柯在田，齊法琳，鄧普

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

不同埋深鐵路路基隱伏巖溶病害的地質雷達檢測方法

柯在田，齊法琳，鄧普

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

針對鐵路路基存在的隱伏巖溶病害問題，采用車載地質雷達檢測技術進行模擬試驗研究。論述和分析地質雷達工作原理，通過選擇不同頻率天線，對不同埋深隱伏巖溶典型病害的雷達圖像進行數(shù)值模擬，對比分析不同頻率天線對不同深度隱伏巖溶病害的探測效果，提出不同埋深病害的最佳檢測方法。經現(xiàn)場試驗驗證，采用車載地質雷達檢測系統(tǒng)配置方案可取得良好檢測效果。

鐵路路基；隱伏巖溶病害；地質雷達；正演模擬；埋深

我國巖溶地區(qū)分布廣泛，由巖溶引起的路基塌陷，尤其是隧底路基塌陷是鐵路路基常見地質災害之一。近年來，隨著鐵路建設的快速發(fā)展，鐵路運營線路的行車速度及載重不斷提高，尤其是有砟軌道線路提速后，巖溶路基病害對路基穩(wěn)定性的影響越來越大，巖溶引起的路基塌陷成為鐵路地質災害的主要問題之一，危及鐵路行車安全。

巖溶路基病害發(fā)育的基礎條件是隱伏巖溶的存在。目前，探測隱伏巖溶一般采用地質雷達法、高密度電法、淺層地震及聲波電磁波孔間透視、CT層析等方法[1-3]。探測深度不均一性的隱伏巖溶發(fā)育帶極具挑戰(zhàn)性，并在運營線路中，受作業(yè)天窗時間短、地表條件復雜、干擾多等因素影響，鐵路路基狀態(tài)快速檢測和監(jiān)測一直缺少有效手段。車載地質雷達技術的成熟應用，對快速檢測判別鐵路路基巖溶病害具有良好效果。

針對鐵路路基運營過程中存在隱伏巖溶病害問題，采用車載地質雷達檢測技術，進行模擬試驗研究。通過采用地質雷達檢測技術對隱伏巖溶探測的正演模擬，對比分析不同頻率天線對不同深度隱伏巖溶病害的探測效果，提出不同埋深病害的最佳檢測方法，并通過對貴廣鐵路某段路基采用地質雷達技術進行檢測試驗，驗證了檢測方法的有效性，取得良好檢測效果，為后續(xù)鐵路路基的實際應用奠定良好基礎。

1 地質雷達工作原理

地質雷達（Ground-enetrating Radar，GPR）是一種高效的淺層地球物理探測技術，具有操作簡單、快速連續(xù)探測、抗干擾和場地適應性強等特點，已廣泛用于地質勘測、工程施工質量檢測、資源環(huán)境監(jiān)測、軍事等方面。

地質雷達檢測方法是通過天線連續(xù)測量方式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播過程中遇到存在電性差異（介電常數(shù)）的電性分界面后發(fā)生反射和折射，各地層反射回地表的電磁波被接收天線接收。通過分析雷達主機精確記錄的反射電磁波的旅行時間（也稱雙程走時）、幅度與波形等特征，推斷地下結構的形態(tài)、埋深和構造等[4-6]，達到識別地下目標物的目的，其工作原理示意見圖1。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

電磁波脈沖的雙程走時計算：

式中：H為反射目標的深度，m；x為發(fā)射天線與反射目標中心的橫向距離，m；v為電磁波在介質中的傳播速度，m/ns。

根據(jù)式（1）計算出地下目標的埋深：

2 隱伏巖溶病害的正演模擬

2.1 典型病害

鐵路路基隱伏巖溶病害情況復雜多變，因此雷達圖像的正演模擬一般從簡單模型開始。結合既有鐵路路基的設計和實際情況，在查詢相關介質的電性參數(shù)后[7-11]，實驗采用正演模擬方法，模擬隱伏巖溶的裂隙、蜂窩狀溶蝕、空洞病害，埋深為1 m。隱伏巖溶模型（見圖2）設計區(qū)域為13.0 m×3.5 m，道床和基床厚度為0.3 m和2.5 m，天線距路基表面為0.2 m；試驗模擬參數(shù)設置見表1。

圖2 隱伏巖溶模型

表1 試驗模擬參數(shù)設置

對數(shù)據(jù)進行適當處理后，模型a雷達圖像和模型b雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果見圖3和圖4。從圖3和圖4可見，裂隙帶附近電磁波同相軸錯段，其產生強烈反射，振幅顯著增強，并伴有繞射產生的雙曲線現(xiàn)象，圖像呈帶狀分布。在蜂窩狀溶蝕帶，雷達圖像呈現(xiàn)雜亂無規(guī)則的強反射波，并有蜂窩狀小溶洞產生的細小雙曲線。空洞地帶呈現(xiàn)出較為明顯的雙曲線特征，由于雷達波的衰減和溶洞介質的吸收作用，底部能量相對較弱。

2.2 不同天線頻率與埋深的隱伏巖溶雷達圖像

隱伏巖溶復雜多變，其埋深具有不均一性。因此，對不同深度的隱伏巖溶造成的路基病害需要采用不同頻率的天線進行探測。在此結合實際檢測需要，模擬400 MHz、200 MHz、100 MHz天線頻率的不同埋深隱伏巖溶空洞的雷達圖像。不同頻率與埋深的隱伏巖溶模型示意見圖5，試驗模擬參數(shù)設置見表2。圖5中的設計模型測線長10 m，設置1 m、3 m、5 m、7 m和10 m埋深的隱伏巖溶空洞。其中1 m埋深模型采用圖2隱伏巖溶裂隙與蜂窩溶蝕正演模型。

圖3 模型a雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果

圖4 模型b雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果

圖5 不同頻率與埋深的隱伏巖溶模型示意圖

表2 試驗模擬參數(shù)設置

（1）1 m、3 m和5 m埋深的隱伏巖溶裂隙、溶蝕、空洞正演模擬。對200 MHz和400 MHz天線頻率的雷達圖像數(shù)據(jù)進行處理后，200 MHz埋深1 m與400 MHz埋深1 m的雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意見圖6和圖7；200 MHz埋深3 m與400 MHz埋深3 m的雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意見圖8和9；200 MHz埋深5 m與400 MHz埋深5 m的天線頻率的雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意見圖10和圖11。埋深1 m時，圖6和圖7反映的巖溶裂隙與蜂窩狀溶蝕的基本特征良好，400 MHz天線頻率的雷達圖像更為細膩清晰，更能反映出巖溶裂隙、蜂窩狀溶蝕的主體特征。埋深3 m時，在圖8和圖9反映的巖溶空洞雙曲線主體特征中，200 MHz天線頻率的雷達圖像較400 MHz天線頻率的雷達圖像明顯。埋深5 m時，圖11的400 MHz天線頻率的雷達圖像不太明顯，而圖10的200 MHz天線頻率的雷達圖像較為明顯。綜上所述，400 MHz天線頻率的地質雷達較適合埋深3 m以內的路基隱伏巖溶病害探測；200 MHz及更低天線頻率的地質雷達適合3 m及更深的隱伏巖溶病害探測。

（2）7 m和10 m埋深的隱伏巖溶空洞正演模擬。對200 MHz、100 MHz天線頻率的雷達圖像數(shù)據(jù)進行處理后，200 MHz埋深7 m與100 MHz埋深7 m的雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意見圖12和圖13；200 MHz埋深10 m與100 MHz埋深10 m的天線頻率的雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意見圖14和15。埋深7 m時，圖12的200 MHz與圖13的100 MHz天線頻率的雷達圖像反映出雙曲線特征，表明其均能探測到底部隱伏巖溶空洞病害。埋深10 m時，200 MHz天線頻率的雷達僅能微弱地探測到隱伏巖溶病害，而100 MHz天線頻率的雷達優(yōu)勢凸顯。綜上所述，200 MHz天線頻率的地質雷達適合7 m以內的隱伏巖溶病害探測，100 MHz及更低天線頻率的地質雷達適合探測7 m以上的隱伏巖溶病害。

圖6 200 MHz埋深1 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖7 400 MHz埋深1 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖8 200 MHz埋深3 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖9 400 MHz埋深3 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖10 200 MHz埋深5 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖11 400 MHz埋深5 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

綜上所述，探測不同深度的隱伏巖溶病害，采用不同的天線頻率，隨著病害埋深的增加，應降低天線頻率。結合檢測實際需要，提出探測不同深度隱伏巖溶病害方案：一是3 m以內的淺層隱伏巖溶病害探測及常見的路基結構質量檢測，可采用400 MHz天線頻率為主的車載地質雷達方式進行檢測；二是10 m以內較大埋深的隱伏巖溶病害可采用200 MHz天線頻率為主的檢測方式。車載地質雷達檢測系統(tǒng)3個配置方案見圖16。方案1為4通道雷達主機（1個200 MHz天線、3個400 MHz天線），偏重于淺層路基結構質量檢測；方案2為4通道雷達主機（3個200 MHz天線、1個400 MHz天線），偏重于深部路基病害探測；方案3為6通道雷達主機（3個200 MHz天線、3個400 MHz天線），是通用設計方案。

圖12 200 MHz埋深7 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖13 100 MHz埋深7 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

3 現(xiàn)場驗證

為了驗證車載地質雷達檢測系統(tǒng)配置方案的有效性和適用性，在貴廣高速鐵路某區(qū)段進行了現(xiàn)場驗證[10]。區(qū)段鐵路的貴州段穿越剝（侵）蝕高原，地質情況復雜，地質構造發(fā)育不良，特殊巖土類型較多。按照檢測需求，區(qū)段路基探測深度約為10 m，采用方案2進行檢測試驗。試驗采用國產200 MHz屏蔽天線地質雷達主機；采樣時窗200 ns；采樣點數(shù)1 024個；采用連續(xù)測量方式進行檢測。

圖14 200 MHz埋深10 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖15 100 MHz埋深10 m雷達圖像模擬數(shù)據(jù)結果示意圖

圖16 車載地質雷達檢測系統(tǒng)配置方案

對該區(qū)段的數(shù)據(jù)進行常規(guī)處理后，發(fā)現(xiàn)多處溶蝕裂隙及其發(fā)育地區(qū)，以及巖溶空洞和蜂窩狀溶蝕地區(qū)。隱伏巖溶病害溶蝕裂隙雷達圖像見圖17，從圖中可以明顯地看到2.0～3.8 m深度范圍條帶狀的強反射區(qū)域，較符合巖溶裂隙的圖像特征，判斷此地段存在巖溶裂隙病害。巖溶空洞圖像見圖18，在圖中白色條框區(qū)域可明顯地看到5.1～7.0 m深度范圍巖溶空洞病害表現(xiàn)出強反射雙曲線特征，判斷此地段存在巖溶空洞病害。蜂窩狀溶蝕雷達圖像見圖19，在圖中4.8～8.0 m深度范圍白色區(qū)域的雷達圖像為雜亂無規(guī)則的強反射波，并伴有雙曲線特征，說明此地段存在蜂窩狀溶蝕病害。與該區(qū)段鉆孔地質資料進行對比，證實這些地段確實存在上述病害。車載地質雷達檢測系統(tǒng)配置方案的有效性和適用性為后續(xù)實際檢測工作提供了理論依據(jù)。

圖17 溶蝕裂隙雷達圖像

圖18 巖溶空洞圖像

圖19 蜂窩狀溶蝕雷達圖像

4 結論

地質雷達在隱伏巖溶病害檢測方面的應用前景廣闊。通過正演模擬方法，總結不同深度隱伏巖溶病害適用的檢測方案，并得出以下結論：

（1）當隱伏巖溶病害埋深在3 m以內時，宜采用400 MHz天線頻率。

（2）當隱伏巖溶病害埋深在3～7 m時，宜采用200 MHz天線頻率。

（3）當隱伏巖溶病害埋深在7～10 m時，宜采用100 MHz天線頻率。

通過在貴廣高速鐵路某區(qū)段進行現(xiàn)場驗證，車載地質雷達檢測系統(tǒng)配置方案取得良好效果。探測不同深度的隱伏巖溶病害，應采用不同的天線頻率，隨著病害埋深的增加，應降低天線頻率。

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GPR Method to Detect Covered Karst Disease of Deeply Buried Railway Subgrade

KE Zaitian，QI Falin，DENG Pu
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The onboard ground penetrating radar (GPR) detection technology is used to simulate and study the covered karst disease of subgrade. The paper analyzes the working principle of the radar, which is by choosing antennas with different frequencies, to make numerical simulation of radar images of deeply buried karst diseases, compare and analyze the detection results of the diseases buried in different depths, and propose the tailored detection methods for different-depth diseases. Good detection results are acquired by this method according to on-site test.

railway subgrade；covered karst disease；ground penetrating radar；forward simulation；deeply buried

U213.1；U25

A

1001-683X（2017）10-0001-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.001

國家自然科學基金項目（U1434211）

柯在田（1964—），男，研究員。E-mail：kezt@rails.cn

責任編輯 李葳

2017-05-21