基于車載探地雷達(dá)的鐵路路基病害檢測(cè)技術(shù)研究

李 超

(陜西瑞特檢測(cè)科技有限公司，陜西 西安 710523)

基于車載探地雷達(dá)的鐵路路基病害檢測(cè)技術(shù)研究

李 超

(陜西瑞特檢測(cè)科技有限公司，陜西 西安 710523)

本文以鐵路路基病害監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，探討基于車載探地雷達(dá)的檢測(cè)方法，論文首先分析了鐵路路基的病害類型和車載探地雷達(dá)可以檢測(cè)的范圍，進(jìn)而提出了對(duì)檢測(cè)設(shè)備性能和功能的要求，在此基礎(chǔ)上，探討了數(shù)據(jù)處理的基本功能要求和數(shù)據(jù)處理的具體準(zhǔn)備工作。

車載探底雷達(dá);路基;病害;檢測(cè)

1.車載探地雷達(dá)技術(shù)

車載探地雷達(dá)是將探地雷達(dá)設(shè)備安裝在汽車或火車上，用于公路路面、橋梁、鐵路路基、隧道襯砌質(zhì)量的快速檢測(cè)。車載探地雷達(dá)從上世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于公路路面和橋梁檢測(cè)，在上世紀(jì)90年代末開始應(yīng)用于鐵路道床和路基病害檢測(cè)。我國(guó)從2002年開始研究鐵路車載探地雷達(dá)系統(tǒng)，已達(dá)到實(shí)用程度。

鐵路車載探地雷達(dá)系統(tǒng)與地質(zhì)勘探用探地雷達(dá)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn):①在鐵路車輛界限內(nèi)采用空氣耦合式天線，天線要離開地面50cm的距離;②多通道全斷面測(cè)試，一般通道數(shù)為3個(gè)以上，通道之間相互沒有影響;③掃描速度高，每個(gè)通道的掃描速度為200～976scan/s，以保證有較高的測(cè)試速度。

2.鐵路車載探地雷達(dá)檢測(cè)的范圍和病害類型

鐵路車載探地雷達(dá)系統(tǒng)，受到車輛界限的限制，最大的寬度只有3.1m，小于道床頂面寬度，大于軌枕的長(zhǎng)度。在3.1m寬的范圍內(nèi)，兩鋼軌和固定部分將占用0.8m，實(shí)際可用的空間約2.4m。根據(jù)測(cè)試深度的要求，雷達(dá)的天線中心頻率選為300MHz～500MHz。

收發(fā)天線尺寸約30cm～64cm，三對(duì)天線將占用空間約1.2m。既有線路基病害發(fā)生的部位主要在軌枕的端頭和線路中心。因此，在橫斷面至少有三個(gè)數(shù)據(jù)通道，便于橫向比較。目前鐵路車載探地雷達(dá)所用的天線主要是空氣耦合式寬帶天線?？煞譃閮深?一類是1GHz～2.5GHz的高頻 TEM喇叭天線，測(cè)試對(duì)象是石碴厚度、石碴的污染狀況和路基面的起伏以及路基面的含水情況，屬于淺表層檢測(cè)，分辨率高;另一類是空氣耦合蝴蝶結(jié)式寬帶天線，天線中心頻率 300MHz～500MHz。測(cè)試對(duì)象是路基結(jié)構(gòu)?？商綔y(cè)到3m～5m深。

3.既有線路基病害檢測(cè)的技術(shù)設(shè)備及性能

鐵路車載探地雷達(dá)系統(tǒng)包括多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)、里程測(cè)量與GPS校正定位系統(tǒng)、路面圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)不少于三個(gè)通道。檢測(cè)路基基床病害，天線的中心頻率在300～500MHz為宜;檢測(cè)道床污染，天線的中心頻率在1～2.5GHz為宜。天線的安裝必須在車輛安全界限之內(nèi)。天線的固定必須牢固。

車載探地雷達(dá)的測(cè)試速度不低于80km/h。測(cè)點(diǎn)間隔不大于10cm。每道 (掃描線)數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)不少于512個(gè)。模數(shù)轉(zhuǎn)換不小于16位。采集數(shù)據(jù)文件內(nèi)包括采集時(shí)間、起始里程和終止里程、操作人員、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)信息。

定位系統(tǒng)是鐵路路基檢測(cè)車載探地雷達(dá)系統(tǒng)重要的組成部分。定位系統(tǒng)一般由高精度里程測(cè)量編碼器和GPS校正系統(tǒng)組成。里程測(cè)量編碼器的精度在2000－3000脈沖/轉(zhuǎn)。GPS的精度參照Trimble AgGPS－132。定位信息最好寫在道頭內(nèi)。定位信息包括里程和經(jīng)緯度。

路面圖像采集系統(tǒng)要求圖像清晰，沒有拖尾。視域范圍能夠反映路面狀況，如路堤、路塹等。圖像的密度為3－6米一張照片。圖像的位置要與探地雷達(dá)圖像里程相一致。

4.車載探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理基本功能要求

數(shù)據(jù)后處理軟件一般分為三個(gè)部分。第一部分是圖像處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理后，輸出清晰的探地雷達(dá)圖像，在探地雷達(dá)圖像上能夠看出不同電性的結(jié)構(gòu)層和各種異常體。去除強(qiáng)的背景干擾和其它干擾，突出從地下反射回來的弱信號(hào)，使探地雷達(dá)圖像能清晰的顯示出有用目標(biāo)。第二部分是圖像解釋，人工或半自動(dòng)拾取反射信息 (地層反射和其它目標(biāo)體反射)，在已知介質(zhì)的電磁波速度的情況下，可以做時(shí)－深轉(zhuǎn)換。將探地雷達(dá)圖像轉(zhuǎn)換成地質(zhì)剖面 (包括地層組成及厚度)與物性(含水量，空隙比等)的數(shù)據(jù)文件。第三部分是參數(shù)分類和統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)地層介電常數(shù)，劃分地層的類型或病害類型，統(tǒng)計(jì)它們的范圍和數(shù)量，對(duì)路基狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。參數(shù)分類和統(tǒng)計(jì)分析的前提是先要進(jìn)行地層拾取，確定各層的介電常數(shù)。

4.1 探地雷達(dá)圖像特征分析

(1)翻漿冒泥分析。石碴內(nèi)散射部分出現(xiàn)云朵狀、波浪狀等形狀。根據(jù)翻漿冒泥出現(xiàn)的深度判斷是道床翻漿，還是路基冒泥。

(2)地層結(jié)構(gòu)的分析。地層的層數(shù)和厚度;填土路基、涵洞兩側(cè)路基、橋臺(tái)后路基、新老路基結(jié)合部的結(jié)構(gòu);路基中雜填物等。

(3)路基面的含水情況。根據(jù)路基面的反射強(qiáng)度，參考該地段路基面的形狀和地形情況，人工判斷路基面的含水情況。

4.2 石碴厚度分析

(1)統(tǒng)計(jì)該段線路石碴厚度的分布，是否達(dá)到線路要求。(2)發(fā)現(xiàn)路基沉降地段。(3)道碴陷槽和排水不良地段的確定。中間剖面明顯低于兩枕端剖面，在縱向上形成地洼狀，可認(rèn)為道碴陷槽和排水不良地段。

5.探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理前的準(zhǔn)備工作

5.1 收集資料

收集測(cè)試段路基設(shè)計(jì)、施工及竣工資料，收集測(cè)試段工務(wù)設(shè)備圖，收集測(cè)試段路基病害基礎(chǔ)資料。

5.2 鐵路軌道結(jié)構(gòu)各種探地雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別

(1)軌枕信號(hào)。線路中間的天線始終在軌枕上方，電磁波遇到混凝土軌枕的鋼筋有很強(qiáng)的反射，因此混凝土軌枕對(duì)電磁波有屏蔽作用，混凝土軌枕下面沒有電磁波信號(hào)。但在混凝土軌枕之間，電磁波可以穿透到地下。如果不做任何處理，可清楚地看見混凝土軌枕很強(qiáng)反射信號(hào)和斷斷續(xù)續(xù)的地層信號(hào)。如圖1、2所示分別為混凝土軌枕上信號(hào)與混凝土軌枕間信號(hào)。

圖1 混凝土軌枕上信號(hào)

圖2 混凝土軌枕間信號(hào)

(2)橋梁護(hù)輪軌信號(hào)

對(duì)于長(zhǎng)度大于15m的橋梁，一般都有護(hù)輪軌。當(dāng)中間天線通過護(hù)輪軌的合攏處時(shí)，都會(huì)收到來自鋼軌上很強(qiáng)的反射，如圖3所示為橋梁護(hù)輪軌的雷達(dá)圖像。圖中所示為護(hù)輪軌交叉處。

圖3 橋梁護(hù)輪軌的雷達(dá)圖像

(3)軌距桿信號(hào)

一般在曲線地段會(huì)有軌距桿，其圖像如圖4所示。

圖4 含有軌距桿信號(hào)的雷達(dá)圖像

6.里程的校正

(1)長(zhǎng)的橋梁中心

長(zhǎng)的橋梁有護(hù)輪軌，在探地雷達(dá)圖像上有明顯的地標(biāo)信號(hào)，根據(jù)兩護(hù)輪中心可確定探地雷達(dá)實(shí)測(cè)的橋梁中心里程。在工務(wù)設(shè)備表內(nèi)，每座橋梁都有中心里程。將探地雷達(dá)實(shí)測(cè)的橋梁中心里程與工務(wù)設(shè)備表內(nèi)橋梁都有中心里程對(duì)比，就可以得到探地雷達(dá)的定位誤差。根據(jù)定位誤差校正里程。

(2)GPS整里程校正誤差

如圖5所示，數(shù)據(jù)處理過程中，在整里程附近，可看到兩個(gè)里程，一個(gè)是編碼器計(jì)算的里程，一個(gè)是 GPS給出的整里程，兩者之差為該公里的校正誤差。

7.小結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了既有鐵路路基病害車載探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的研究，鐵路車載探地雷達(dá)檢測(cè)的范圍和病害類型以及既有線路基病害檢測(cè)的技術(shù)設(shè)備及性能，車載探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理基本功能要求，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備工作，里程的校正等。

［1］楊新安.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)鐵路路基新技術(shù)［J］.中國(guó)鐵路，2004(6):40－43

［2］昝月穩(wěn) ，章錫元 ，張安學(xué).鐵路路基檢查車的研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào) ，2007(9):17－21.