王石磊，彭湛，齊法琳，馬駿，陳浩

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京工務(wù)段，北京 100007；3.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工電檢測所，上海 200071）

0 引言

碎石道床是有砟軌道結(jié)構(gòu)的基本組成部分，隨著服役時間增加，道床漸失彈性和排水功能，需要開展頻繁維修工作，直至清篩大修［1］。道床臟污狀態(tài)是清篩策略決策的重要依據(jù)，傳統(tǒng)道床臟污率主要通過現(xiàn)場挖驗取樣進(jìn)行質(zhì)量篩分確定，該方式天窗用時長、效率低，難以普遍開展［2-4］。因具有快速、無損優(yōu)勢，近10年來國外圍繞碎石道床雷達(dá)檢測及量化評價技術(shù)進(jìn)行了大量實踐。國外針對碎石道床狀態(tài)快速檢測主要采用高頻雷達(dá)技術(shù)［5-7］，當(dāng)前我國對此研究及應(yīng)用仍較少，因此有必要對該技術(shù)可行性及雷達(dá)測試適宜參數(shù)進(jìn)行研究。

采用高頻雷達(dá)采集了實際線路碎石道床數(shù)據(jù)，分析碎石道床雷達(dá)電磁信號特征及道床介電特性，驗證雷達(dá)測試參數(shù)的有效性，為后續(xù)該技術(shù)深化研究奠定了基礎(chǔ)。

1 技術(shù)原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是指通過發(fā)射天線向被測對象內(nèi)部發(fā)射電磁波，當(dāng)遇到介電特性存在差異的界層或區(qū)域時，電磁波會發(fā)生反射，接收天線記錄回程波時間和振幅，形成單道波形，沿線路方向按指定間隔進(jìn)行采樣即可形成由多道波形組成的二維雷達(dá)圖像。通過對單道波信號及二維雷達(dá)圖像分析，可獲取被測對象特定的物理參數(shù)（如道砟厚度等）。地質(zhì)雷達(dá)電磁波在碎石道床中傳播路徑示意見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波在碎石道床中傳播路徑示意圖

采用高頻雷達(dá)測試碎石道床時，電磁波除在介電特性存在差異的界層或區(qū)域發(fā)生反射外，當(dāng)電磁波波長與碎石顆粒間間隙尺寸相近時會發(fā)生散射現(xiàn)象。基于散射現(xiàn)象存在與否或明顯程度，可表征道床碎石顆粒間孔隙狀況，進(jìn)而為間接識別道床臟污、板結(jié)、翻漿冒泥及其誘發(fā)的排水不良等線路修理問題提供解決方案。碎石道床內(nèi)高頻雷達(dá)電磁波典型散射特征見圖2。

圖2 碎石道床內(nèi)高頻雷達(dá)電磁波典型散射特征

2 模型試驗

2.1 30 m足尺碎石道床模型

基于30 m路基病害模擬槽構(gòu)建足尺碎石道床模型，道床底寬5 m，采用混凝土Ⅲ型軌枕、60型鋼軌，采用Ⅰ級碎石道砟，碎石道床模型斷面見圖3。

圖3 碎石道床模型斷面

模型沿長度分為Ⅰ～Ⅳ區(qū)段，各區(qū)段長為7.5 m。區(qū)段Ⅰ、Ⅱ為全斷面臟污；區(qū)段Ⅲ分層臟污，臟污厚度為底部17 cm；區(qū)段Ⅳ為潔凈道砟；道床底部沿線路縱向預(yù)埋4塊長3.8 m、寬20 cm、厚10 mm的鋼板。道床縱斷面見圖4。

圖4 碎石道床模型縱斷面

區(qū)段Ⅰ臟污組分采用粒徑小于5.0 mm的細(xì)顆粒煤，區(qū)段Ⅱ、Ⅲ臟污組分采用粒徑小于7.1 mm的級配碎石材料模擬。碎石道床模型構(gòu)筑狀況見圖5。在模型構(gòu)筑前后采用水準(zhǔn)儀分別測量了10處道床底部及軌頂標(biāo)高，推算枕底道床厚度見表1。

圖5 碎石道床模型構(gòu)筑狀況

表1 典型位置模型枕底道床厚度推算值 cm

2.2 既有鐵路線測試

某測試鐵路線為Ⅰ級普速鐵路，試驗區(qū)間長3000m，包含隧道2座，簡支預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋2座，測試線路以貨物運輸為主，貨物類型主要為煤炭。隧道段于2019年進(jìn)行了人工清篩，路基及橋梁區(qū)段15年內(nèi)未清篩，未清篩區(qū)段道心及枕端存在翻漿冒泥，道砟孔隙內(nèi)存在細(xì)顆粒煤集聚現(xiàn)象。測試區(qū)段布局及典型道砟表面狀況見圖6。

圖6 既有線測試區(qū)段布局

2.3 測試系統(tǒng)及參數(shù)

采用GSSI公司生產(chǎn)的2 GHz中心頻率空氣耦合型天線及配套主機(jī)作為雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元，采集單元搭載于人工助力推行的同軸轉(zhuǎn)動絕緣輪金屬框架小車上，測試系統(tǒng)組成見圖7。為模擬道床運營檢測需求天線位于線路車輛限界內(nèi)，橫向布置3部天線，其中枕端天線極化方向與線路方向一致，道心天線極化方向垂直于線路，天線底面距軌頂190 mm，天線布局見圖8。采集時窗為15～25 ns，采樣點數(shù)為512，道間距為5 cm，采集過程不設(shè)增益調(diào)整，測試速度約為3 km/h。

圖7 測試系統(tǒng)組成

圖8 測試天線布局

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 30 m碎石道床

3.1.1 雷達(dá)圖像

為測試不同時窗對道床檢測能力的影響，30 m碎石道床試驗分別設(shè)置了15、20 ns兩種工況，各工況下3條測線雷達(dá)圖像分別見圖9、圖10。

圖9 20 ns時窗測試結(jié)果

圖10 15 ns時窗測試結(jié)果

測試結(jié)果表明2種時窗設(shè)置均能有效捕捉到道床底部反射信號（見圖9、圖10中藍(lán)色標(biāo)注區(qū)域），說明高頻雷達(dá)測試系統(tǒng)枕底有效探測深度大于45 cm，道砟有效探測深度大于65 cm，能夠滿足碎石道床狀態(tài)探測需求。15 ns時窗工況下，道床底部鋼板反射信號處于有效信號的下緣，即單道波形內(nèi)道床有效數(shù)據(jù)占比更大，道床狀態(tài)信息挖掘空間更大。

3.1.2 介電常數(shù)推算值

對圖9、圖10中具有明確反射信號的區(qū)域，在雷達(dá)圖像中拾取同一位置處砟面及鋼板表面反射峰值，計算雙程走時，結(jié)合道砟厚度實測結(jié)果，按公式（1）推算介電常數(shù)，具體計算結(jié)果見表2。

式中：εr為介電常數(shù)；c為電磁波在真空中的傳播速度；Δt為電磁波在介質(zhì)中的雙程走時；h為砟面至鋼板間的距離。

表2 30 m碎石道床模型不同區(qū)段介電常數(shù)推算結(jié)果

測試結(jié)果表明：區(qū)段Ⅱ介電常數(shù)介于6.4～7.0，平均值為6.7；區(qū)段Ⅲ介電常數(shù)介于4.3～5.0，平均值為4.7：區(qū)段Ⅳ介電常數(shù)較為均勻，均為4.7。區(qū)段Ⅱ介電常數(shù)最大，區(qū)段Ⅲ與Ⅳ平均介電常數(shù)一致，但區(qū)段Ⅲ介電常數(shù)存在一定的離散現(xiàn)象。由此表明，潔凈道床介電常數(shù)較為統(tǒng)一，伴隨臟污程度的增加，道床介電常數(shù)存在明顯增大現(xiàn)象。

3.2 既有線測試結(jié)果

3.2.1 典型部位挖驗推算道床介電常數(shù)

既有線K191+073處設(shè)置挖驗孔，雷達(dá)圖像及挖驗孔狀況見圖11，挖驗孔處砟面距道砟底面53 cm，枕底道砟厚30 cm，挖驗處前后道床底部雷達(dá)反射信號明確，反射信號雙程走時約8.7 ns，按公式（1）推算道床介電常數(shù)約為6.0，相較于30 m碎石道床潔凈區(qū)段，介電常數(shù)存在明顯增大，說明該處亦存在明確臟污。

圖11 典型區(qū)段雷達(dá)圖像及挖驗狀況

3.2.2 高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

國外針對碎石道床高頻雷達(dá)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量研究，參考文獻(xiàn)［5］的方法對雷達(dá)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體步驟見圖12。原始雷達(dá)圖像、希爾伯特變換、縱向平滑豎向低通等關(guān)鍵處理步驟結(jié)果見圖13。

圖12 高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

圖13 高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)鍵處理步驟結(jié)果

結(jié)果表明，原始雷達(dá)圖像難以直觀展示碎石道床深度及沿線路長度方向變化信息，采用的研究方法對高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)處理后，道床狀態(tài)信息可讀性明顯增強(qiáng)。以縱向平滑豎向低通處理結(jié)果為例，綠色代表臟污程度相對較低區(qū)域，紅色代表臟污程度相對較高區(qū)域，路基、隧道、橋梁區(qū)段所揭露的道床狀態(tài)與線路維護(hù)較為吻合，后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場挖驗取樣后質(zhì)量篩分結(jié)果，深入研究基于雷達(dá)數(shù)據(jù)屬性量化表征道床狀態(tài)的方法。

4 結(jié)論

（1）30 m碎石道床模型試驗結(jié)果表明高頻雷達(dá)道砟有效探測深度不低于65 cm，能夠滿足碎石道床狀態(tài)檢測的需求。

（2）碎石道床高頻雷達(dá)測試參數(shù)可按間距5 cm、采樣點512、時窗15 ns設(shè)置。

（3）潔凈道床介電常數(shù)較為統(tǒng)一，干燥狀態(tài)下測試結(jié)果為4.7，伴隨臟污程度的增加，道床介電常數(shù)存在明顯增大現(xiàn)象。

（4）原始高頻雷達(dá)圖像難以直觀展示碎石道床深度及沿線路長度方向變化信息，采用增益調(diào)整、希爾伯特變換等操作后道床狀態(tài)可讀性明顯增強(qiáng)，如何基于雷達(dá)數(shù)據(jù)屬性量化表征道床狀態(tài)是后續(xù)研究的重點。