重载铁路路基下沉车载探地雷达检测技术研究

重载铁路路基下沉车载探地雷达检测技术研究

孙鑫 陈元

中铁三局集团有限公司勘测设计分公司 山西太原 030001

引言：既有重载铁路路基病害检测，安全文明要求高、工期紧，如何在保证安全、不影响既有线铁路运营的情况下，对既有铁路线的影响降到最低，快速地完成检测工作，获得准确的检测结果，为后续设计、施工工作创造有利的条件，必须结合项目实际情况，研究一种安全、可靠、快速的检测技术。本文主要对车载探地雷达重载铁路路基下沉检测技术研究进行了简要的分析，为相关的工作提供一定的参考。

1、工程概况：

某国家I级电气化铁路，随着重载列车的开行及列车载重的增加，对路基强度及稳定性的要求大大提高，虽经过不断扩能改造，但铁路路基病害时有发生。由于路堤填料级配不良，压实度、压缩模量等土体力学指标不合格，受地表水侵入、积聚影响，加上列车荷载的反复作用下，处于非饱和状态的填土强度急剧衰减，路基承载力快速下降。随着地表水的持续进入，劣化填土区域不断扩大，最终出现基床下沉、外挤，甚至出现陷穴等病害。个别地段多年累计沉降量达到2m。为掌握该段线路路基状态，实地了解该段线路路基沉降情况，需对该区段有沉降的地段进行勘测。

2、与传统检测技术对比分析：

传统的路基检测方法主要为场地踏勘、调查、测绘、物探、钻探、试验，并在室内综合以上各种方法得出的地质判断，需要花费大量的人力和物力，且对道砟厚度、道碴囊、路基下沉量等情况掌握不准确，只能通过基础勘测点连线进行粗略判断。

车载探地雷达检测铁路路基的工作原理是通过车载探地雷达空气耦合天线向路基发射短电磁波脉冲，电磁波入射遇到结构与地层界面产生反射回波，在同一个测点，雷达接收天线收到不同时间到达的回波而得到一个完整的波形，连续采集得到路基状态的雷达图像。根据雷达图像可获取电磁波的双程走时、波形及振幅响应，从而获取路基状态信息。检测系统现场采集得到探地雷达原始数据，原始数据需经过处理才能清楚反映地下反射界面和异常。数据处理就是在强干扰背景下提取弱的有效反射信号的过程。雷达信号在地层传播过程中存在着衰减和散射等干扰，雷达数据处理的目的就是压制随机和规则的干扰，提取反射波有用信息来进行资料解译，其中数据处理主要包括去背景、直流归零、带通滤波、滑动平均、梯度、增益放大等方法，进而对路基状态进行评价。

3、设备组成与工艺流程：

3.1设备组成：（1）、主机系统；

（2）、雷达天线系统；

（3）、里程定位系统；

（4）、数据采集系统；

（5）、数据处理系统。

3.2工艺流程。

车载探地雷达重载铁路路基下沉检测技术工艺流程见 “车载探地雷达重载铁路路基下沉检测技术工艺流程图”。

图-1 车载探地雷达重载铁路路基下沉检测技术工艺流程图

4、技术操作要点

4.1检测车采用两台轨道车加挂一节平板车组成，雷达天线设备安装在平板车上，数据采集系统设备布置在轨道车内工作室。所有检测设备安装在机车车辆限界内，检测车在15km/h～80km/h的运行速度下完成整段线路的连续检测。

本次路基检测布置3条测线，分别位于线路中心和两侧枕木头处。系统由高速扫描探地雷达系统、空气耦合天线、多普勒测距雷达与GPS校正定位系统以及多通道数据采集与处理系统构成。车载探地雷达路基检测可以在不影响正常铁路运输的情况下，利用轨检车、平板车作为车载平台，空气耦合天线位于铁路机车车辆限界以内，布置三条检测测线，三个通道相互独立，完成铁路路基的连续性检测。

项目	技术参数
天线频率	300MHz
时窗设置	60ns
检测深度	3.0m
扫描速率	976scan/s/通道
测点间距	16mm
检测速度	15km/h～80km/h

4.2现场检测工作，检测工作中完成里程打点、数据采集、现场记录等工作，确保数据采集的完整性和可靠性。

检测开始前需协调安排检测车，检测设备装车、调试，根据检测测线密度确定检测车最高运行速度及检测设备各项参数及调试。

4.3现场检测数据采集完成后须核查数据采集的完整性，并对数据进行备份管理。

4.4现场数据采集工作完成后，进行室内的数据处理分析工作，数据处理必须结合现场资料和采集现场记录资料进行，经数据处理、分析、解译最终形成检测报告。该检测系统数据处理技术包括：去背景、直流归零、带通滤波、滑动平均、梯度、增益放大等，雷达图像直观反映路基结构层的变化和物性的变化，通过车载计算机计算确定路基各结构层厚度和异常点深度，有效克服了传统人工数据处理的低效率和主观性。

数据处理是进行数据解释的基础，应在数据分析的基础上决定采取何种处理方法、处理步骤。针对不同的目标，有不同处理方法。

表-1 数据处理方法

结束语

综上所述，采用车载探地雷达重载铁路路基下沉检测技术对上述区段进行道碴厚度、路基下沉、道碴囊（道碴陷槽）、翻浆冒泥、基床含水情况检测，保证了在安全、不影响既有线铁路运营的情况下，对既有铁路线的影响降到最低，快速的完成检测工作，获得准确的检测结果，达到快速施工、安全可靠的目的，为今后类似工程提供了宝贵经验和技术参考。

参考文献

[1]工程地质手册(第五版)

[2]《铁路工程地质勘察规范》 （TB10012-2019）

[3]昝月稳、李桂明、赵满清 《铁路车载探地雷达路基检测中的几个关键技术问题》 西铁科技，2008（2）：1-4