張中坡，郝英健，竇智，劉德永，唐世杰

（1.北京鐵路局工務(wù)處，北京 100039；2.北京鐵路衡水工務(wù)段，河北 衡水 053000；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊；4.黑龍江北方有色建設(shè)有限責(zé)任公司，黑龍江 150046）

北京鐵路局管轄京九線地處海河流域滯洪區(qū)，路基多數(shù)線段為高填方形式設(shè)計(jì)施工，路基填筑用土為就地取土，多以當(dāng)?shù)氐姆凵巴痢⒎弁?、粉質(zhì)黏土為主。路基填高3～10m。由于路基填料和施工質(zhì)量差等原因，致使線路運(yùn)營(yíng)多年后，路基狀態(tài)一直不穩(wěn)定，每逢雨季均出現(xiàn)不同程度的水害，主要表現(xiàn)為路基頂面沉陷處的道砟囊，路基坡面通道式竄水，局部線路下沉，橋頭路基下沉，路基邊坡沖刷、溜坍等水害，造成線路慢行或水害斷道，危及京九線汛期行車安全，影響正常的行車秩序。在多年的路基病害整治和設(shè)備加固中，主要采用了卸山皮土路基加寬、漿砌片石邊坡防護(hù)，路基表層硬化和路基基床壓力注漿等加固方式，取得了一定的加固效果。在治理潛藏在路基內(nèi)部的病害、路橋結(jié)合部路基等薄弱地段，需要一種先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)去準(zhǔn)確的判定病害的方位和病害的程度。為此，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路基病害進(jìn)行探測(cè)成為一項(xiàng)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理、路基病害性狀及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)病害的可行性

1.1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

我局引進(jìn)的意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS－K2地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備由主機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、筆記本電腦、數(shù)據(jù)電纜等硬件和采集、分析軟件組成。該地質(zhì)雷達(dá)的工作原理可概括為：用筆記本電腦中的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集軟件控制雷達(dá)主機(jī)，命令主機(jī)在采集數(shù)據(jù)時(shí)段通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，并同時(shí)通過(guò)接收天線接收經(jīng)探測(cè)土體的介質(zhì)面反射過(guò)濾的高頻電磁波，此高頻電磁波經(jīng)測(cè)試電路采樣、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、經(jīng)線纜傳輸至主機(jī)并經(jīng)主機(jī)成像軟件顯示被測(cè)土體介質(zhì)組織結(jié)構(gòu)圖像。由于路基土體隱性病害性狀是不規(guī)則空間各異的氣體、液體和砟體等組成，其介質(zhì)介電常數(shù)與原路基砂土粒介電常數(shù)各自不一，經(jīng)其介質(zhì)面反射高頻波產(chǎn)生時(shí)差和強(qiáng)弱的差異，這個(gè)差異就是被檢測(cè)的模擬信號(hào)，也就是地質(zhì)雷達(dá)經(jīng)其電路放大、轉(zhuǎn)換和軟件分析處理成像的基本像素。

1.2 路基隱性病害成因和性狀

1.2.1 路基隱性病害主要成因

一是鐵路路基在施工時(shí)局部路段特別是近橋臺(tái)后路基段分層壓實(shí)的密實(shí)度不達(dá)標(biāo)，經(jīng)多年行車荷載作用和降水自然密實(shí)，并在下沉?xí)r伴隨石砟局部下沉導(dǎo)致道床枕木頭脫空；二是填筑路基的土質(zhì)為粉砂土、粉土和粉質(zhì)黏土，土質(zhì)級(jí)配不合理且土粒阻水性極差而水敏性極強(qiáng)，降水后受水浸在重力作用下極易向路基深部滲透使土粒間自由水增加甚至飽和，土體軟化引發(fā)土粒向下移動(dòng)并形成微小空隙，降水量和降水時(shí)長(zhǎng)的增加可加劇土粒被滲流攜帶沖蝕形成泥砂流涌出路基坡面承壓薄弱的縫隙或孔洞，泥砂流會(huì)快速?zèng)_蝕攜帶路基土體使土粒大量流失形成路基內(nèi)隱形洞穴或通道；三是已進(jìn)行邊坡護(hù)砌的坡面，漿砌片石或混凝土砌體后仍有土體自然密實(shí)和降水沖蝕存在，容易出現(xiàn)大面積空洞和懸空。

1.2.2 隱性病害的性狀

從路基隱性病害的成因可知：隱性病害性狀分為三種情況，即道床頂部沉陷不規(guī)則的坑、洞，并多數(shù)已被石砟充填；路基土體內(nèi)由降水滲流引發(fā)的空洞或通道并充有空氣或水；漿砌片石或混凝土砌體后不規(guī)則的空洞或懸空。

1.3 地質(zhì)雷達(dá)對(duì)路基隱性病害探測(cè)的可行性

從地質(zhì)雷達(dá)工作原理可推理：被測(cè)物體應(yīng)具備三個(gè)條件：1.被測(cè)物體是非金屬物體介質(zhì)；2.該被測(cè)物體無(wú)金屬屏蔽；3.該物體為介質(zhì)為非均質(zhì)物體。

鐵路路基隱性病害性狀符合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)物體條件，即無(wú)病害路基土體介質(zhì)基本一致，而有病害形成的空洞、通道（介質(zhì)為空氣、水或石砟）與原路基土體的介質(zhì)體相差極大，高頻電磁波進(jìn)入隱性病害區(qū)不同的介質(zhì)體對(duì)其影響變化極為明顯，這些信息經(jīng)儀器取樣和軟件分析處理成像像素對(duì)比度大，各介質(zhì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素可將病害空間幾何狀態(tài)顯現(xiàn)較為逼真的圖像?？梢哉f(shuō)采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)路基隱性病害在理論上是非?？茖W(xué)有效的方法之一。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)路基隱性病害的關(guān)鍵要點(diǎn)

2.1 探測(cè)點(diǎn)位確定

在使用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)前要對(duì)病害部位進(jìn)行初步的分析，判定病害的主要性狀類型，以便使用雷達(dá)檢測(cè)時(shí)更具有針對(duì)性。

2.1.1 初步判定方式

結(jié)合鐵路線路軌檢車數(shù)據(jù)分析路基病害：列車在軌道上運(yùn)行中，當(dāng)某點(diǎn)連續(xù)出現(xiàn)垂向加速度III級(jí)及以上，要及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軌道設(shè)備進(jìn)行檢查，判定軌道的動(dòng)態(tài)變形是由石砟道床引起的，還是鋼軌傷損引起的，還是路基病害引起的，當(dāng)不能判定原因時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)路基基床進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)。

2.1.2 隱性病害的表觀現(xiàn)象

（1）石砟擠入路基基床形成道砟陷槽：導(dǎo)致道床內(nèi)積水、路基邊坡鉆水、石砟及軌道下沉。

（2）路橋過(guò)渡段路基鉆水掏空：該病害的主要危害是路基表層水通過(guò)橋頭路基與橋臺(tái)或框構(gòu)橋邊墻通過(guò)縫隙滲入，在路基邊坡流出，長(zhǎng)時(shí)間的流水導(dǎo)致路基填料流失造成空洞。

（3）路基加寬造成的新舊路基滑動(dòng)層不穩(wěn)定：鐵路大面積提速期間，幫寬部位與路基本體相比屬薄弱區(qū)，在道床擠壓情況下，易發(fā)生變形滑動(dòng)等病害現(xiàn)象。

（4）路基內(nèi)部不良填料、空洞、陷穴等有害空間：施工前或施工過(guò)程中遺留的有害空間，運(yùn)營(yíng)后沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為局部路基持續(xù)緩慢下沉。

（5）路基內(nèi)穿越的各種管線損壞或存在缺陷時(shí)造成掏空路基，線路下沉。

以上提及的隱性病害初步判定和表觀現(xiàn)象是確定地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)位的依據(jù)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)路基隱性病害參數(shù)選擇和操作要點(diǎn)

對(duì)路基探測(cè)系統(tǒng)參數(shù)選擇主要涉及到天線的中心頻率、采樣時(shí)窗、采樣間隔、測(cè)量步長(zhǎng)（天線移動(dòng)的速度）。采集參數(shù)的設(shè)置是否正確、合理關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)和探測(cè)的效果。

（1）天線中心頻率選擇：天線中心頻率選擇需要在滿足探測(cè)深度的基礎(chǔ)上兼顧被測(cè)體的尺寸。在實(shí)際探測(cè)中，意大利博泰克公司的探地雷達(dá)提供了200MHz、400MHz、800MHz三種頻率的天線，其探測(cè)較為精確的深度分別是10m、6m、3m處的被測(cè)體。對(duì)比來(lái)看，頻率越高精度越高，相應(yīng)的探測(cè)深度越小。鐵路路基基床病害發(fā)生在埋深3米以內(nèi)，適合選用400MHz天線。

（2）時(shí)窗的選?。簳r(shí)窗的選取主要取決于最大探測(cè)深度與路基土體電磁波的傳播速度，時(shí)窗（W）的選擇可以取最大探測(cè)深度（H）和電磁波波速v之比的兩倍，為滿足土體中電磁波的速度與被測(cè)體埋深的不確定性可再增加30%的時(shí)窗（W）余量。

（3）采樣率的選擇：選取合適的采樣率是改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)重要的因素，采樣率是由尼奎斯特采樣定理決定的，即采樣率至少達(dá)到最高頻率的2倍，對(duì)于大多數(shù)的商用雷達(dá)系統(tǒng)，頻帶寬度和中心頻率之比為1∶1，即反射波的最高頻率為中心頻率的1.5倍。

（4）測(cè)量步長(zhǎng)：在離散點(diǎn)測(cè)量時(shí)，空間移動(dòng)步長(zhǎng)取決于天線的中心頻率和地下介質(zhì)的介電常數(shù)，通常其最大值不應(yīng)超過(guò)尼奎斯特采樣間隔，即為圍巖中子波波長(zhǎng)的1／4。

（5）天線距離：使用分離天線時(shí)，適當(dāng)選取發(fā)射與接收天線的距離，可以使來(lái)自目的體的回波信號(hào)增強(qiáng)。偶極天線在臨界角方向的增益最強(qiáng)，因此，天線間的距離L的選擇應(yīng)使最深目的體相對(duì)接收和發(fā)射天線的張角為臨界角的2倍。

（6）天線方向的取向 ：天線的排列方向（天線的方向）對(duì)探地雷達(dá)取得資料品質(zhì)有很大影響。對(duì)于使用偶極子天線雷達(dá)系統(tǒng)，因偶極天線輻射具有優(yōu)選的極化方向，因此天線的取向很重要。不同的天線排列方式將得到不同的品質(zhì)資料。

（7）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的布置：路橋結(jié)合部探測(cè)時(shí)，探測(cè)為順線路方向的線性探測(cè)，分別測(cè)量鋼軌兩側(cè)0.5m至1.5m范圍位置，鋼軌道心位置，即每股鐵路軌道一般測(cè)量3條線，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加。雙線一般測(cè)量5條線，共用中間1條線的數(shù)據(jù)。

3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)實(shí)例

在線路探測(cè)中通過(guò)實(shí)地驗(yàn)證、對(duì)比得出了存在問題的線路路基病害形態(tài)和線橋結(jié)合部病害狀態(tài)圖樣。

3.1 路基道砟陷槽

如在京九線某橋的下行側(cè)路肩上路基出現(xiàn)道砟陷槽現(xiàn)象，由雷達(dá)探測(cè)得出的圖像為下圖1，藍(lán)線框內(nèi)為病害位置，可以初步判定該位置有2處道砟陷槽，具體深度約為1.5m，沿線路方向長(zhǎng)度為1.5m。

圖1

3.2 路橋過(guò)渡段路基空洞病害

為排除京九線某橋路橋過(guò)渡段位置是否存在空洞，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)試圖片為圖2，圖中藍(lán)線框出的位置即為路基空洞處，被積水軟化滲流帶走土粒形成的洞穴內(nèi)填充了其他雜物造成圖像中的波形出現(xiàn)變化。后經(jīng)實(shí)際挖探，發(fā)現(xiàn)路基表層下1.1m處，有一空洞，與測(cè)量結(jié)果基本一致。

圖2

3.3 注漿整治前后對(duì)照探測(cè)結(jié)果

京九線在路基道砟陷槽及空洞整治中，為減小對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?，采用了路基注漿工藝，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，也可以對(duì)注漿前后的同一位置進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)注漿加固的效果。我們選取了京九線某路基道砟陷槽進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，圖4的明顯發(fā)亮的波形為注漿后的鋼管水泥成份，經(jīng)過(guò)對(duì)比得出注漿對(duì)于路基狀態(tài)的穩(wěn)定起到明顯作用。

圖3 注漿前路基情況

圖4 注漿后路基情況

4 結(jié)束語(yǔ)

我局地質(zhì)雷達(dá)的引進(jìn)和使用，為鐵路路基病害治理提供了先進(jìn)的探測(cè)手段，從而能夠準(zhǔn)確的判定病害的位置和尺寸，使病害整治更具針對(duì)性和有效性。目前存在兩方面的問題需要進(jìn)一步的探討和研究：一是地質(zhì)雷達(dá)在鐵路探測(cè)方面的拓展性需要進(jìn)一步挖掘，如在高大擋墻后部空洞、隧道襯砌后部空洞、框構(gòu)立交橋頂進(jìn)后期路基探測(cè)等；二是對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波形的研究需要進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，更好地提供判定依據(jù)。

［1］楊峰.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理與方法研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］郝建新.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)干擾因素及圖像識(shí)別研究［J］.工程勘察，2008（11）.

［3］許新剛.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中干擾波的識(shí)別及處理對(duì)策［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2006（2）.

［4］肖宏躍.地質(zhì)雷達(dá)特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008（4）.