基于車載探地雷達的鐵路路基病害檢測技術研究

李超

摘要：本文以鐵路路基病害監測為研究對象，探討基于車載探地雷達的檢測方法，論文首先分析了鐵路路基的病害類型和車載探地雷達可以檢測的范圍，進而提出了對檢測設備性能和功能的要求，在此基礎上，探討了數據處理的基本功能要求和數據處理的具體準備工作。

關鍵詞：車載探底雷達；路基；病害；檢測

1.車載探地雷達技術

車載探地雷達是將探地雷達設備安裝在汽車或火車上，用于公路路面、橋梁、鐵路路基、隧道襯砌質量的快速檢測。車載探地雷達從上世紀 90 年代開始應用于公路路面和橋梁檢測，在上世紀 90 年代末開始應用于鐵路道床和路基病害檢測。我國從 2002 年開始研究鐵路車載探地雷達系統，已達到實用程度。

鐵路車載探地雷達系統與地質勘探用探地雷達系統相比具有以下特點：①在鐵路車輛界限內采用空氣耦合式天線，天線要離開地面50cm的距離；②多通道全斷面測試，一般通道數為3個以上，通道之間相互沒有影響；③掃描速度高，每個通道的掃描速度為200～976scan/s，以保證有較高的測試速度。

2.鐵路車載探地雷達檢測的范圍和病害類型

鐵路車載探地雷達系統，受到車輛界限的限制，最大的寬度只有 3.1m，小于道床頂面寬度，大于軌枕的長度。在 3.1m 寬的范圍內，兩鋼軌和固定部分將占用 0.8m，實際可用的空間約 2.4m。根據測試深度的要求，雷達的天線中心頻率選為 300MHz～500MHz。

收發天線尺寸約 30cm～64cm，三對天線將占用空間約 1.2m。既有線路基病害發生的部位主要在軌枕的端頭和線路中心。因此，在橫斷面至少有三個數據通道，便于橫向比較。目前鐵路車載探地雷達所用的天線主要是空氣耦合式寬帶天線。可分為兩類：一類是 1GHz～2.5GHz 的高頻 TEM 喇叭天線，測試對象是石碴厚度、石碴的污染狀況和路基面的起伏以及路基面的含水情況，屬于淺表層檢測，分辨率高；另一類是空氣耦合蝴蝶結式寬帶天線，天線中心頻率 300MHz～500MHz。測試對象是路基結構。可探測到 3m～5m 深。

3.既有線路基病害檢測的技術設備及性能

鐵路車載探地雷達系統包括多通道探地雷達系統、里程測量與 GPS 校正定位系統、路面圖像采集系統和數據處理系統。

多通道探地雷達系統不少于三個通道。檢測路基基床病害，天線的中心頻率在300～500MHz為宜；檢測道床污染，天線的中心頻率在1～2.5GHz為宜。天線的安裝必須在車輛安全界限之內。天線的固定必須牢固。

車載探地雷達的測試速度不低于 80km/h。測點間隔不大于 10cm。每道（掃描線）數據點應不少于 512 個。模數轉換不小于 16 位。采集數據文件內包括采集時間、起始里程和終止里程、操作人員、現場環境等有關現場信息。

定位系統是鐵路路基檢測車載探地雷達系統重要的組成部分。定位系統一般由高精度里程測量編碼器和GPS校正系統組成。里程測量編碼器的精度在2000-3000脈沖/轉。GPS的精度參照Trimble AgGPS-132。定位信息最好寫在道頭內。定位信息包括里程和經緯度。

路面圖像采集系統要求圖像清晰，沒有拖尾。視域范圍能夠反映路面狀況，如路堤、路塹等。圖像的密度為3-6米一張照片。圖像的位置要與探地雷達圖像里程相一致。

4.車載探地雷達數據處理基本功能要求

數據后處理軟件一般分為三個部分。第一部分是圖像處理，數據經過圖像處理后，輸出清晰的探地雷達圖像，在探地雷達圖像上能夠看出不同電性的結構層和各種異常體。去除強的背景干擾和其它干擾，突出從地下反射回來的弱信號，使探地雷達圖像能清晰的顯示出有用目標。第二部分是圖像解釋，人工或半自動拾取反射信息（地層反射和其它目標體反射），在已知介質的電磁波速度的情況下，可以做時-深轉換。將探地雷達圖像轉換成地質剖面（包括地層組成及厚度）與物性（含水量，空隙比等）的數據文件。第三部分是參數分類和統計分析。根據地層介電常數，劃分地層的類型或病害類型，統計它們的范圍和數量，對路基狀況進行評價。參數分類和統計分析的前提是先要進行地層拾取，確定各層的介電常數。

4.1 探地雷達圖像特征分析

（1）翻漿冒泥分析。石碴內散射部分出現云朵狀、波浪狀等形狀。根據翻漿冒泥出現的深度判斷是道床翻漿，還是路基冒泥。

（2）地層結構的分析。地層的層數和厚度；填土路基、涵洞兩側路基、橋臺后路基、新老路基結合部的結構；路基中雜填物等。

（3）路基面的含水情況。根據路基面的反射強度，參考該地段路基面的形狀和地形情況，人工判斷路基面的含水情況。

4.2 石碴厚度分析

（1）統計該段線路石碴厚度的分布，是否達到線路要求。（2）發現路基沉降地段。（3）道碴陷槽和排水不良地段的確定。中間剖面明顯低于兩枕端剖面，在縱向上形成地洼狀，可認為道碴陷槽和排水不良地段。

5.探地雷達的數據處理前的準備工作

5.1 收集資料

收集測試段路基設計、施工及竣工資料，收集測試段工務設備圖，收集測試段路基病害基礎資料。

5.2 鐵路軌道結構各種探地雷達信號的識別

（1）軌枕信號。線路中間的天線始終在軌枕上方，電磁波遇到混凝土軌枕的鋼筋有很強的反射，因此混凝土軌枕對電磁波有屏蔽作用，混凝土軌枕下面沒有電磁波信號。但在混凝土軌枕之間，電磁波可以穿透到地下。如果不做任何處理，可清楚地看見混凝土軌枕很強反射信號和斷斷續續的地層信號。如圖1、2 所示分別為混凝土軌枕上信號與混凝土軌枕間信號。

（2）橋梁護輪軌信號

對于長度大于15m 的橋梁，一般都有護輪軌。當中間天線通過護輪軌的合攏處時，都會收到來自鋼軌上很強的反射，如圖 3 所示為橋梁護輪軌的雷達圖像。圖中所示為護輪軌交叉處。

（3）軌距桿信號

一般在曲線地段會有軌距桿，其圖像如圖 4 所示。

6.里程的校正

（1）長的橋梁中心

長的橋梁有護輪軌，在探地雷達圖像上有明顯的地標信號，根據兩護輪中心可確定探地雷達實測的橋梁中心里程。在工務設備表內，每座橋梁都有中心里程。將探地雷達實測的橋梁中心里程與工務設備表內橋梁都有中心里程對比，就可以得到探地雷達的定位誤差。根據定位誤差校正里程。

（2）GPS 整里程校正誤差

如圖5 所示，數據處理過程中，在整里程附近，可看到兩個里程，一個是編碼器計算的里程，一個是 GPS 給出的整里程，兩者之差為該公里的校正誤差。

7.小結

本文簡要介紹了既有鐵路路基病害車載探地雷達檢測技術的研究，鐵路車載探地雷達檢測的范圍和病害類型以及既有線路基病害檢測的技術設備及性能，車載探地雷達數據處理基本功能要求，數據處理準備工作，里程的校正等。

參考文獻：

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