地质雷达检测铁路路基新技术的发展趋势万芳

地质雷达检测铁路路基新技术的发展趋势

针对铁路路基检测面临的三方面问题，论述了传统检测方法的缺点和局限性，阐明了地质雷达检测铁路路基新技术的原理和功能，结合作者从事检测工程的实践，介绍了该技术在国内外的发展状况和发展趋势。 目前，既有线路基检测面临三方面问题：一是线路提速前如何对路基质量、状况进行检测和评估，如何检测和评估路基加固后的效果；二是全面提速后路基病害增多，如何快速、准确地检测路基病害并进行合理整治；三是为"状态修"提供依据[1~3]。

路基检测是铁路既有线大中修和病害整治的基础工作。传统的路基检测方法以挖探、钎探为主，既损坏线路，又只能提供少量信息，不能提供长段线路的详细调查情况，且费时、费工，远不能适应目前铁路全面提速和未来高速运营的需要。近年来，地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR，也称探地雷达)技术被引入铁路路基检测和评占，显现出了独特功能和优异特点，引起了广泛兴趣和关注。地质雷达检测具有无损、快速、准确等优点，非常适用于道床、基床状态调查和病害检测[3]。1 既有线路基检测特点与传统方法的局限性

1.1 既有线路基状态复杂 路基道床性病害主要有道床脏污、道床翻浆和道床板结等，这些病害十分普遍。影响道床病害的因素很多，一类是不可变因素，如运量、轴重、速度、轨道结构、自然条件等；另一类是可变因素，如道碴质量、轨道技术状态、维修技术措施等。由于影响因素多，道床状态十分复杂。

基床性病害主要有基床翻浆冒泥、道碴陷槽、下沉外挤和隐蔽性冲空、陷穴等。成因是基床强度不足，道碴底面应力水平过高，特别是以细粒土作基床填料、风化石质作基面、降雨量大的路堤和路堑为病害多发地段。这些病害的发育程度和分布形式是随机的。

由于在不同地区和不同年代，基床土质不同、降雨量不均、列车速度和运量不一，因此使得既有线路基状态十分复杂，病害类型和发育程度复杂多样，分布具有随机性。

1.2 既有线路基检测的特点与要求 (1)不影响正常行车。 (2)无损。线路时刻处于运营状态，检测不能损坏线路。 (3)快速。既有线量大、面广，不快不行。

1.3 传统检测技术的局限性 铁路既有线经过多年运行，路基状况十分复杂，病害复杂多样，同一段线路中道床性病害和基床性病害相互影响，传统的等距离挖探方法不但效率低、对线路有损坏，而且对长段线路来讲，检测结果片面，不可靠。这是因为病害分布不但沿线路纵向具有随机性，而且在同一断面轨下状况差异显著。所以，一般在线路一侧轨枕头的挖探并不能完全代表该断面的路基状况。另外，由于挖探深度有限，无法检测到基床深处的病害和状况。

2 地质雷达检测路基的原理和功能2.1 地质雷达检测路基原理 地质雷达是一种地球物理探测方法，它由地面发射电磁波到地下，接收反射波，根据反射波的旅行时间、幅度与波形资料，通过图像处理和分析，确定地下界面和目标体的空间位置或结构，提供近地表介质特性和结构的高分辨率信息。图1为多层介质中电磁波传播原理图。

铁路路基是人工填筑构筑物，具有明显分层结构特性，从上至下为道碴层、基床填土(一般在道碴层与基床填土层之间有砂垫层)、地基土，见图2。沿深度方向各层介质介电常数差异显著。因此，雷达波在各层介质中传播规律的差异明显，在各介质分界面会发生较强反射，可根据雷达图像波形沿深度方向变化，提取出各介质分界面信息。

铁路路基在一段线路中，由于填筑时采用的填料与施工工艺基本相同，因此沿线路纵向、横向材质应该是均匀的。其雷达图像特征也应基本相同，即雷达图像同相轴应该是连续的。出现病害后，路基介质和分层界面发生变异或异常，其特征在雷达图像上均得到显现，分析沿线路纵、横向地质雷达削面图像同相轴连续性和图像变异类型，可以提取出病害类型、位置、范围、严重程度等信息。

2.2 地质雷达检测路基的功能2.2.1 探测路基结构界面 探测界面是地质雷达的基本功能。铁路路基是人工填筑的构筑物，具有明显分层结构特性，沿深度方向各层介质介电常数差异显著，雷达波在各层介质中传播规律差异明显，在各介质分界面会发生较强反射，据此可提取出各介质分界面信息。

2.2.2 探测道床和基床病害 探测道碴陷槽，区分翻浆冒泥性质(属于道床性病害还是基床性病害)，确定翻浆冒泥病害里程，这些是地质雷达探测铁路路基的独特功能。在线路道床或基床病害区段，路基结构界面破坏、变异，介质相互混合，且通常含水，导致病害区段介质介电常数与周围明显不同，雷达波在病害区段与良好区段的传播规律差异显著，地质雷达剖面图像表现为图像出现紊乱，同相轴变异或不连续。追踪变异的同相轴可确定道碴陷槽的位置和深度。

根据大量地质雷达探测图像，发现翻浆冒泥病害地段基床土和路基土中发育有许多上下导通的"翻浆冒泥通道"，据此可确定翻浆冒泥病害类型，确定翻冒病害里程。综合分析，提取出路基病害类型、位置、范围、严重程度等信息[4~5]。

表1给出了铁路路基各层介质反射波组特征。3 地质雷达检测路基技术的发展和趋势3.1 地质雷达检测路基技术的发展 近5年来，由于计算机技术的发展带动地质雷达硬件的显著进步，以及认识到地质雷达检测铁路具有一系列优点，世界许多国家开展了地质雷达检测铁路路基的试验和研究工作。

美国Carnegie Mellon大学研究出一种评估铁路线路质量的自动化分类方法[6]，主要采用地质雷达检测道碴面以下的结构状态。美国Selig公司采用装备在轨道车上的地质雷达正在进行检测道床状况(包括道碴脏污率和含水量)的试验，还用地质雷达检测出发生下沉的区段。

英国爱丁堡大学(University of Edinburgh)进行了雷达评估道床状态的模拟试验[7]。结果显示，地质雷达不但能识别路基界面，而且能识别道碴损坏和脏污的程度，清晰地区分出混碴、复合道碴和清碴。IMC地球物理有限公司等专业公司采用地质雷达，已检测了几百公里的铁路，检测结果能够提供：(1)道床连续剖面；(2)区别道床良好和需维修或应进一步调查的地段；(3)道碴脏污率；(4)道碴清筛前后质量指标。

瑞士联邦材料测试研究实验室受瑞士联邦铁路(SBB)的委托，对3条铁路线进行了车载式地质雷达检测[8]。结果证明，雷达探测结果提供的道床厚度与挖探结果之间的误差在4cm以内。挖探出的19段基床翻浆冒泥区，雷达检测确定出其中的12段；其余7段有2段雷达判断为可能翻浆冒泥段；另5段雷达未探出，原因是有2段冒泥侵入只有2~4cm，另3段正好位于车站中或靠近车站，地面设施多，雷达数据采集受到干扰。更有意义的是，雷达还新检测出23段基床翻冒区，这些区段由于挖探点相距太远而未能挖出。试验结果表明，地质雷达探测铁路道床、基床非常有效。借助GPR，可以对基床翻冒区段精确定位，挖探点山可大大减少。

德国于1999-2000年在铁路线上进行了较系统的试验工作，专用的地质雷达检测车不但能够提供路基结构分层界面，而已能够探测道碴陷槽等异常病害，检测结果得到现场钻探的验证。

近年来，日本采用地质雷达对受洪水浸泡的发生下沉的高速铁路线路基状况进行丁探测，探测出路基小存在空洞等隐患[9]。

俄罗斯使用EKKO1U0雷达对横穿西伯利亚的一条铁路线做了探测。拖车上安装的雷达系统在铁路上拖行，探测的里程由安装任车上的测量轮给出。试验证明，地质雷达可以很容易、迅速地探测出道碴的密实度，探测出轨道下的潜在危险，此外雷达系统能够实时准确地描绘出仟何区段的道碴、基床填土。原有地形的图像。使用EKKO100定出线路下的冰块，陷槽、裂缝和孔洞位置，能够迅速准确地探测出地下异常情况，在道床和基床发生病害之前提供有效维修。

1999年以米，我国也在沪宁线、陇海线、京秦线、宣杭线等线路应用地质雷达等检测方法对下沉外挤、翻浆冒泥等病害进行检测，经现场挖探验证，检测结果与实际基本吻合，为铁路局确定路基大修里程和方案提供了依据，取得了显著的经济和社会效益[4~5]。

3.2 地质雷达检测路基技术发展趋势 (1)发展车载地质雷达系统。地质雷达为非接触性探测，可以装备在轨道车辆上对铁路进行快速、连续和多条测线的探测，这对未来快速铁路和高速铁路线的检测具有重要和深远的意义。

(2)路基地质雷达检测和轨道状态检测相结合，可以制订更加科学合理的维修和病害整治计划。长期以来，人们将轨道、道床和基床三者区分开来，对它们之间的关系和相互影响认识不够。实际上，轨道特性与道床、基床和路基状况密不可分，借助地质雷达获得的道床、基床和路基状况，对应轨道刚度检测结果，可以更加全面，准确地评价线路质量和轨道特性，给出更科学、合理的评价结果与道床、基床维修整治方案。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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