鐵路路基檢測(cè)中探地雷達(dá)應(yīng)用流程研究

曹原

摘要：傳統(tǒng)的路基檢測(cè)方法以挖探、釬探為主，既損壞線路，又只能提供少量信息，不能提供長(zhǎng)段線路的詳細(xì)調(diào)查情況，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)工，遠(yuǎn)不能適應(yīng)目前鐵路全面提速和未來(lái)高速運(yùn)營(yíng)的需要。近年來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)（GPR，也稱探地雷達(dá)）技術(shù)被引入鐵路路基檢測(cè)和評(píng)估，顯現(xiàn)出了獨(dú)特功能和優(yōu)異特點(diǎn)，引起了廣泛興趣和關(guān)注。本文結(jié)合工程實(shí)踐詳細(xì)論述了探地雷達(dá)在工程中的應(yīng)用流程和方法。

關(guān)鍵詞：鐵路；路基檢測(cè)；探地雷達(dá)；應(yīng)用流程

引言

路基檢測(cè)是鐵路建設(shè)與管理中的關(guān)鍵性、基礎(chǔ)性技術(shù)，為工程設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)提供可靠的依據(jù)，不僅對(duì)于控制工程質(zhì)量至關(guān)重要，而且決定著線路維修養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性，并直接影響維修養(yǎng)護(hù)資金分配的合理性。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)具有無(wú)損、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于道床、基床狀態(tài)調(diào)查和病害檢測(cè)。本文介紹了探地雷達(dá)的探測(cè)原理、參數(shù)選擇和數(shù)據(jù)處理方法，在某鐵路標(biāo)段軟基處理水泥樁進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，取得了較好的效果。

1.探地雷達(dá)探測(cè)原理

探地雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線（T）組成。通過(guò)發(fā)射天線電磁波以 60°～90°的波束角向地下發(fā)射高頻電磁波（106～109Hz），電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（R）接收，如圖1 所示，與此同時(shí)接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時(shí)被接收機(jī)記錄或在終端將兩種波顯示出來(lái)。

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時(shí)，可根據(jù)精確測(cè)得的走時(shí)t，由上式求得目標(biāo)體的深度 z。式（1）中x值即收發(fā)距，在剖面測(cè)量中是固定的；v值可用寬角法直接測(cè)量，也可以根據(jù)近似計(jì)算公式來(lái)計(jì)算。

波的雙程走時(shí)由反射脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)而確定。雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。圖 2 為波形記錄示意圖。圖中對(duì)照一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型，畫出了相應(yīng)的波形記錄。在波形記錄上，各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。

反射脈沖波形的明顯程度，是對(duì)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋的重要依據(jù)。它決定于發(fā)射脈沖波的能量，波在地質(zhì)界面上的反射特性以及波在地下介質(zhì)中行進(jìn)時(shí)的衰減情況。反射特性決定于物性界面的波阻抗差異，以反射系數(shù)描述。

2.工程概況

某鐵路正線全長(zhǎng) 74.1 km，該路段路基采用了水泥樁處理，水泥樁有正三角形和正方形兩類，現(xiàn)已完成路基路面鋪設(shè)。為了檢測(cè)該路段軟基處理水泥樁數(shù)目及樁距，評(píng)價(jià)路基處理質(zhì)量，采用探地雷達(dá)通過(guò)在地表布設(shè)測(cè)線進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。由于水泥樁和周圍軟基底有著明顯的電導(dǎo)率差異，會(huì)造成基底反射波形同相軸在橫向的連續(xù)性隨著樁基而展現(xiàn)出規(guī)律性的變化。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行處理分析，因此可以探明地下樁基的分布情況。

3.數(shù)據(jù)采集

3.1 儀器參數(shù)

本次探測(cè)采用從瑞典 MALA- GEOSCINCE 公司引進(jìn)的探地雷達(dá)系統(tǒng) RAMAC/GPR。根據(jù)參數(shù)選擇理論及項(xiàng)目實(shí)際情況，考慮探測(cè)深度和上覆層位的電導(dǎo)率特性，本次樁基探測(cè)主要采用儀器參數(shù)如下：天線 250 MHZ 屏蔽天線；采樣率0.4 ns；采樣點(diǎn)數(shù) 800 個(gè)；采樣長(zhǎng)度 320 ns；重復(fù)采樣次數(shù) 128 次。

3.2測(cè)線布置

測(cè)線布設(shè)示意圖如圖 3 所示。為了更好的對(duì)地下水泥樁的位置進(jìn)行控制和防止測(cè)線布設(shè)不合理造成的水泥樁數(shù)量誤差，在垂直路基方向（縱向）從一側(cè)邊坡到另一側(cè)邊坡布設(shè) 3 條測(cè)線，長(zhǎng)度為實(shí)際路基縱向?qū)挾龋瑱M向則在縱向測(cè)線的中點(diǎn)布設(shè) 3 條垂直的測(cè)線，長(zhǎng)度為 11.8 m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距均為 0.1 m。

4.資料處理方法

為了對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行合理的地質(zhì)解釋，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)雷達(dá)波形作處理，包括增強(qiáng)有效信息、抑制隨機(jī)噪聲、壓制非目標(biāo)體的雜亂回波、提高圖像的信噪比和分辨率等。其目的是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以盡可能高的分辨率在雷達(dá)圖像上顯示反射波，便于提取反射波的各種有用參數(shù)，以利于地質(zhì)解釋。常用的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理手段有數(shù)字濾波、反濾波、偏移繞射處理和增強(qiáng)處理等。數(shù)字濾波利用電磁波的頻譜特征來(lái)壓制各種干擾波，如直達(dá)波和多次反射波等；反濾波則是將地下介質(zhì)理解為一系列的反射界面，由反射波特征求取各個(gè)界面的反射系數(shù)；偏移繞射處理，即反射波的層析成像技術(shù)，是將雷達(dá)記錄中的每個(gè)反射點(diǎn)偏移到其本來(lái)位置，從而真實(shí)反映地下介質(zhì)分布的情況；增強(qiáng)處理，有助于增強(qiáng)有效信號(hào)，盡可能清晰地反映地下介質(zhì)的分布情況。處理流程如圖 4 所示。

5.資料處理成果

經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)，能夠清晰辨別水泥樁的位置，準(zhǔn)確計(jì)算其數(shù)目和樁距。該測(cè)點(diǎn)橫向樁數(shù)為4，樁距依次為 3.4 m、3.2 m、3.1 m，平均樁距為 3.23 m；縱向樁數(shù)為 7，樁距依次為1.6 m、1.5 m、1.7 m、1.4 m、1.7 m、1.6 m，平均樁距為 15.8 m。

6.結(jié)論

路基檢測(cè)是鐵路和公路工程檢測(cè)技術(shù)新學(xué)科的重要部分，是一門快速發(fā)展的分支學(xué)科，它融檢測(cè)理論、儀器開發(fā)研制和測(cè)試操作技術(shù)及路基工程相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)于一體。路基檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)保證工程質(zhì)量和我國(guó)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義。

探地雷達(dá)技術(shù)由于對(duì)淺表層結(jié)構(gòu)探測(cè)精度高，施工效應(yīng)快，對(duì)探測(cè)目標(biāo)體無(wú)損傷，廣泛應(yīng)用于工程質(zhì)量檢測(cè)，本文利用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)鐵路標(biāo)段軟基處理水泥樁進(jìn)行了檢測(cè)，準(zhǔn)確定位了樁位、樁數(shù)及樁距，為工程質(zhì)量評(píng)估提供了可靠的依據(jù)，取得很好的應(yīng)用效果。

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