高速铁路路基病害地质雷达图像识别技术

高速铁路路基病害地质雷达图像识别技术

王彦佳何振起

（北京中铁瑞威工程检测有限责任公司）

【摘要】本文通过与实物模型对比，介绍了地质雷达探测高速铁路路基病害图像特征，便于同行在地质雷达高速铁路路基病害检测中参考。

【关键词】高速铁路；路基；病害；地质雷达；图像；识别

1．引言

高速铁路安全、高效，又有减少环境污染的优势，因而特别适宜于大运量的城市间的快速旅客运输。高速铁路已经成为世界铁路建设的主要发展方向。我国高速铁路普遍采用无砟轨道技术。无砟轨道与有砟轨道相比，因其结构的不同，病害有着特殊性。本文结合在郑西、石武、成灌与沪宁等高铁无砟轨道路基的地质雷达检测实践，给出了典型的高铁无砟轨道路基病害地质雷达图像，为识别病害提供参考。

2．高速铁路无砟轨道结构、病害特点及地质雷达检测路基的适用性

我国高速铁路的无砟轨道主要类型为CRTSI型和CRTSⅡ型，其中CRTSI型为单元板式无砟轨道，CRTSⅡ型为纵连板式无砟轨道，虽然结构设计不同，但同为板式无砟轨道，出现的结构病害大体相同。高铁路基病害主要有：高铁路基的轨道板、底座及其下部的基床表层（级配碎石层）各层间可能存在脱空、混凝土层内不密实、底座板破裂等主要病害（缺陷）问题。

地质雷达法是利用超高频电磁波反射原理（106HZ～109HZ）来探测地下浅层地质构造的地球物理方法。是一种高分辨率探测技术。当路基中存在病害时路基结构层的成层性和连续性遭到破坏，在地质雷达检测图像上可形成同相轴不连续。由于高铁路基深度要求不大，并具有很好的成层性，因此地质雷达是一种有效的高铁路基病害普查方法。利用地质雷达法检测高铁路基可指导工务部门对铁路路基养护维修工作。

图1高速铁路无砟轨道结构病害位置图

3．高铁路基病害地质雷达图像的识别和分析

高铁路基检测是地质雷达应用的新领域，对地质雷达路基检测图像会有不同认识，本人根据高铁路基模型试验结果和多年高铁路基检测实践，给出几幅高铁路基病害地质雷达检测图像，供检测同行参考。

3.1正常高铁路基地质雷达图像特征

图2正常高铁路基地质雷达图像

图2是正常高铁路基地质雷达图像。从高铁路基检测角度，正常的高铁路基各层厚度尺寸应符合设计要求，地质雷达图像表现为各反射层连续、平顺、无局部强反射或绕射波。单道波形曲线能连成一组光滑曲线，其界面形态反映了路基结构。

3.2轨道板内空洞、不密实病害图像

由于轨道板混凝土施工中由于捣固不足等原因，往往轨道板内常形成欠密实区。

图3轨道板病害对应的模型试验图像（LTD雷达1200MHZ天线）

图3是模拟轨道板病害的模型试验地质雷达图像，图中在水平位置x=0.7m，h=0.20m；x=1.8m，h=0.18m有两个椭圆形弧线圈定的强反射区域（突出的红蓝区域），呈现明显的抛物线形雷达反射波，抛物线形态明显、完整、反射波组振幅较强，与预先埋置的不密实体（鹅卵石编制袋）、空洞（空木箱）等完全对应。

图4轨道板内不密实病害的雷达图像（SIR雷达400MHZ天线）

图4是实测高铁轨道板内不密实地质雷达模型图像。在轨道板扫描数（scan）650～900（相当于长度2m）位置，深度0.12m内轨道板内存在一强反射区。经打孔验证为轨道板内部不密实。

轨道板内存在不密实区地质雷达图像特征：

1）不密实区为抛物线形雷达反射波形态；

2）不密实区为红，蓝相间的强反射，两段各有半个弧形抛物线形雷达反射波。

3.3轨道板及底座板内钢筋雷达图像

对于高铁轨道板或钢筋混凝土底座板，其内部，常有配筋上缺陷：或配筋大小不一，或配筋密度不够，或配筋位置发生错位；这都影响着混凝土的承载力并易于造成结构破坏。

轨道板及底座板内地质雷达钢筋图像特征

1）从图5中，能够很明显地看到两层钢筋的反射弧形，通过弧形的中点部分可以得到钢筋表面的埋设深度。

2）通过分析钢筋的反射弧强、弱，可以区分钢筋粗细、起伏异常。

3.4高铁路基底座板裂损地质雷达图像

通常高铁路基的结构:上部是轨道板（道床板），中间是CA砂浆（素混凝土乳化沥青砂浆），下部是底座板。对于钢筋混凝土构件，在列车高速冲击下，极易发生裂损破坏。尤其在混凝土捣固不均区域，破损常有发生。

高铁路基底座板裂损地质雷达图像特征

1）当高铁路基底座板裂损时，由于路基结构受到破坏，在底座板裂损地段，地质雷达剖面图出现紊乱、绕射、同相轴不连续。

2）可沿测线方向分析地质雷达纵向剖面图同相轴连续性和绕射波位置、强度等情况，从中提取轨道板及底座板裂损位置、范围、严重程度等信息。

3.5高铁路基轨道板、底座板脱空地质雷达图像

高铁路基轨道板与底座板、底座板与基床表层间，由于填料控制不严、碾压不足等原因，在列车动载作用下造成脱空，通常脱空大小在1cm以下。在脱空区域常伴有翻浆冒泥病害。

高铁路基轨道板、底座板脱空地质雷达图像特征

1）当高铁路基轨道板、底座板脱空时，由于路基结构易受到破坏，在轨道板、底座板脱空地段，地质雷达剖面图出现紊乱、绕射、同相轴不连续等图像特征。

2）由于大小通常仅有几毫米，地质雷达脱空信号与底座板界面信号重叠，从而形成雷达反射波的多相位，在判断高铁路基轨道板、底座板脱空时，可沿测线方向分析地质雷达纵向剖面图同相轴是否有多相位或由于叠加而振幅加强形成强反射；以及相位的连续性和绕射波位置、强度等情况，从中提取轨道板及底座板脱空位置、范围、严重程度等信息。

3.5高铁路基含水地质雷达图像

地质雷达对路基含水非常敏感，当路基含水时，在雷达图像上表现为低频、相位反相的强反射。用LTD雷达1200MHZ地质雷达天线在中铁瑞威公司模型上的高铁路基软化试验获得的雷达图像。路基软化深度5cm，纵向长度1m。

用LTD雷达400MHZ天线在沪宁城际某路桥过渡段现场检测雷达图像。路基含水深度在3m下，纵向长度6m，反射相位清晰，同相轴连续。

高铁路基含水地质雷达图像特征

1）当高铁路基含水时，雷达图像出现强反射、绕射、同相轴不连续。

2）由于路基含水时雷达图像出现强反射，可沿测线方向分析地质雷达纵向剖面图同相轴是否有强反射；以及相位的连续性和绕射波位置、强度等情况，从中提取路基含水位置、范围、严重程度等信息。

3.6路基下沉

通常在桥路过渡段，由于大型机械无法进入，其压实度比其它地段要小，加之桥头受到列车冲击作用的影响，很容易形成桥头沉降现象，桥头沉降在雷达剖面图上表现为：基床面同相轴整体下降，然后逐渐抬升。

4．结语

地质雷达在检测高铁路基轨道板及底座板裂损、脱空、路基含水、下沉等方面效果是明显的，但由于高铁路基病害规模一般都较小，建议还需采用更精细的方法技术和设备。

参考文献：

[1]彭华；张鸿儒“铁路路基病害类型、机理及检测与整治技术”工程地质学报2005，13（2）．

[2]周忠国“高铁CRTS-Ⅰ型无砟轨道路基翻浆病害整治技术研究”上海铁道科技2012，（4）．

[3]李大新“探地雷达方法与应用”北京：地质出版社，1994．

[4]博会申“地质雷达技术实用手册”北京：地质出版社，2006．

作者简介：

王彦佳（1985），男，甘肃会宁人，主要从事工程物探和铁路工程检测工作