的空洞進(jìn)行了正演模擬，研究了鋼筋直徑間距與鋼筋埋深對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)空洞時(shí)回波的影響.Tian等［39］針對(duì)地面耦合式地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的局限性，提出了一種基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的步進(jìn)頻率空耦式探地雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以檢測(cè)深度為50 cm的窄裂紋.

在利用探地雷達(dá)檢測(cè)淺層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，往往將鋼筋作為檢測(cè)對(duì)象，識(shí)別混凝土中鋼筋的相關(guān)信息.Soldovieri等［40］利用探地雷達(dá)檢測(cè)鋼筋混凝土，并提出了稀疏最小化算法來(lái)對(duì)鋼筋位置和直徑進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別.Chang等［41］分析了探地雷達(dá)在檢測(cè)鋼筋混凝土?xí)r鋼筋反射能量與鋼筋直徑之間的關(guān)系，提出了利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鋼筋直徑的算法.Zanzi等［42］分析了探地雷達(dá)頻域與鋼筋混凝土鋼筋尺寸的檢測(cè)精度關(guān)系.Jiao等［43］還提出了一種能夠自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法，并利用900 MHz探地雷達(dá)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試與評(píng)估算法性能，驗(yàn)證了該算法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)的有效性.

砂漿層是無(wú)配筋結(jié)構(gòu)，因此電磁信號(hào)不易發(fā)生衰減，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)效果較為理想.廖紅建等［44］通過(guò)二維正演模擬分析了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道CA砂漿層缺陷的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征.魏祥龍等［45］利用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)CA砂漿層破損、裂縫以及砂漿層與軌道板間的離縫進(jìn)行檢測(cè)，從實(shí)際檢測(cè)圖像中可明顯地掌握病害情況.基于無(wú)砟軌道CA砂漿層病害的特點(diǎn)和探地雷達(dá)回波信號(hào)，楊勇［46］建立了基于Curvelet變換的方向?yàn)V波器濾掉了鋼筋回波干擾，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)雷達(dá)對(duì)砂漿層檢測(cè)識(shí)別的高效性.

2.4.3地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)及適宜性

因無(wú)砟軌道混凝土材料對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中的電磁特性較為敏感，含缺陷的混凝土?xí)嬖诿黠@的電磁性能差異，整體缺陷越大、電磁特性差異越大，則介質(zhì)間界面越易識(shí)別，加之電磁波本身的高頻率、寬頻帶特性，使地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在探測(cè)較大缺陷方面具有穿透力強(qiáng)、分辨率高的特點(diǎn).

地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)時(shí)的介電常數(shù)對(duì)電磁波速度及探測(cè)效果具有重要影響，但是該參數(shù)是一個(gè)影響因素較多且相對(duì)復(fù)雜的變量，因此難以準(zhǔn)確標(biāo)定.另外，電磁波遇到鋼筋時(shí)產(chǎn)生較繁雜的強(qiáng)反射干擾信號(hào)，影響軌道混凝土缺陷信號(hào)的完整性，因此在探測(cè)鋼筋網(wǎng)下的病害時(shí)需設(shè)置正反探測(cè)路線以確保識(shí)別精度［47］，故此加大了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的操作難度.

3 軌道病害檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展

3.1 三維激光、光纖光柵與圖像識(shí)別監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著典型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到一定程度，一些制約問題也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，這些二維檢測(cè)技術(shù)在對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行作業(yè)時(shí)會(huì)因環(huán)境因素而影響檢測(cè)效率.近些年來(lái)，三維激光掃描、光纖光柵、機(jī)器視覺等圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展為無(wú)砟軌道智能檢測(cè)提供了借鑒與方向.

針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的表面裂縫，Xie等［48］基于三維激光技術(shù)設(shè)計(jì)了一套無(wú)砟軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三維激光探測(cè)儀組成并可安裝于軌道檢測(cè)車上，可有效識(shí)別軌道板裂紋裂縫.陽(yáng)恩慧等［49］研制了無(wú)砟軌道三維激光檢測(cè)平臺(tái)，提出了三維光影模型的圖像識(shí)別算法，提高了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)表面裂縫的識(shí)別準(zhǔn)確率.戰(zhàn)友等［50］基于三維激光成像技術(shù)研發(fā)了無(wú)砟軌道板裂縫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套集成學(xué)習(xí)軌道板裂縫識(shí)別算法，實(shí)驗(yàn)表明該算法有較高的準(zhǔn)確率與應(yīng)用潛力.對(duì)于無(wú)砟軌道砂漿層離縫病害，許國(guó)平等［51］基于激光掃描技術(shù)開發(fā)了無(wú)砟軌道離縫智能小車，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明其離縫檢測(cè)精度達(dá)到±0.1 mm，實(shí)現(xiàn)了高效高精度的目標(biāo)檢測(cè).

常規(guī)的無(wú)砟軌道病害檢測(cè)技術(shù)大多是在發(fā)現(xiàn)病害后的天窗時(shí)間開展作業(yè)，這樣難以形成路段全覆蓋及關(guān)鍵軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測(cè)，對(duì)于列車運(yùn)營(yíng)安全性的保障需求產(chǎn)生一定的欠缺.利用非天窗時(shí)間掌握線路狀態(tài)，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及評(píng)估有著重要的實(shí)際意義，光纖光柵傳感器與機(jī)器視覺圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo).王智超等［52］鑒于CRTSⅡ型軌道板間寬窄接縫易受損這一特點(diǎn)，基于分布式光纖光柵傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了軌道在線監(jiān)測(cè)裝置并進(jìn)行實(shí)尺模型實(shí)驗(yàn)，證明了該技術(shù)可有效識(shí)別并定位軌道板接縫處應(yīng)變.Wang等［53］設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵技術(shù)的高速鐵路軌道板變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在蘭新線開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可提取兩個(gè)月以上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).林超［54］利用光纖光柵技術(shù)對(duì)鐵路小半徑曲線地段CRTSⅡ型軌道板的溫度進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，得到了該地段在夏季與冬季下軌道板的溫度特點(diǎn).

由于光纖光柵技術(shù)作為接觸式監(jiān)測(cè)手段，安裝在軌道某些部位可能破壞無(wú)砟軌道服役性能的完整性，而圖像識(shí)別的智能應(yīng)用可避免此類不良影響.為有效監(jiān)測(cè)無(wú)砟軌道滿足軌道巡檢需求，Xu等［55］設(shè)計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺的車載軌道巡檢系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道病害及部件傷損的高效率、精細(xì)化、自動(dòng)化巡檢任務(wù).苗壯等［56］基于機(jī)器視覺非接觸式的層間結(jié)構(gòu)位移測(cè)量法，利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)板式無(wú)砟軌道砂漿層與軌道板間的離縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并驗(yàn)證了其采用攝像機(jī)進(jìn)行無(wú)砟軌道層間位移測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性.Li等［57］為了對(duì)軌道板過(guò)度變形進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺法的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確捕捉了軌道位移，并得到在高溫環(huán)境下的軌道板端部比中間部分更應(yīng)重視位移監(jiān)測(cè)的結(jié)論.CRTSⅡ型軌道板在夏季高溫時(shí)極易發(fā)生軌道板的翹曲上拱變形，進(jìn)而引發(fā)板間寬窄接縫或砂漿層破損離縫.目前，對(duì)于造成線路高低不平順病害的技術(shù)手段多為傳統(tǒng)的人工塞尺檢查，效率明顯不高.鑒于此，楊飛等［58］利用高速鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器視覺與集成學(xué)習(xí)，運(yùn)用變化、趨勢(shì)、頻譜識(shí)別及綜合識(shí)別等多種方法對(duì)軌道板拱起區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別.

可見，高效、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、智能已成為無(wú)砟軌道病害檢測(cè)的新要求.

3.2 列車動(dòng)力載荷下狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)

在力學(xué)系統(tǒng)層面，可利用軌道結(jié)構(gòu)傷損前后列車動(dòng)力響應(yīng)特征的差異性，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)時(shí)段的無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以判定傷損的位置與程度［59］.為有效解決軌道板翹曲上拱和軌道板CA砂漿層離縫脫空病害監(jiān)測(cè)問題，羅婷［60］基于列車軌道板耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)在軌道板端布置傾角傳感器，并利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)了軌道板位移分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè).丁義南［61］基于車致振動(dòng)響應(yīng)下軌道板應(yīng)力的變化特征指標(biāo)與加速度振動(dòng)信號(hào)特征的改變，利用支持向量機(jī)模式識(shí)別法對(duì)軌道板、砂漿層開裂及層間離縫脫空進(jìn)行傷損的定位識(shí)別.胥帥［62］借助列車動(dòng)力響應(yīng)的時(shí)頻特征，運(yùn)用變分模態(tài)分解與支持向量機(jī)方法來(lái)識(shí)別無(wú)砟軌道傷損情況.基于列車載荷激勵(lì)，Ca?ete等［63］開發(fā)了可借助軌道板振動(dòng)信號(hào)的主頻特性來(lái)評(píng)估無(wú)砟軌道板結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)與安全性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).郭高冉等［64］通過(guò)光纖振動(dòng)加速度傳感器陣列采集列車振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析及聯(lián)合EMD-功率譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形造成的線路不平順進(jìn)行監(jiān)測(cè).

利用非天窗期間的動(dòng)力響應(yīng)特性下力學(xué)參數(shù)的變化，來(lái)監(jiān)測(cè)軌道結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生傷損及評(píng)估傷損程度，這種檢測(cè)識(shí)別技術(shù)相對(duì)于大多數(shù)無(wú)損靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)而言，更具有全局性、實(shí)時(shí)高效性.

3.3 多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的協(xié)同融合

不同無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其機(jī)理差異等原因，在檢測(cè)某種病害時(shí)具有較強(qiáng)的特殊適應(yīng)性，檢測(cè)效率也較高.然而，在處理一些復(fù)雜的軌道病害時(shí)，單一地使用某種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有一定的局限性.因此一些學(xué)者為達(dá)到更全面、更精準(zhǔn)的檢測(cè)需求，通過(guò)結(jié)合無(wú)砟軌道病害特征與無(wú)損檢測(cè)的適宜性，協(xié)同多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)或融合多源特征來(lái)提高檢測(cè)效果.

對(duì)于典型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)榧t外熱成像技術(shù)利用被檢對(duì)象自身的紅外熱輻射，不易于其他3種技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè).在軌道板脫空問題上，因脫空區(qū)域填充物為空氣或水，沒有剪切模量，無(wú)法傳遞橫波，故對(duì)超聲橫波與沖擊橫波是全反射，加之因軌道板內(nèi)部布設(shè)的鋼筋對(duì)地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波為全反射等原因，這使得超聲波、沖擊彈性波和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)軌道板離縫或脫空進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)成為可能.Zoidis等［65］使用超聲波技術(shù)、沖擊回波技術(shù)分別對(duì)混凝土板裂縫深度、脫空病害進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)分析，進(jìn)而得到軌道修補(bǔ)方案.張邦［66］通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)法和超聲陣列法對(duì)高鐵無(wú)砟軌道沉降進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，圖9是雷達(dá)與超聲波陣列聯(lián)合檢測(cè)京廣高鐵某段路基沉降的成像圖，其顯示的軌道板結(jié)構(gòu)形態(tài)與實(shí)體基本吻合，病害成像更加清晰、真實(shí)，得到的結(jié)構(gòu)信息較為豐富.

圖9 地質(zhì)雷達(dá)法和超聲陣列法聯(lián)合檢測(cè)成果Fig.9 Combined detection results of ground penetrating radar method and ultrasonic array method

特征融合方式一般分為數(shù)據(jù)層、特征層和決策層，均屬深度學(xué)習(xí)算法范疇.其中，特征層融合是將兩種或多種檢測(cè)信號(hào)的特征合成一種單一特征向量，并利用模式識(shí)別進(jìn)行處理，較另外兩種方式而言更易實(shí)現(xiàn).張廣遠(yuǎn)等［67］將探地雷達(dá)與沖擊彈性波兩種檢測(cè)病害信號(hào)特征進(jìn)行量化分析，通過(guò)特征堆棧方式進(jìn)行融合，最后利用支持向量機(jī)（Support Vector Machines，SVM）分類檢測(cè)，如圖10所示.從檢測(cè)實(shí)驗(yàn)成效來(lái)看，融合探地雷達(dá)與沖擊彈性波兩種病害特征后的檢測(cè)準(zhǔn)確率較兩種技術(shù)分別單一檢測(cè)的平均準(zhǔn)確率提升了11.8 %.

圖10 多源特征融合檢測(cè)砂漿層脫空方法Fig.10 Multi-source feature fusion detection of mortar void

多源特征融合技術(shù)雖然在一定程度上提高了病害檢測(cè)準(zhǔn)確率，但是在病害檢測(cè)特征的量化權(quán)重分配及多源特征沖突的抑制問題上仍存在較大的改進(jìn)空間.

4 結(jié)論

軌道板或道床板表面裂縫、軌道板翹曲上拱變形、內(nèi)部蜂窩空洞以及軌道板與砂漿層間離縫脫空是我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)中較為常見且易發(fā)的病害.對(duì)無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)的病害檢測(cè)是高鐵運(yùn)維中的重要一環(huán)，直接影響著列車的行車穩(wěn)定性與安全性.

1）典型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)具有較強(qiáng)的適用性：超聲波技術(shù)對(duì)于較淺的無(wú)雜質(zhì)裂縫或空洞檢測(cè)精度較高，對(duì)于較深的裂縫缺陷應(yīng)采用沖擊回波法；紅外熱成像技術(shù)適用于無(wú)砟軌道淺表層裂縫的位置和演化趨勢(shì)預(yù)測(cè)；地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)則廣泛用于檢測(cè)混凝土道床板內(nèi)部病害，如裂縫、蜂窩空洞或砂漿層缺損造成的軌道板脫空等情況.

2）在列車運(yùn)行非天窗時(shí)期，利用三維激光技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可使軌道板的裂縫位置顯示得更具體更清晰；光纖光柵與機(jī)器視覺等圖像識(shí)別技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)定位縱連式軌道板間接縫處的應(yīng)變信息；利用列車動(dòng)力激勵(lì)下無(wú)砟軌道振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)的差異性，可直觀有效地對(duì)軌道板的翹曲上拱變形或砂漿層的離縫脫空區(qū)域進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估.

3）在復(fù)雜病害工況下，多種檢測(cè)技術(shù)的協(xié)同或多源特征融合應(yīng)用，可提高與優(yōu)化無(wú)砟軌道病害傷損檢測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害從而采取維護(hù)措施，保障線路的運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定性，但是該方法在機(jī)理特征提取、權(quán)重分配及容錯(cuò)機(jī)制沖突等方面仍面臨著諸多困難與挑戰(zhàn).

以上所述的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)均可對(duì)無(wú)砟軌道的混凝土結(jié)構(gòu)開展有針對(duì)性的病害檢測(cè)與監(jiān)測(cè).但是針對(duì)我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展的現(xiàn)狀而言，這種局部的、靜態(tài)的病害檢測(cè)作業(yè)存在一定的局限性，檢測(cè)效率難與當(dāng)前線路運(yùn)營(yíng)體量相匹配，亟需研制功能綜合性、技術(shù)集成性的軌道混凝土結(jié)構(gòu)病害高效率檢測(cè)的系列成套裝備.并且，隨著線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行更為及時(shí)的監(jiān)測(cè)和更加智慧的分析，因此研究更加數(shù)字化、智能化的監(jiān)測(cè)新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)評(píng)估無(wú)砟軌道的服役性能與傷損程度，也將是今后的研究重點(diǎn)之一.