李邦旭，劉 亮，孫 坤

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

離縫是板式無(wú)砟軌道的主要病害形式之一，主要存在于軌道板、CA砂漿(或自密實(shí)混凝土)、底座板與路基結(jié)構(gòu)之間[1-2]。我國(guó)高速鐵路自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，部分板式無(wú)砟軌道已經(jīng)出現(xiàn)大量的離縫，嚴(yán)重影響高速鐵路行車安全。目前板式無(wú)砟軌道離縫傷損的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)維修主要采用目測(cè)、鋼尺插入量測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)揭板的方法。目測(cè)及鋼尺插入量測(cè)無(wú)法檢測(cè)中間局部離縫及離縫的準(zhǔn)確分布情況，而揭板方法僅適用于在建鐵路，且費(fèi)用高昂，效率低下，僅能反應(yīng)該板離縫情況。提出適用于板式無(wú)砟軌道離縫傷損的快速、經(jīng)濟(jì)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)在建鐵路的施工控制和既有線路的病害檢測(cè)與維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

板式無(wú)砟軌道離縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有2方面關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：①檢測(cè)手段需穿透無(wú)砟軌道板密層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；②檢測(cè)精度要滿足對(duì)存在離縫傷損進(jìn)行判識(shí)的要求(離縫寬度在0.5～3.0 mm[3])。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)板式無(wú)砟軌道離縫病害的無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。魏祥龍等提出采用地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)無(wú)砟軌道路基病害，并結(jié)合具體檢測(cè)實(shí)例給出地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)的典型圖像[4]；胡志鵬針對(duì)無(wú)砟軌道CA 砂漿的傷損，建立軌道板-CA砂漿模型，利用有限元軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，通過(guò)計(jì)算分析得到軌道板的曲率模態(tài)，并結(jié)合高斯曲率確定CA 砂漿的傷損及傷損位置[5]；李軍利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)滬寧城際鐵路無(wú)砟軌道支撐層底部脫空離縫進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)給出了雷達(dá)時(shí)域剖面圖，并對(duì)缺陷注漿前后效果進(jìn)行對(duì)比[6]；姜子清等對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道離縫檢測(cè)手段(地質(zhì)雷達(dá)法、超聲波檢測(cè)法、沖擊彈性波法)進(jìn)行了對(duì)比研究[3]。但目前針對(duì)板式無(wú)砟軌道離縫病害的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍缺少系統(tǒng)的理論及試驗(yàn)研究。

本文以CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為研究對(duì)象，通過(guò)等比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用瞬態(tài)瑞雷面波法、地震映像法、地質(zhì)雷達(dá)法、沖擊回波法4種無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行大量對(duì)比試驗(yàn)研究，分析上述檢測(cè)方法針對(duì)板式無(wú)砟軌道離縫檢測(cè)的適用性與影響因素，為該領(lǐng)域研究提供借鑒與經(jīng)驗(yàn)積累。

1 檢測(cè)原理

1.1 瞬態(tài)瑞雷面波法基本原理

由于質(zhì)點(diǎn)間的慣性和彈性相互作用，慣性力和彈性力使體波產(chǎn)生全反射和干涉作用，并在介質(zhì)表面和層內(nèi)傳播，就形成或派生出面波。面波能量占全部激振能量的2/3，因此利用面波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。面波在多層介質(zhì)中傳播時(shí)，瑞雷波沿地表傳播，其穿透深度約為1個(gè)波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)的瑞雷波具有不同的穿透深度，其速度會(huì)隨著頻率的不同而有所變化，這種現(xiàn)象稱為面波傳播的頻散。面波的頻散特性是進(jìn)行面波測(cè)試及分析的主要依據(jù)[7]。檢測(cè)原理如圖1所示。在瑞雷面波勘探發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)面波法、面波譜分析法和多道瞬態(tài)面波法，本次試驗(yàn)選取最新的多道瞬態(tài)面波法。

圖1 面波檢測(cè)原理示意

1.2 地震映像法基本原理

地震映像法又稱高密度地震勘探和地震多波勘探，是固定偏移距不變且沿剖面采集地震數(shù)據(jù)的一種勘探方法，是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種常用淺層地震勘探方法。

地震映像法與反射波地震勘探有明顯區(qū)別，它是一種采用等偏移距進(jìn)行激發(fā)和接收，記錄來(lái)自反射界面近法線反射信號(hào)的振幅和走時(shí)的淺層地震反射法。在地面布置的測(cè)線上安置檢波器，測(cè)量波的旅行時(shí)間以及與地面各接收點(diǎn)間的位置關(guān)系，通過(guò)縱波速度計(jì)算出地層的埋深。地震映像技術(shù)觀測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

注：O-震源點(diǎn); S-檢波點(diǎn); A-地下界面(R)的反射點(diǎn)圖2 地震映像觀測(cè)系統(tǒng)

1.3 地質(zhì)雷達(dá)法基本原理

地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線向目標(biāo)物體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波到達(dá)檢測(cè)體中2種不同介質(zhì)分界面時(shí)(如襯砌與圍巖分界面)，上下介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射和折射，入射波、反射波和折射波的傳播規(guī)律遵循反射定律。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理如圖3所示。把野外采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過(guò)軟件處理，可得到地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖，通過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換可得到深度剖面。圖像再經(jīng)濾波等處理，可使不同反射層面清晰地顯示出來(lái)，同時(shí)根據(jù)波形特征可分析存在的缺陷和目標(biāo)物的類型[8]。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意

1.4 沖擊回波法基本原理

沖擊回波是由彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力波。采用鋼球敲擊混凝土表面，產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，該應(yīng)力波進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播，并在缺陷或其他界面處發(fā)生反射。應(yīng)力波反射引起的結(jié)構(gòu)表面位移由附近的傳感器記錄下來(lái)，產(chǎn)生電壓-時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅里葉變換到頻域，得到振幅-頻率圖。頻譜峰值的主頻可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的厚度或缺陷的深度[9]。沖擊回波法原理如圖4所示。

注： a-偏移距; h-結(jié)構(gòu)厚度圖4 沖擊回波法原理示意

2 試驗(yàn)測(cè)試

采用上述檢測(cè)方法對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)試精度要求，現(xiàn)場(chǎng)布線方式如圖5所示，其中沖擊回波法還進(jìn)行了空板(未澆筑自密實(shí)混凝土)測(cè)試試驗(yàn)，檢測(cè)方法儀器及參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖5 測(cè)線布置示意

檢測(cè)方法儀器參數(shù)設(shè)置測(cè)線號(hào)瞬態(tài)瑞雷面波法Geode輕便多道地震采集系統(tǒng)、寬頻速度檢波器采樣間隔20.833μs,采樣長(zhǎng)度0.05s;12道檢波器采集,點(diǎn)距0.1m,偏移距0.1m,道間距0.1m20#,22#地震映像法Geode輕便多道地震采集系統(tǒng)、寬頻速度檢波器偏移距0.05m,采樣率20.833μs,記錄長(zhǎng)度0.01s1#～4#地質(zhì)雷達(dá)法SIR4000型探地雷達(dá)、1.6G天線介電常數(shù)7.9,記錄長(zhǎng)度8ns1#～22#沖擊回波法IEI沖擊回波儀、加速度傳感器1#～18#

3 測(cè)試結(jié)果分析與比對(duì)

3.1 瞬態(tài)瑞雷面波法測(cè)試結(jié)果分析

圖6 瞬態(tài)瑞雷面波頻散譜

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散曲線提取，典型頻散譜如圖6 所示，可知，基階面波與高階面波能量較為集中，但不能有效分離，較難提取頻散曲線，且目前多道瞬態(tài)瑞雷面波分析軟件最大計(jì)算頻率一般在 3 000 Hz 以內(nèi)，無(wú)法滿足離縫檢測(cè)的精度要求，該方法不適用于板式無(wú)砟軌道離縫傷損檢測(cè)。

3.2 地震映像法測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)地震映像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到地震映像法時(shí)域剖面彩色密度圖，如圖7所示，可知，地震映像波列同向軸較為連續(xù)，振幅較為一致，視周期較小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，無(wú)法對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行辨識(shí)。

圖7 地震映像法時(shí)域剖面彩色密度圖

3.3 地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行文件編輯、歸一化、數(shù)字濾波、能量均衡、時(shí)深轉(zhuǎn)換、圖形編輯等處理后，得到如圖8 所示的雷達(dá)時(shí)域剖面圖譜?？梢?jiàn)，軌道板雙層鋼筋信號(hào)反應(yīng)強(qiáng)烈，能夠清晰辨識(shí)，但電磁波能量衰減較快，受到雙層鋼筋信號(hào)干擾，軌道板與填充層界面反應(yīng)較弱，無(wú)法有效辨識(shí)。

圖8 雷達(dá)時(shí)域剖面圖譜

3.4 沖擊回波法測(cè)試結(jié)果分析

3.4.1 震源激震方式

為提高激震頻率，得到穩(wěn)定集中的激震能量，采用多種激震方式進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，以篩選最優(yōu)激震方式，具體震源激震試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用檢波器觸發(fā)方式無(wú)法觸發(fā)。對(duì)短路觸發(fā)方式采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，經(jīng)快速傅里葉變換得到頻率-振幅圖，對(duì)比分析可得最優(yōu)激震方式為采用17 mm鋼球直接短促敲擊軌道板面，該激震方式所得頻率-振幅圖能量集中，波形穩(wěn)定，且主頻得到極大提高，時(shí)域圖直達(dá)波振幅明顯，反射信號(hào)能夠進(jìn)行有效分離，各測(cè)點(diǎn)波形一致性較好。沖擊回波時(shí)域譜和頻域譜如圖9所示。

表2 震源激震對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)

圖9 沖擊回波圖譜

圖10 沖擊回波法沖擊響應(yīng)強(qiáng)度分布曲線

3.4.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)測(cè)線1#，2#及空板橫向測(cè)線計(jì)算沖擊響應(yīng)強(qiáng)度，如圖10所示，可知測(cè)線1#和測(cè)線2#沖擊響應(yīng)強(qiáng)度一致性較強(qiáng)，與空板測(cè)線沖擊響應(yīng)強(qiáng)度有顯著區(qū)別。試驗(yàn)結(jié)果表明，在空板沖擊回波測(cè)試中，由于軌道板下方未澆筑自密實(shí)混凝土，相當(dāng)于軌道板下方離縫全發(fā)育，空氣和軌道板聲阻抗存在較大差異，當(dāng)彈性波傳播到離縫區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生全反射，而沒(méi)有離縫的位置反射信號(hào)則較微弱，其沖擊響應(yīng)強(qiáng)度、主頻明顯高于施工完成后軌道板模型，如圖11、圖12所示。此外，首尾測(cè)點(diǎn)的沖擊強(qiáng)度明顯高于中間測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度，根據(jù)頻譜分析，判斷為邊界效應(yīng)所致。通過(guò)本次CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道測(cè)試數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)，沖擊回波的邊界效應(yīng)影響范圍為20～30 cm。

圖11 測(cè)線2#典型頻域譜

圖12 空板測(cè)線典型頻域譜

4 結(jié)論

采用上述4種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道離縫進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：

1)多道瞬態(tài)瑞雷面波法與地震映像法檢測(cè)精度難以滿足對(duì)板式無(wú)砟軌道離縫傷損檢測(cè)要求。

2)地質(zhì)雷達(dá)法受軌道板密集鋼筋屏蔽干擾，電磁波能量衰減較快，軌道板與填充層界面反應(yīng)較弱，無(wú)法有效辨識(shí)。

3)沖擊回波對(duì)介質(zhì)阻抗差異反應(yīng)靈敏，當(dāng)軌道板下方有離縫發(fā)育時(shí)，會(huì)在軌道板與離縫界面發(fā)生較強(qiáng)反射反應(yīng)，可以通過(guò)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度與主頻來(lái)表征，適用于板式無(wú)砟軌道離縫傷損檢測(cè)。

[1]ESVELD C.Modern Railway Track[M].Zaltbommel:MRT-Production，2001:28-35.

[2]劉少飛.CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫原因分析[J].鐵道建筑，2017,57(4):106-109.

[3]姜子清，施成，趙坪銳.CRTS Ⅱ型板式無(wú)砟軌道砂漿層離縫檢查及傷損限值研究[J]鐵道建筑，2016,56(1):53-58.

[4]魏祥龍，張智慧.高速鐵路無(wú)砟軌道主要病害(缺陷)分析與無(wú)損檢測(cè)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011，55(3):38-40.

[5]胡志鵬.基于模態(tài)曲率和沖擊回波法識(shí)別無(wú)砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部傷損[D].成都:西南交通大學(xué)，2015.

[6]李軍.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)高鐵無(wú)砟軌道支承層底部脫空離縫[J].路橋科技，2015(18)：224-225.

[7]吳曄.瞬態(tài)瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法路基結(jié)構(gòu)檢測(cè)對(duì)比[J].鐵道建筑,2016,56(4):108-112.

[8]單娜琳.工程地震勘探[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[9]呂小彬.沖擊彈性波理論與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2016.