基于雷達檢測的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評估技術(shù)

李曉光

（中國鐵路沈陽局集團有限公司長春高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，吉林長春 130000）

高速鐵路的高運行速度、高平順性和高安全性，對路基的穩(wěn)定性和耐久性提出了極高的要求［1］。寒區(qū)鐵路的路基凍害問題會影響路基的平順性，對冬季鐵路的運營安全產(chǎn)生了較大影響。由于路基凍害根治難度大，高速鐵路的養(yǎng)護維修工作面臨巨大的挑戰(zhàn)［2］。

高效的檢測手段、科學的評估方法和有效的整治措施對于運營鐵路路基凍害的處理尤為重要。目前鐵路路基凍害的檢測、監(jiān)測、評估和整治具有以下特點［3-6］：①傳統(tǒng)檢測與監(jiān)測方法無法準確反映凍害發(fā)展情況，且具有滯后性。現(xiàn)有鐵路路基凍害的檢測通過靜態(tài)、動態(tài)檢查等手段，實行定人、定時、定點的檢查制度，但由于凍害的隨機性，對于某些地段凍害的發(fā)展情況的評價往往是滯后的。②傳統(tǒng)評價方法考慮因素單一。現(xiàn)有評估方法主要以凍脹量為指標，尚未考慮形成凍害的各種影響因素，其合理性和有效性有待商榷。③傳統(tǒng)的路基凍害整治方法存在盲目性，針對性較差。目前有砟軌道凍害的整治措施主要有疏排水、新挖側(cè)溝、保溫等工程措施以及注鹽、設(shè)置預墊板、高抬道等維修措施，其中注鹽法較普遍，但尚缺乏精細化實施和鹽分跟蹤檢測方法，不能掌握凍害整治地段鹽分流失規(guī)律。此外，各種凍害維護整治方法都存在一定的盲目性。由于不能精確把握凍害地段長度，往往擴大凍害整治地段，造成較大的浪費。應結(jié)合凍害地段的評估結(jié)果，提出有針對性的整治方法。

本文通過建立雷達檢測、軌道動態(tài)檢測的鐵路路基凍害綜合檢測技術(shù)，提高凍害檢測與監(jiān)測技術(shù)的有效性、前瞻性，形成基于雷達檢測的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評估技術(shù)，為實現(xiàn)鐵路路基凍害的大規(guī)模維護整治提供有力支撐。

1 雷達檢測技術(shù)

1.1 雷達系統(tǒng)組成

車載探地雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要工作原理為：由中心控制系統(tǒng)下達指令至多普勒信號控制系統(tǒng)，對軌枕進行識別與距離探測，并將所識別的信息反饋到中心控制系統(tǒng)；中心控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖信號，通過空氣耦合天線發(fā)出和接收脈沖信號，同時記錄環(huán)境條件與GPS 位置信息，相關(guān)反饋的波形信號可通過電腦終端進行實時顯示。

圖1 鐵路路基信號采集系統(tǒng)工作流程

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

雷達系統(tǒng)在接收有效信號的同時，也會受到外界的干擾信號，因此對數(shù)據(jù)的分析和處理提出了較高的要求［7］。數(shù)據(jù)處理分析的過程：零線的標定→背景去噪→水平濾波→頻域垂直帶通濾波→增益設(shè)置→路基異常病害判識。

鐵路路基在環(huán)境溫度周期性變化的影響下，冬季會出現(xiàn)結(jié)冰的情況，其體積增大導致路基凍脹，影響線路的平順性；而春季氣溫回升，路基內(nèi)的冰融化，導致路基融沉。從現(xiàn)場采集的地質(zhì)雷達剖面的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可得到同樣的規(guī)律性變化，路基凍害的雷達典型剖面見圖2。從根本上說，路基凍害的檢測主要是檢測路基含水率的波動。由于級配碎石、水、冰材料特性的差異，其介電常數(shù)具有明顯差異，導致雷達波的反射能量與反射振幅不同。

圖2 含水率大凍害程度高的雷達典型剖面

1.3 雷達檢測和軌道檢測的關(guān)聯(lián)性分析

在一寒區(qū)鐵路探測18 個區(qū)間長度約48 km 的線路。將含水率的不同狀態(tài)進行等級劃分，I 級對應含水率大，Ⅱ級對應含水率較大，Ⅲ級對應稍大。當含水率分布里程與軌道不平順里程存在交叉時，其判定結(jié)果記為1，表示在該含水率里程存在軌道不平順情況，反之則記為0。該寒區(qū)鐵路綜合判定結(jié)果見表1。

表1 一寒區(qū)鐵路判別結(jié)果

由表1可知：對于上下行線各含水率等級，路基含水率與軌道不平順狀況的里程分布關(guān)聯(lián)度均在77.92%以上；上行線Ⅰ級、Ⅱ級含水率與軌道不平順情況里程分布關(guān)聯(lián)度分別在81.13%，68.18%以上；路基含水率與軌道不平順里程分布存在較高的相關(guān)性，且含水率高的地段相關(guān)性更強。

2 凍害評估技術(shù)

主觀評價法和客觀評價法是2類常用的綜合評價方法。主觀評價法以層次分析法為代表，主要用于定性分析。客觀評價法按照各指標間的關(guān)系來確定指標權(quán)重，再進行評價［8］。本文在綜合2 種評估方法的基礎(chǔ)上，提出適用于寒區(qū)鐵路的有砟軌道路基凍害評估方法。

2.1 層次分析法

層次分析法主要按照下述步驟進行：①明確復雜問題所包含的全部因素，理清各因素間的邏輯關(guān)系；②將復雜問題按照不同層次的要素進行分解，形成帶有邏輯關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)；③將每一層次要素兩兩比較，建立評判矩陣；④運用特定的數(shù)學方法計算評判矩陣最大特征值及其對應的正交特征向量，確定權(quán)值；⑤進行一致性檢驗；⑥計算各指標對復雜問題的權(quán)重。對復雜問題的分層一般分為目標層A、準則層B和指標層C，如圖3所示［9］。

圖3 評價指標結(jié)構(gòu)圖

按照下述步驟進行一致性檢驗：

1）運用和積法求解評判矩陣，將得到的矩陣按行分別相加，結(jié)果用向量Wi表示

式中：aij為矩陣元素；N為元素數(shù)量為權(quán)重向量。

2）將所有得到的向量Wi分別做單位化處理，得到同一準層下所有指標的權(quán)重向量。

3）在取得最大特征值后，分別計算評判矩陣的一致性指標CI和一致性比CR。

式中：A為評判矩陣；n為評判矩陣階數(shù)；λmax為評判矩陣最大特征值；RI為平均隨機一致性指標。

CI值越小，則表示評判矩陣的一致性越好。通常情況下，3階以下矩陣不需檢驗，對于3階及以上矩陣，當CR＜0.1 時，確定評判矩陣的一致性是合理的；否則需對評判矩陣進行修正，直到檢驗結(jié)果符合要求為止。

2.2 評估體系構(gòu)建

通過前期大量研究工作，概括總結(jié)了寒區(qū)鐵路路基發(fā)生凍害的原因可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要包括水分遷移、含水率、填料類型、路基類型等，而外因主要包括氣溫、列車運行荷載、寒冷時降雨水分的補給等。按照層次分析法的計算流程，將寒區(qū)鐵路路基凍害狀況評估劃分為雷達檢測指標、軌道檢測指標和氣象地質(zhì)指標3 類，共選取9 個主要影響因素作為指標層，具體評價指標體系見表2。

表2 評價指標體系

為了判斷指標間相對重要性，咨詢相關(guān)專業(yè)人員對指標相對重要性進行判斷，得出各評判矩陣，見表3—表5。

表3 A-B評判矩陣

表4 B1-C評判矩陣

表5 B3-C評判矩陣

評判矩陣A-B的最大特征值λmax=3.018 3，其對應的特征向量為W=[0.443 4，0.169 2，0.387 4]Τ，CI=0.009 2，CR=0.009 2/0.58=0.016＜0.1，一致性檢驗通過。

評判矩陣B1-C的最大特征值λmax=4.031，其對應的特征向量為W=[0.467 3，0.277 2，0.095 4，0.160 1]Τ，CI=0.05，RI=0.90，CR=0.05/0.90=0.056＜0.1，一致性檢驗通過。

評判矩陣B3-C的最大特征值λmax=4.010 4，其對應的特征向量為W=[0.423 6，0.227，0.227，0.122 4]Τ，CI=0.003 5，RI=0.90，CR=0.003 5/0.90=0.004＜0.1，一致性檢驗通過。

由此得到路基凍害各指標權(quán)重見表6。

表6 評價指標權(quán)重

根據(jù)計算得到的路基凍害各指標權(quán)重值，以權(quán)重最低者即道砟污染權(quán)重值0.037 為基準，建立指標間相對數(shù)值關(guān)系，參考鐵總運〔2015〕60 號《高速鐵路路基修理規(guī)則》、鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路修理規(guī)則》和TB/T 2818—2016《鐵路路基病害分類及評定》規(guī)范，結(jié)合指標權(quán)重，得出評分標準，見表7。

表7 寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評分標準

按照表7 的評分標準，根據(jù)寒區(qū)鐵路有砟軌道路基的實際情況進行打分，在滿分100 分的基礎(chǔ)上根據(jù)不同指標的不同狀態(tài)進行扣分，最終用得分情況評價區(qū)間范圍內(nèi)鐵路有砟軌道路基凍害的狀態(tài)。85（含）～100 分可認為路基處于安全狀態(tài)，產(chǎn)生凍害的概率較低；60（含）～85分表示路基處于中等風險狀態(tài)，產(chǎn)生凍害的概率較大，需比對扣分項，有針對性地開展凍害整治；60 分以下的路基處于高風險狀態(tài)，路基已出現(xiàn)較嚴重的凍害或有極大的概率會產(chǎn)生凍害，應立即采取處置措施。

3 結(jié)語

采用地質(zhì)雷達對一段寒區(qū)鐵路路基含水率進行了檢測，發(fā)現(xiàn)含水率分布里程和凍害處所關(guān)聯(lián)度在77.92%以上，并且Ⅰ級含水率與凍害處所分布的關(guān)聯(lián)度大于Ⅱ級含水率的關(guān)聯(lián)度。結(jié)合主觀和客觀評估方法，建立了適用于寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害的評估指標體系、評價指標權(quán)重以及評分標準。通過基于雷達檢測的寒區(qū)鐵路有砟軌道路基凍害評估技術(shù)，可為將鐵路路基凍害的整治由“事后修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑靶蕖碧峁┘夹g(shù)支撐，為實現(xiàn)鐵路路基凍害的“冬病夏治”奠定基礎(chǔ)。