有砟铁路路基病害在探地雷达图像上的时域特征

刘欢 李晋平 王伟

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司北京铁科工程检测有限公司，北京 100081；2.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083）

高精度、快捷、环境友好型的探地雷达作为一种工具，越来越多地应用于铁路路基非侵入性的评估和长期监测。该方法以电磁学理论为基础，在土木与环境工程［1］、地质［2］、考古［3］、行星科学［4］、法医学［5］、交通运输［6-9］等多个领域得到了广泛的应用。本文以一既有线铁路为例，采用WX999318隧道状态检查车（以下简称隧检车）对该线路路基状况进行了快速检测。该线铁路为重载铁路，列车运行过程中路基承受的连续动荷载逐年增加，尤其在万吨货车的作用下，路基基床变形、翻浆冒泥、下沉、含水异常、道砟陷槽等铁路路基病害频繁发生。本文通过分析路基翻浆冒泥、下沉、含水异常、道砟陷槽病害探地雷达（Ground-Penetrating Radar，GPR）图像特征，建立常见的铁路路基病害与探地雷达时域图像的对应关系，为后期雷达图像自动化或半自动化快速识别奠定基础。

1 检测方法

1.1 车载GPR工作原理

地质雷达系统通常由发射天线、接收天线、控制单元、数据存储单元和显示单元构成。发射天线向被研究介质表面发射电磁脉冲，接收天线收集被地下的电介质异常体反射和散射回来的信号。从接收信号中提取特征，如时间延迟、反射波峰振幅和频率谱，用以评价目标体的特性。根据调查目的和类型使用地面耦合或空气耦合天线，天线的选取取决于所需的穿透深度、被研究的土壤类型和被探测的异常体大小。

铁路车载式地质雷达的检测原理如图1所示。安装在铁路列车上的发射天线发射一系列电磁脉冲，电磁脉冲垂直入射到铁路下方的结构层（道床、路基表层、路基底层等），当遇到两种具有不同电磁特性的材料之间的界面时，一部分的电磁波被反射回探地雷达接收天线。这种反射信号构成了测量记录中的一个重要组成部分。在一个测点上得到的一个完整波形，称一个扫描线A-Scan，它提供了关于地下构造精确的一维信息。当连续测试时，将每个测点扫描线重叠构成二维矩阵，得到连续剖面图B-Scan，即地质雷达图像［10］。地质雷达图像可直观地反映路基内各结构层的厚度变化以及物性变化，用于实时可视化数据解释。

图1 车载地质雷达工作原理

1.2 检测仪器设备

隧检车（图2）上车载式路基状况检测系统由雷达主控器、3 个400 MHz 屏蔽天线、数据采集仪、信号显示仪、视频记录仪、测距仪、信号传输电缆等组成。系统启动后，测距仪触发雷达系统按设定的间隔发射脉冲信号并接收路基结构层反射的雷达波信号。采集仪记录显示系统实时显示检测到的回波信号，生成雷达图像，从而获取各路基结构层的情况。

图2 WX999318隧道状态检查车外观

1.3 测线布置

现场检测时，将天线悬挂固定在隧道检查车底部，与轨顶保持一定距离，对路基进行快速连续检测。数据采集采用测距轮脉冲触发模式，每30 km 自动换名存储。数据采集过程中做好现场记录，为后期数据预处理、里程初步校正、数据解释、数据备份等提供参考。本次检测布置了3 条测线，如图3 所示。中间测线布置在线路中心，钢轨两侧各布置一条测线，由平行放置的3个400 MHz屏蔽天线进行数据采集。

图3 路基检测测线布置示意

本次检测使用中心频率为400 MHz的屏蔽天线，采样时窗为65 ns，采样点数为512，道间距为0.1129 m。

1.4 数据处理

采用中国矿业大学（北京）地质雷达（Ground Radar，GR）处理分析系统进行数据处理。通过处理，雷达图像中规则和随机的干扰信号得到压制，信号信噪比得到提高，路基结构层间界面、病害体外部界面及其内部结构的反射波振幅、波形、相位和频谱随双程走时（或深度）、里程、测线等变化图像特征得到凸显。本次处理流程包括里程校正、零线设定、背景去噪、增益控制、道间均衡、一维滤波、预测反褶积处理等。雷达图像最后在matgpr 软件上以wiggle 波形图展示。

2 铁路路基病害GPR图像分析

常见的铁路路基病害有：翻浆冒泥、下沉、含水异常、道砟陷槽、基床不平整等。本文通过对车载探地雷达图像的波形特征、频率、幅度、相位和电磁波能量吸收的变化规律进行分析，建立其与铁路路基病害的对应关系。

2.1 正常铁路路基GPR图像

图4是无任何病害的正常铁路路基GPR数据处理后的B-Scan 灰度图，图像内右侧波形为其中某一道的A-Scan。可知：在0 ns，有一层整齐规则的锯齿状尖波，为轨枕的反射；在0 ～9 ns，出现不规则的多次反射波，由道砟层内不同级配的碎石造成；在9 ～11 ns 出现两层能量较大、连续且平直的同相轴，层状结构明显，可连续追踪，推断其为砂垫层，并且在单点曲线图上对应时间出现尖脉冲，相位相反，这是介质的介电常数差异所造成的；11 ～23 ns 的结构为基床，23 ns以下的结构为下伏地层。

图4 正常铁路路基GPR图像

2.2 翻浆冒泥病害GPR图像

翻浆冒泥是最常见的一种铁路路基病害，分为道床性和基床性两种。在水侵蚀和反复列车振动的作用下，砂砾石层或含有黏土和粉粒的路基土中的小碎屑和石粉污染物在一定条件下软化、触变、液化形成泥浆。列车通过时，轨枕上下微小波动，使泥浆通过道砟孔隙被挤压、抽吸上来，造成道床的脏污和硬化，从而降低或失去道床的弹性，轨道几何尺寸变化，导致线路不平顺。基床表层、底层或地基翻浆时会使基床不密实，承载力下降，进一步恶化会导致下沉病害。

图5 红色方框内为翻浆冒泥GPR 病害图像，翻浆冒泥在基床内部形成，穿过砂垫层至道床内部，在道床中部至基床顶面深度范围内，出现较连续、波动的强反射同相轴，含水状况不同，其多次反射存在差异，并且掩盖了道床、基床界面的反射信号，表现出道床、基床界面反射同相轴向浅层抬升的假象。基床顶部深度临近区域波组杂乱、不连续、低频强反射形似“山尖”或“草帽”状。

图5 翻浆冒泥路基GPR图像

2.3 路基下沉病害GPR图像

路基下沉是由于基床和路基土或软弱地基的密实度不够，受水、覆盖层荷载、自重的影响，在气候变化、列车动荷载和振动的耦合作用下，发生局部或大面积垂直沉降或沉降变形，局部或范围较小且有道砟陷入基床时又称道砟陷槽、道砟囊或道砟袋。有的经过列车运行压实及局部路基病害整治后，下沉趋势缓解，仅在雷达图像上有不平整的基床表面显示，对行车安全已无较大影响；有的因上覆荷载增加、水的作用或基床不密实恶化使沉降速率加大，影响行车安全。对路基下沉病害的监测和治理宜建立长效机制，及时发现和整治。

路基下沉雷达图像的特征如图6。可知，道床和基床结构层间界面、基床表层和底层间界面反射同相轴发生明显的弯曲、深度向下错断或偏移，同相轴在相同深度附近中断，不连续、时断时续或高低不平，砟土混合比较严重时同相轴可能缺失。

图6 路基下沉GPR图像

2.4 含水异常病害GPR图像

含水异常指一定长度区段路基中一定深度结构层界面，其含水量相对临近区段较大的现象。基床或地基含水量较大会导致路基质量恶化稳定性不足，容易引发翻浆冒泥、下沉等病害。图像特征（图7）为：界面低频强反射、振幅较大、相位反相且存在多次反射，电磁波能量衰减快，能量团分布不均匀，自动增益梯度大。由于含水表面通常连续分布，反射波同相轴连续性好，波形相对均匀。

图7 含水异常路基GPR图像

2.5 道砟陷槽病害GPR图像

由于降雨，路基被雨水软化，软化的土层变形促进了道砟囊的形成。道砟囊改变了原有的排水功能，使地表水或地下水更容易沉积在路基中，侵蚀路基，破坏路基的承载力，严重时导致路基坍塌，道砟压入路基基面，最终形成道砟下沉。图8 为道砟陷槽GPR特征图像，图像中反射信号强，连续同相轴突然断开，有显著的下降，如同断层中的地堑一样。

图8 道砟陷槽GPR图像

总结以上路基病害与探地雷达图像及波形特征的对应关系，见表1。

表1 铁路路基病害GPR图像及波形特征

3 结语

利用探地雷达检测铁路路基病害，检测速度快、效率高，检测结果直观、准确、可靠。本文基于探地雷达图像的波形、频率、振幅、相位、电磁波能量吸收（或自动增益梯度）等细节特征的变化规律建立了铁路路基病害与探地雷达特征图像的对应关系，可作为雷达图像判读的重要依据，也有利于今后探地雷达图像的智能快速识别。