丁 楊, 陳國(guó)榮, 陳志文

(1.成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610031；2.四川省鐵路集團(tuán)有限公司，成都 610072；3.成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，成都，610059)

鐵路道床和基床作為軌道承力結(jié)構(gòu)，必須保持足夠的強(qiáng)度和一定的幾何形態(tài)，才能維持軌道的平順和穩(wěn)定。翻漿冒泥病害恰恰惡化了軌下支承條件，從而破壞了軌道的平順性和穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至引起列車顛覆。隨著中國(guó)鐵路客貨運(yùn)量的逐年提升，不少普速鐵路和低等級(jí)鐵路翻漿冒泥病害越來越突出，勘探和治理費(fèi)用也越來越高；尤其是初期隱伏翻漿冒泥病害的發(fā)現(xiàn)、圈定，已經(jīng)成為鐵路病害普查的難點(diǎn)，往往嚴(yán)重到軌道下沉、泥漿污染了大片道砟才被發(fā)現(xiàn)。

1998年，J.Hugenschmidt[1]首次成功地將探地雷達(dá)(ground penetratin rador，簡(jiǎn)稱GPR)應(yīng)用于鐵路路基檢測(cè)。此后，包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)[2-5]。Trong Vinh Duong等[6]對(duì)鐵路道砟/土質(zhì)界面翻漿冒泥的要素，包括顆粒分布、含水量、孔隙水壓力、水力傳導(dǎo)系數(shù)等，進(jìn)行了物理建模和深入的研究與分析；XU Xinjun等[7]發(fā)表了通過快速區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)翻漿冒泥進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、目標(biāo)檢測(cè)的方法。這些研究和應(yīng)用，使得GPR開始在鐵路可見和隱伏的翻漿冒泥病害的探測(cè)與圈定應(yīng)用中被廣泛地接受[1,8]。盡管如此，由于GPR儀器設(shè)備及其配套軟件不同的廠商存在差異，有些甚至還比較大；而數(shù)據(jù)處理新方法新技術(shù)的應(yīng)用，其效果有待實(shí)踐檢驗(yàn)，又難以與現(xiàn)有GPR儀器設(shè)備及其配套軟件“深度”融合，往往要求使用人員具備較高的地球物理專業(yè)技能和計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平。這些導(dǎo)致GPR探測(cè)、處理與解釋的成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的符合率和精度難盡人意，一定程度上限制了GPR在鐵路病害檢測(cè)尤其是翻漿冒泥病害探測(cè)中的應(yīng)用和推廣。因此，針對(duì)上述問題，探索一種對(duì)鐵路翻漿冒泥病害的圈定既效率高、普遍適用，又具有較高符合率和較高邊界精度的GPR探測(cè)及其數(shù)據(jù)處理與解釋方法，很有必要。

1 方法原理

1.1 作業(yè)流程

鐵路翻漿冒泥病害的GPR探測(cè)與圈定，雖然需要確定的參量比較多，但一旦這些參量確定后，即可建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的GPR探測(cè)作業(yè)和數(shù)據(jù)處理與解釋的方法或流程，這是減少錯(cuò)誤、節(jié)省時(shí)間、獲得標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的高質(zhì)量勘探成果的基礎(chǔ)。這些參量的確定建立在GPR探測(cè)分辨率、探測(cè)深度，鐵路軌道、道床、路基的固有結(jié)構(gòu)，鋼軌、道砟、路基的電性參數(shù)，以及翻漿冒泥病害目標(biāo)體電性參數(shù)及其深度范圍基礎(chǔ)上，主要包括：設(shè)備選型(含主機(jī)的型號(hào)及其探測(cè)參數(shù)、天線類型和頻率及配套的處理解釋軟件)，測(cè)線布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)或方法，數(shù)據(jù)處理的參數(shù)和流程，人機(jī)交互解釋方法，剖面圖和平面圖繪制方法及比例尺。本文提出的鐵路翻漿冒泥病害的GPR探測(cè)與圈定作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 翻漿冒泥病害GPR探測(cè)與圈定作業(yè)流程Fig.1 Flow chart for the operation process of GPR surveying and delineation for the mud pumping

1.2 設(shè)備選型

采用GPR設(shè)備對(duì)鐵路軌道以下道床及道床下的路基存在的翻漿冒泥病害的范圍進(jìn)行探測(cè)與圈定，首先需要對(duì)GPR主機(jī)進(jìn)行選型。目前質(zhì)量較好、配套軟件較為齊備的商用GPR設(shè)備主要有美國(guó)GSSI生產(chǎn)的SIR系列雷達(dá)，以及瑞典Ramac和加拿大Ekko生產(chǎn)的系列雷達(dá)。其中，美國(guó)GSSI公司的SIR-20機(jī)型屬于目前中國(guó)公路、鐵路、橋梁、隧道病害檢測(cè)或探測(cè)方面的主流機(jī)型，其配套軟件RADAN7功能模塊豐富、處理效果好，軟件系統(tǒng)穩(wěn)定、成熟且用戶使用程度高，具有較好的代表性。

其次是天線配置。這依賴于被探測(cè)的目標(biāo)體的規(guī)模、深度和要求的探測(cè)精度。天線頻率越高，最大探測(cè)深度越淺，但分辨率越高。歷年各路局翻漿冒泥病害整治資料揭示出翻漿冒泥的病害具有一定的規(guī)律性，底界深度超過軌下2 m的病害不超過病害總數(shù)的3%。考慮到使用中留有一定的裕度，要求雷達(dá)參考穿透深度應(yīng)不小于2.5 m。深度方向，要求對(duì)厚度為20 cm及以上介質(zhì)層(一般為砂墊層夾土工布處理翻漿冒泥病害的最小厚度)有較好的分別率；深度0～2 m范圍內(nèi)，要求對(duì)半徑0.5 m及以上的類球狀或囊狀異常介質(zhì)體應(yīng)能識(shí)別。

表1列出了GSSI公司配套的不同頻率的單體屏蔽天線在衰減數(shù)為10～50 dB/m的中高耗介質(zhì)中(大多數(shù)翻漿冒泥病害的介質(zhì)環(huán)境)對(duì)應(yīng)的探測(cè)可達(dá)深度范圍和參考穿透深度值。由表1可知，主頻400 MHz的天線探測(cè)可達(dá)深度范圍為1～5 m，參考穿透深度值為3 m，與鐵路路基翻漿冒泥病害探測(cè)對(duì)象的深度范圍符合性最好，同時(shí)兼具較好的探測(cè)分辨率。而主頻900 MHz的天線雖然分辨率更高，但探測(cè)深度不夠；主頻270 MHz的天線探測(cè)深度滿足要求，但分辨率又不夠。

表1 不同頻率單體屏蔽天線的探測(cè)深度參考值Table 1 Reference value of detecting depth for shielded mono-static antenna with different frequencies

由于探測(cè)對(duì)象的最小幾何尺寸依賴于GPR系統(tǒng)可能具有的分辨率，即發(fā)射天線主頻的選擇。主頻400 MHz天線其波長(zhǎng)λ=300 000 km/400 000 000=0.75 m，理論上：深度(垂向)分辨率可以達(dá)到λ/4=0.75/4=0.187 5 m(約19 cm)，測(cè)線方向(縱向)分辨率可以達(dá)到[(hλ/2)+(λ2/16)]1/2。在軌頂之下0.362 m，測(cè)線方向分辨率約為41 cm；在0.912 m，測(cè)線方向分辨率約為61 cm；在1.5 m，測(cè)線方向分辨率約為77 cm。因此，深度越大，縱向分辨率越差。

1.3 測(cè)線布設(shè)

從較多的翻漿冒泥病害點(diǎn)分布的分析可以發(fā)現(xiàn)：線路橫向，泥漿在道砟表面冒出位置通常不超過軌枕兩端頭向外30 cm，只有少數(shù)病害點(diǎn)泥漿超出此位置，但肉眼即可發(fā)現(xiàn)。這些現(xiàn)象指示出應(yīng)考慮橫向探測(cè)寬度為2.5～3 m來布置測(cè)線。

考慮鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，沿鐵路正線線路方向縱測(cè)線布設(shè)5條，鐵路中央縱測(cè)線一條，中測(cè)線兩側(cè)再平行布置2條測(cè)線，線間距均為0.5 m(圖2)。這種縱測(cè)線的布設(shè)的好處如下：

圖2 鐵路翻漿冒泥GPR測(cè)線布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of GPR surveying lines for the mud pumping in railway

a.測(cè)線間距0.5 m，能避開鋼軌，枕底至2.5 m深度范圍內(nèi)縱向至少有一條測(cè)線能采集到可探測(cè)目標(biāo)體的有效數(shù)據(jù)，翻漿冒泥病害目標(biāo)體不致遺漏，且滿足前面設(shè)備選型部分所述目標(biāo)分辨率要求。

b.測(cè)線間距0.5 m，易于垂直測(cè)線方向等間隔網(wǎng)格化處理數(shù)據(jù)，便于繪制翻漿冒泥病害區(qū)底界深度等值線平面圖。

c.除非需要對(duì)已知翻漿冒泥或探測(cè)判斷存在翻漿冒泥隱患的區(qū)域進(jìn)一步實(shí)施詳查，一般不需要再布設(shè)橫測(cè)線(控制測(cè)線)，能夠大幅提高數(shù)據(jù)采集的效率。

1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括兩部分：現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查和GPR探測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查是對(duì)探測(cè)鐵路沿線已經(jīng)出現(xiàn)的翻漿冒泥、道砟翻漿、道砟板結(jié)等病害進(jìn)行人工勘測(cè)，對(duì)病害點(diǎn)或區(qū)域的里程和范圍進(jìn)行測(cè)量，對(duì)病害特性進(jìn)行描述。該部分非常重要，是后續(xù)GPR儀器探測(cè)參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理與解釋各個(gè)功能模塊參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)。

現(xiàn)場(chǎng)GPR探測(cè)又包括兩部分內(nèi)容：首先，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人工勘測(cè)的翻漿冒泥病害進(jìn)行GPR試驗(yàn)探測(cè)，根據(jù)挖探驗(yàn)證的翻漿冒泥病害的類型、范圍和深度，進(jìn)行儀器探測(cè)參數(shù)的標(biāo)定，以及數(shù)據(jù)處理與解釋流程各個(gè)功能模塊的處理參數(shù)的設(shè)定；然后，按測(cè)線方向進(jìn)行GPR探測(cè)(一般5條測(cè)線)，最終完成各條測(cè)線的GPR數(shù)據(jù)采集。

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始GPR數(shù)據(jù)剖面由于探測(cè)面平行鋼軌頂面，存在直達(dá)波以及鋼軌、軌枕、鋼軌與軌枕之間以及鋼軌與道砟之間空氣間隔層產(chǎn)生的電磁反射波的干擾，這些干擾波能量十分強(qiáng)，幾乎淹沒了接收的反射波中的道床及其下不同介質(zhì)體產(chǎn)生的反射波信息(圖3)。因此，對(duì)接收的雷達(dá)波數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、濾波、疊加等處理，十分重要。

GPR探測(cè)數(shù)據(jù)的處理包括2個(gè)部分：數(shù)據(jù)預(yù)處理和自動(dòng)化流程處理(圖4)。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對(duì)原始GPR探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，剔除壞數(shù)據(jù)或質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)線進(jìn)行里程標(biāo)定，對(duì)測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分段或拼接等，為后續(xù)自動(dòng)化流程處理奠定合格的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于測(cè)線沿鐵路布設(shè)一般很長(zhǎng)，幾十千米甚至百千米以上，數(shù)據(jù)量非常大。當(dāng)測(cè)線太長(zhǎng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)GPR探測(cè)需要分段實(shí)施，圖4所示“分段探測(cè)數(shù)據(jù)”這一子過程便是此情況。另一方面，在現(xiàn)場(chǎng)GPR探測(cè)過程中，因軌道來車必然中斷探測(cè)，導(dǎo)致每次探測(cè)的里程長(zhǎng)度不一致，一條測(cè)線往往有多個(gè)甚至幾十個(gè)分段探測(cè)文件。因此，在對(duì)各個(gè)分段探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)塊編輯和里程標(biāo)定后，為減少文件數(shù)量，提高數(shù)據(jù)處理與解釋的效率，需要對(duì)這些分段探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，生成分段拼接剖面。在拼接處理時(shí)，還需要考慮：分段拼接剖面長(zhǎng)度不要超過RADAN7軟件能夠處理的測(cè)線最大長(zhǎng)度。

自動(dòng)化流程處理則是按圖4自動(dòng)化流程處理部分所確定的各個(gè)功能模塊，按順序制定自動(dòng)化批處理列表，然后根據(jù)列表對(duì)各個(gè)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后的GPR數(shù)據(jù)進(jìn)行快速批處理。其目的是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾波，最大限度地提高雷達(dá)剖面的信噪比，提取電磁反射波各種有用參數(shù)用來解釋不同介質(zhì)的物理特征，以及將數(shù)據(jù)元素重置或歸位以補(bǔ)償由于來自不同方向的反射疊加產(chǎn)生的空間畸變，例如偏移處理等。圖4自動(dòng)化流程處理部分起始時(shí)間置零、增益控制、水平疊加除噪、除水平背景噪聲、垂直頻率濾波、偏移歸位、反褶積等模塊的處理參數(shù)的預(yù)置，均需在GPR探測(cè)正式作業(yè)之前，依據(jù)多個(gè)典型的翻漿冒泥病害樣本的GPR試驗(yàn)探測(cè)及其處理解釋結(jié)果與對(duì)應(yīng)樣本挖探驗(yàn)證的結(jié)果，通過比較分析而定。

圖5所示為圖3原始探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及自動(dòng)化流程處理中偏移歸位前處理的結(jié)果。由圖可見，直達(dá)波以及鋼軌、軌枕、鋼軌與軌枕之間或鋼軌與道砟之間的空氣間隔層產(chǎn)生的電磁反射波的干擾得到了有效清除，道床及其下不同介質(zhì)體產(chǎn)生的反射波特征明顯增強(qiáng)。

圖3 歸連鐵路K14342～K14306里程GPR探測(cè)原始數(shù)據(jù)剖面Fig.3 Profile of raw data of GPR surveying from K14342 to K14306 mileage of Gui-Lian railway

圖4 鐵路翻漿冒泥病害GPR探測(cè)數(shù)據(jù)的處理流程Fig.4 Flow chart showing data process of GPR surveying for the mud pumping in railway

圖5剖面的K14320和K14328點(diǎn)下方，出現(xiàn)了明顯的2組低頻拋物線型同相軸，這些同相軸具備典型的翻漿冒泥邊界點(diǎn)狀繞射波特征。由此根據(jù)剖面圖的電磁波同相軸特征可以推斷，圖5剖面的K14320和K14328點(diǎn)下方可能存在翻漿冒泥病害。對(duì)圖5結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行反褶積和偏移歸位處理，結(jié)果如圖6所示。圖6中紅色圓點(diǎn)所圍部分區(qū)域?yàn)槿藱C(jī)交互解釋圈定的翻漿冒泥邊界，其內(nèi)的電磁反射波的多次波干擾得到了有效消除，反映其邊界的反射同相軸及點(diǎn)狀繞射波同相軸偏移歸位效果較好。圖6中黃色點(diǎn)所示線條為人機(jī)交互解釋的約30 cm厚的砂墊層(包括砂墊層中間的土工布或土工膜夾層)。很明顯，紅色圓點(diǎn)圈定的翻漿冒泥病害區(qū)域已經(jīng)穿越砂墊層，反映翻漿冒泥病害的泥漿源于砂墊層下的基床，土工布或土工膜夾層已經(jīng)損壞。

圖7所示為K14320里程翻漿冒泥病害點(diǎn)人工挖探驗(yàn)證的結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，K14320和K14328點(diǎn)道砟表面存在明顯可見的翻漿冒泥；進(jìn)一步，通過對(duì)上述紅色圓點(diǎn)所圍部分區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工挖探，發(fā)現(xiàn)K14320和K14328點(diǎn)在軌頂下69.2 cm揭示一層已損壞的土工布，并分別在軌頂之下83.2 cm和89.2 cm深度探到硬質(zhì)基底；83.2 cm和89.2 cm深度與圖6圈定的翻漿冒泥病害的對(duì)應(yīng)剖面測(cè)線點(diǎn)位置下的底界深度基本一致，說明圖5、圖6按圖4流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其參數(shù)設(shè)定是正確的。

圖5 對(duì)圖3數(shù)據(jù)按圖4流程進(jìn)行偏移前處理的剖面Fig.5 Profile of data from Fig.3 processed before the shifting of the Fig.4

圖6 對(duì)圖3數(shù)據(jù)按圖4流程進(jìn)行偏移處理后的剖面Fig.6 Profile of data from Fig.3 processed after the shifting of the Fig.4

圖7 K14320里程位置翻漿冒泥病害人工挖探驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Pictures showing the verification results of artificial excavation of the mud pumping at K14320 mileages(A)翻漿冒泥點(diǎn); (B)翻漿冒泥挖探結(jié)果; (C)土工布夾層損壞情況

圖7驗(yàn)證的硬質(zhì)基底面在80～90 cm處，基底面上為土工布、砂墊層、道砟、軌枕、鋼軌，基底面下為土質(zhì)或石質(zhì)地層，基底面上下介質(zhì)差異大，這使得偏移和反褶積后的圖6剖面約1 m以下部分與圖5的差異也較大。

圖8和圖9為圖6數(shù)據(jù)按圖4自動(dòng)化流程進(jìn)行希爾伯特變換分別生成的瞬時(shí)振幅和相位剖面。圖8瞬時(shí)振幅剖面能夠很好地反映白色圓點(diǎn)所圍區(qū)域即翻漿冒泥病害在剖面上的兩側(cè)邊界，圖9瞬時(shí)相位剖面能夠很好地反映白色圓點(diǎn)所圍區(qū)域即翻漿冒泥病害在剖面上的底部邊界。希爾伯特變換可用于進(jìn)一步修正翻漿冒泥病害圈定的范圍。

1.6 人機(jī)交互解釋與成圖

翻漿冒泥病害的人機(jī)交互解釋需要在GPR探測(cè)數(shù)據(jù)按圖4所示自動(dòng)化流程在偏移歸位處理和希爾伯特變換處理之后進(jìn)行，主要通過RADAN7軟件的二維人機(jī)交互解釋模塊完成。其目的是對(duì)基床與道床之間的砂墊層進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)翻漿冒泥病害進(jìn)行圈定，并判斷翻漿冒泥病害是否穿越砂墊層，以確定翻漿冒泥病害是道床性還是基床性。

1.6.1 層位解釋

道床性翻漿冒泥病害與基床性翻漿冒泥病害，二者最大的差別是：道床性翻漿冒泥病害分布在基床以上尤其是道床之中，有時(shí)也稱之為道砟翻漿，其成因主要是由于使用了質(zhì)量差的道砟(如灰?guī)r、砂巖等強(qiáng)度和耐磨性較差的道砟或含泥含細(xì)屑物質(zhì)太多的道砟)；而基床性翻漿冒泥成因更為復(fù)雜，多產(chǎn)生在基床內(nèi)并向上延展至道床內(nèi)。因此，基床與道床的界面標(biāo)定非常重要，它是判斷翻漿冒泥病害類型的重要參考。對(duì)于細(xì)粒土路基之基床表層，在表層頂部一般設(shè)置有30 cm左右的砂墊層，也有在道床底部(即基床表層頂面之上)設(shè)置砂墊層和土工膜的做法，不管該層設(shè)在道床層還是基床層，目的都是隔離道床和基床，防止道床積水下滲。這一薄層與其上的道床和其下的基床之間介電常數(shù)的差異，反映在雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)剖面上一般存在明顯的強(qiáng)反射同相軸，如圖3、圖5和圖6所示。通過解釋、標(biāo)定這一層位，即可判斷所圈定的基床性翻漿冒泥病害點(diǎn)的泥漿囊是蟄伏在砂墊層之下還是已穿透砂墊層及土工布伸入道床，這對(duì)病害治理具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 對(duì)圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特變換生成的瞬時(shí)振幅剖面Fig.8 Instantaneous amplitude profile of data from Fig.6 processed with Hilbert transform

圖9 對(duì)圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行希爾伯特變換生成的瞬時(shí)相位剖面Fig.9 Instantaneous phase profile of data from Fig.6 processed with Hilbert transform

1.6.2 翻漿冒泥病害解釋

翻漿冒泥病害范圍的圈定及其描述如圖10所示。每個(gè)翻漿冒泥病害區(qū)域的人機(jī)交互解釋，包括起訖里程、深度，以及由起始里程到終了里程沿翻漿冒泥病害區(qū)域底界離散的邊界控制點(diǎn)的里程及其深度[9]。

圖10 翻漿冒泥病害區(qū)空間位置示意圖Fig.10 Schematic diagram showing spatial location of the mud pumping in railway subgradeds.病害區(qū)起始里程; df.病害區(qū)終了里程; h0.底界起始里程深度; hN-1.底界終了里程深度;hi.底界任意里程深度;hmax.底界最大深度

翻漿冒泥病害泥漿與周邊道床或基床存在明顯的介電常數(shù)差異，反映在雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)剖面上：

a.剖面深度方向偏移前翻漿冒泥病害區(qū)域的頂點(diǎn)或底點(diǎn)一般會(huì)出現(xiàn)繞射，由于介電常數(shù)差異大，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射同相軸并形成多次波反射。

b.剖面深度方向偏移后繞射消失，反褶積除多次波后翻漿冒泥病害區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的低頻反射區(qū)或“亮點(diǎn)”。

c.剖面深度方向翻漿冒泥病害區(qū)域頂?shù)追瓷渫噍S一般出現(xiàn)相位反向。

d.剖面測(cè)線方向翻漿冒泥病害區(qū)域邊界其反射同相軸出現(xiàn)振幅增強(qiáng)、相位反向、斷開或不連續(xù)、向上或向下彎曲等特征。

e.剖面測(cè)線方向翻漿冒泥病害區(qū)域邊界有時(shí)會(huì)出現(xiàn)繞射并形成多次波反射。

f.希爾伯特變換瞬時(shí)振幅剖面翻漿冒泥病害區(qū)域能量高，如果翻漿冒泥病害區(qū)大小超過分辨率最小尺寸，還會(huì)出現(xiàn)核心低能量的高能環(huán)狀或不規(guī)則帶狀能量區(qū)。

g.希爾伯特變換瞬時(shí)相位剖面翻漿冒泥病害區(qū)域頂?shù)讜?huì)出現(xiàn)明顯的連續(xù)界面，兩側(cè)出現(xiàn)相位反向、斷開或不連續(xù)、向上或向下彎曲等特征。

解釋的翻漿冒泥病害區(qū)域底界是否已穿越基床與道床之間界面(含砂墊層)所反映的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)剖面上的同相軸層位，可以作為道床性翻漿冒泥病害和基床性翻漿冒泥病害的區(qū)分依據(jù)。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)例概況

2018年1月30日至2018年4月24日，四川歸連鐵路有限公司組織人員，采用本文提出的作業(yè)流程，利用GPR對(duì)歸德至連界鐵路K0～K30443里程存在的翻漿冒泥病害分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘探、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與解釋。在勘探的近30 km路基凈長(zhǎng)度(不含橋隧)中，發(fā)現(xiàn)道床和基床翻漿冒泥點(diǎn)約250處，平均8處/km，病害密度和嚴(yán)重程度十分罕見。

工作內(nèi)容包括：

a.對(duì)歸德至連界鐵路K0～K30443里程地表已發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)記錄。

b.采用SIR-20GPR和400 MHz單體屏蔽天線，選擇典型的已發(fā)現(xiàn)翻漿冒泥的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行雷達(dá)波特征試驗(yàn)測(cè)試與檢驗(yàn)，并通過挖探方法驗(yàn)證，進(jìn)行翻漿冒泥探測(cè)時(shí)窗設(shè)定以及雷達(dá)波形特征和電性參數(shù)的標(biāo)定。

c.采用SIR-20GPR和400 MHz單體屏蔽天線，對(duì)歸德至連界鐵路K0～K30443里程范圍存在的翻漿冒泥的點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)。

d.對(duì)野外雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)處理、分析與地質(zhì)解釋，繪制翻漿冒泥點(diǎn)或區(qū)域分布的剖面圖與平面圖。

e.編寫報(bào)告。

本次探測(cè)，沿鐵路正線方向縱測(cè)線布設(shè)3條(建議布設(shè)5條)，分左、中、右，測(cè)線間距1 017.5 mm。左測(cè)線按歸德至連界鐵路方向的左軌道外側(cè)0.3 m沿鐵路線布設(shè)，右測(cè)線按歸德至連界鐵路方向的右軌道外側(cè)0.3 m沿鐵路線布設(shè)，中測(cè)線按歸德至連界鐵路方向的線路中心線布設(shè)。

因測(cè)線間距較大，考慮到0.75～1.5 m深度范圍內(nèi)縱向分辨率過低，可探測(cè)的翻漿冒泥病害目標(biāo)體可能遺漏的情況，沿鐵路正線方向?qū)Υ嬖诜瓭{冒泥或檢測(cè)判斷存在翻漿冒泥隱患的區(qū)域，在軌道內(nèi)沿中測(cè)線左右兩側(cè)0.5 m處各平行加密布設(shè)測(cè)線1條(間斷加密)。

2.2 翻漿冒泥病害數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

圖11所示為K14410～K14318里程左、中、右3條測(cè)線處理解釋的翻漿冒泥病害分布的縱剖面圖。繪制方法參見文獻(xiàn)[9]，原圖的比例尺：水平方向1∶500、垂直方向1∶50。

表2為K14410～K14318里程現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)記錄的翻漿冒泥病害，以及GPR探測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析與解釋的翻漿冒泥病害點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表2可知，現(xiàn)場(chǎng)勘查記錄的翻漿冒泥病害，在GPR探測(cè)數(shù)據(jù)處理、分析與解釋的結(jié)果中均有體現(xiàn)，數(shù)量符合率100%；數(shù)據(jù)處理、分析與解釋的翻漿冒泥病害的剖面圖分布，其里程涵蓋現(xiàn)場(chǎng)勘查的相同的翻漿冒泥病害的里程，并且包括現(xiàn)場(chǎng)勘查未發(fā)現(xiàn)的隱伏于道砟下的翻漿冒泥病害。

圖11 K14410～K14318里程翻漿冒泥病害分布剖面圖Fig.11 Profile of the mud pumping distribution from K14410 to K14318 mileages

地面勘查結(jié)果病害序號(hào)里程標(biāo)識(shí)軌道標(biāo)號(hào)軌道偏移/m里程偏移/m長(zhǎng)度/cm最大寬度/cm病害描述107K14+160.3 400.3 60.0 50.0 翻漿冒泥中心點(diǎn)在內(nèi)側(cè),距離左軌30 cm108 15-0.5 374.5 130.0 260.0 翻漿冒泥跨線109 14-0.9 349.1 130.0 260.0 翻漿冒泥跨線110 13-1.0 324.0 600.0 190.0 324+1.5 m處翻漿冒泥嚴(yán)重111 13-5.1 319.9 90.0 190.0 翻漿冒泥中心點(diǎn)在內(nèi)側(cè),距離右60 cm雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果病害序號(hào)左測(cè)線中測(cè)線右測(cè)線起點(diǎn)里程終點(diǎn)里程起點(diǎn)里程終點(diǎn)里程起點(diǎn)里程終點(diǎn)里程9614405.50 14397.38 14405.50 14396.72 9714378.92 14370.56 14379.46 14370.32 14377.84 14372.06 9814353.72 14345.06 14354.02 14345.48 14354.68 14350.82 9914331.58 14319.41 14331.16 14318.60 14332.00 14319.44

根據(jù)圖11剖面圖翻漿冒泥病害點(diǎn)或區(qū)域，按圖10所示空間位置描述方法，解釋標(biāo)定翻漿冒泥病害底界的深度、里程值，繪制了圖11各個(gè)剖面圖所示里程翻漿冒泥病害分布底界深度等值線平面圖(圖12)。

平面圖比例尺設(shè)定為1∶100，采用Surfer軟件克里金插值法繪制。雖然主測(cè)線只有3條，由于采用了在翻漿冒泥或檢測(cè)判斷存在翻漿冒泥隱患的區(qū)域加密測(cè)線的方法，規(guī)避了0.75～1.5 m深度范圍內(nèi)縱向分辨率過低可探測(cè)的翻漿冒泥病害目標(biāo)體可能漏測(cè)的情況。圖12較好地反映了該里程段鐵路翻漿冒泥病害點(diǎn)或區(qū)域的平面分布及其演化趨勢(shì)，能夠?yàn)榉瓭{冒泥整治提供可靠的設(shè)計(jì)與施工依據(jù)。根據(jù)圖12，采用挖探方法對(duì)病害點(diǎn)進(jìn)行揭示，對(duì)勘探成果進(jìn)行了檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，深度方向邊界誤差<20 cm，測(cè)線方向邊界誤差<50 cm，勘探成果明顯優(yōu)于以往主要依靠鉆探、挖探、釬探圈定病害周界的常規(guī)勘探(常規(guī)勘探方法對(duì)非揭示處的邊界一般靠推測(cè))。

圖12 K14410～K14318里程翻漿冒泥病害底界深度等值線平面圖Fig.12 Contour map of bottom boundary depth of the mud pumping from K14410 to K14318 mileages

3 結(jié) 語(yǔ)

歸德至連界鐵路首次采用本文所述GPR勘探方法進(jìn)行了大規(guī)模的翻漿冒泥病害圈定，病害點(diǎn)的符合率和病害點(diǎn)的邊界誤差都滿足要求，證明GPR不僅可用于小范圍病害點(diǎn)的檢測(cè)，而且只要采用合適的方法，執(zhí)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鳂I(yè)流程，也可以用于長(zhǎng)大鐵路線路翻漿冒泥病害的勘探。

實(shí)際應(yīng)用、分析與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所述鐵路翻漿冒泥病害的GPR勘探方法：

a.深度方向邊界誤差<20 cm，測(cè)線方向邊界誤差<50 cm，分辨率較高，勘探成果可以作為后期翻漿冒泥整治設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)資料。

b.能夠比較準(zhǔn)確地探測(cè)、處理、分析、解釋鐵路現(xiàn)場(chǎng)目視可見的翻漿冒泥病害，符合率100%，并可對(duì)其隱伏部分的周界進(jìn)行較準(zhǔn)確的圈定。

c.對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)目視不可見的隱伏的翻漿冒泥病害，在其分辨率許可的范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)翻漿冒泥病害的早期發(fā)現(xiàn)。

d.大量減少了挖探點(diǎn)的數(shù)量以及挖探點(diǎn)的揭開范圍，相比于以往依賴人工挖(鉆)探圈界的常規(guī)方法，其勘探效率和勘探精度均有大幅提高，減少了野外作業(yè)所需的人工，使得整個(gè)勘探成本得以顯著降低。

e.除使用GPR廠家配套的軟件外，幾乎不依賴第三方數(shù)據(jù)處理與解釋軟件，在減少軟件購(gòu)置費(fèi)的同時(shí)，也極大地降低了數(shù)據(jù)處理與解釋的難度與成本。

f.由于GPR探測(cè)及其數(shù)據(jù)處理與解釋采用了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和普適化的作業(yè)流程或方法，使GPR勘探作業(yè)更加程式化，一定程度上降低了對(duì)雷達(dá)使用人員專業(yè)技能和計(jì)算機(jī)水平的依賴，具較好的應(yīng)用推廣前景。