曹 原

(陜西瑞特檢測科技有限公司，陜西 西安 710523)

鐵路路基檢測中探地雷達應用流程研究

曹 原

(陜西瑞特檢測科技有限公司，陜西 西安 710523)

傳統(tǒng)的路基檢測方法以挖探、釬探為主，既損壞線路，又只能提供少量信息，不能提供長段線路的詳細調(diào)查情況，且費時、費工，遠不能適應目前鐵路全面提速和未來高速運營的需要。近年來，地質(zhì)雷達 (GPR，也稱探地雷達)技術(shù)被引入鐵路路基檢測和評估，顯現(xiàn)出了獨特功能和優(yōu)異特點，引起了廣泛興趣和關(guān)注。本文結(jié)合工程實踐詳細論述了探地雷達在工程中的應用流程和方法。

鐵路;路基檢測;探地雷達;應用流程

引言

路基檢測是鐵路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù)，為工程設(shè)計、施工和養(yǎng)護提供可靠的依據(jù)，不僅對于控制工程質(zhì)量至關(guān)重要，而且決定著線路維修養(yǎng)護決策的科學性，并直接影響維修養(yǎng)護資金分配的合理性。

地質(zhì)雷達檢測具有無損、快速、準確等優(yōu)點，非常適用于道床、基床狀態(tài)調(diào)查和病害檢測。本文介紹了探地雷達的探測原理、參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理方法，在某鐵路標段軟基處理水泥樁進行檢測評價中的應用，取得了較好的效果。

1.探地雷達探測原理

探地雷達由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線 (T)組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射高頻電磁波(106～109Hz)，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線 (R)接收，如圖1所示，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端將兩種波顯示出來。

圖1 反射雷達探測原理

脈沖反射波旅行時為:

當?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)精確測得的走時t，由上式求得目標體的深度z。式 (1)中x值即收發(fā)距，在剖面測量中是固定的;v值可用寬角法直接測量，也可以根據(jù)近似計算公式來計算。

波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。圖2為波形記錄示意圖。圖中對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了相應的波形記錄。在波形記錄上，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面。

反射脈沖波形的明顯程度，是對探地雷達圖像進行地質(zhì)解釋的重要依據(jù)。它決定于發(fā)射脈沖波的能量，波在地質(zhì)界面上的反射特性以及波在地下介質(zhì)中行進時的衰減情況。反射特性決定于物性界面的波阻抗差異，以反射系數(shù)描述。

圖2 雷達剖面記錄示意圖

2.工程概況

某鐵路正線全長74.1 km，該路段路基采用了水泥樁處理，水泥樁有正三角形和正方形兩類，現(xiàn)已完成路基路面鋪設(shè)。為了檢測該路段軟基處理水泥樁數(shù)目及樁距，評價路基處理質(zhì)量，采用探地雷達通過在地表布設(shè)測線進行連續(xù)的觀測。由于水泥樁和周圍軟基底有著明顯的電導率差異，會造成基底反射波形同相軸在橫向的連續(xù)性隨著樁基而展現(xiàn)出規(guī)律性的變化。對采集的數(shù)據(jù)進一步進行處理分析，因此可以探明地下樁基的分布情況。

3.數(shù)據(jù)采集

3.1 儀器參數(shù)

本次探測采用從瑞典MALA－GEOSCINCE公司引進的探地雷達系統(tǒng) RAMAC/GPR。根據(jù)參數(shù)選擇理論及項目實際情況，考慮探測深度和上覆層位的電導率特性，本次樁基探測主要采用儀器參數(shù)如下:天線250 MHZ屏蔽天線;采樣率0.4 ns;采樣點數(shù)800個;采樣長度 320 ns;重復采樣次數(shù)128次。

3.2 測線布置

測線布設(shè)示意圖如圖3所示。為了更好的對地下水泥樁的位置進行控制和防止測線布設(shè)不合理造成的水泥樁數(shù)量誤差，在垂直路基方向 (縱向)從一側(cè)邊坡到另一側(cè)邊坡布設(shè)3條測線，長度為實際路基縱向?qū)挾?，橫向則在縱向測線的中點布設(shè)3條垂直的測線，長度為11.8 m，測點點距均為0.1 m。

圖3 測線布設(shè)示意圖

4.資料處理方法

為了對雷達圖像進行合理的地質(zhì)解釋，首先需要進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要是對雷達波形作處理，包括增強有效信息、抑制隨機噪聲、壓制非目標體的雜亂回波、提高圖像的信噪比和分辨率等。其目的是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，以盡可能高的分辨率在雷達圖像上顯示反射波，便于提取反射波的各種有用參數(shù)，以利于地質(zhì)解釋。常用的雷達數(shù)據(jù)處理手段有數(shù)字濾波、反濾波、偏移繞射處理和增強處理等。數(shù)字濾波利用電磁波的頻譜特征來壓制各種干擾波，如直達波和多次反射波等;反濾波則是將地下介質(zhì)理解為一系列的反射界面，由反射波特征求取各個界面的反射系數(shù);偏移繞射處理，即反射波的層析成像技術(shù)，是將雷達記錄中的每個反射點偏移到其本來位置，從而真實反映地下介質(zhì)分布的情況;增強處理，有助于增強有效信號，盡可能清晰地反映地下介質(zhì)的分布情況。處理流程如圖4所示。

圖4 資料處理流程圖

5.資料處理成果

經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，能夠清晰辨別水泥樁的位置，準確計算其數(shù)目和樁距。該測點橫向樁數(shù)為4，樁距依次為3.4 m、3.2 m、3.1 m，平均樁距為3.23 m;縱向樁數(shù)為7，樁距依次為1.6 m、1.5 m、1.7 m、1.4 m、1.7m、1.6 m，平均樁距為15.8 m。

6.結(jié)論

路基檢測是鐵路和公路工程檢測技術(shù)新學科的重要部分，是一門快速發(fā)展的分支學科，它融檢測理論、儀器開發(fā)研制和測試操作技術(shù)及路基工程相關(guān)學科基礎(chǔ)知識于一體。路基檢測技術(shù)的發(fā)展，對保證工程質(zhì)量和我國檢測技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義。

探地雷達技術(shù)由于對淺表層結(jié)構(gòu)探測精度高，施工效應快，對探測目標體無損傷，廣泛應用于工程質(zhì)量檢測，本文利用探地雷達技術(shù)對鐵路標段軟基處理水泥樁進行了檢測，準確定位了樁位、樁數(shù)及樁距，為工程質(zhì)量評估提供了可靠的依據(jù)，取得很好的應用效果。

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［3］鄧世坤.探地雷達野外工作參數(shù)選擇的基本原則［J］.工程地球物理學報，2005，2(5):323－328