铁路既有线路基基床评价的基本方法

刘建新

（锦州铁道勘察设计院有限公司，辽宁 锦州 121000)

1 概述

目前，在我国的主要铁路干线正在全面提速，提速铁路面临的首要问题是现有路基能否满足提速要求，这就需要在提速前对既有线路基有关参数进行测试，给出路基的物理及力学指标，为提速线路的改建设计提供科学的依据。对于压实系数、孔隙率等物理指标，可采用核子密度仪、灌砂法、灌水法等试验方法测得，而对既有线基床强度的检测也是一个非常重要的指标，既有路基基床检测主要采用瞬态瑞利波法、地质雷达法、Evd动态平板载荷试验法。实践证明，采用瞬态瑞利波法、地质雷达法、Evd动态平板载荷试验法检测速度快、测试结果准确且不影响行车，为准确的检测出既有线路基基床的强度，为既有线路改造以及增建二线提供准确的物理力学指标。

2 技术原理

2.1 瞬态瑞雷波法

地震波分为两类，即体波和面波，体波包括纵波(P)和横波(S)。当介质中存在分界面时，体波在一定条件下会相互干涉并迭加产生出一种频率较低、能量较强的次生波，因其主要沿介质的分界面传播，故称为面波。面波分为两类，即瑞雷波和勒夫波，目前主要是利用瑞雷波进行工程勘察。

瑞雷波在介质中传播存在以下几个特性：

在分层介质中，瑞雷波在介质表面具有频散特性，即不同频率的波具有不同的传播速度，利用该特性可以进行介质分层。

瑞雷波的能量占全部波动能量的 2/3，绝大部分能量集中在距震源的第一个半波长之内。当瑞雷波的波动传播到一个波长的深度时，能量几乎全部衰减。由半波长理论可知，瑞雷波的测试深度为半个波长。

瑞雷波的波长不同，其穿透介质的深度也不同。波长越长，穿透的地层深度越大。因此，根据波长与频率的关系，可通过改变激震频率来测定不同深度介质的平均瑞雷波速度Vr，当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。

从能量衰减特性来看，纵波和横波的振幅反比于波传播的距离，衰减与1/r（r是波的传播距离）成正比，而瑞雷波的振幅衰减与1/成正比。因此，瑞雷波的能量衰减要比横波和纵波慢得多，这是瑞雷波测试技术的优越性之一，可以很好的用来识别瑞雷波。

瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。瑞雷波传播速度的大小直接反映了地层的“软”“硬”程度，能方便地划分软弱地层的深度及范围。

由上可知，瑞雷波相对纵波、横波而言，具有能量较强、速度较低、频率较低、容易分辨等特点。

2.2 地质雷达法

地质雷达（Ground Penetrating Rader简称GPR）是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘测仪器，属于电磁波法应用的范畴，它是利用电磁波在不同介质中的传播与反射特性来进行探测的。电磁波脉冲由发射天线发出，被地下介质界面（或异常体）反射，然后由接收天线接收，并以实时成像方式显示地下结构剖面，探测结果一目了然，分析、判释直观方便。

由于其具有分辨率高、图象直观、工作效率高、无破坏性等优点，在工程检测领域已得到越来越多的应用。

2.3 Evd动态平板荷载试验

Evd动态平板荷载试验是采用动态变形模量测试仪来监控检测土体承载力指标-动态变形模量Evd的试验方法。它通过落锤试验和沉陷测定来直接反映土体动态特性的指标Evd，计量单位为Mpa。

Evd动态平板荷载试验适于粒径不大于荷载板直径1/4的各类土和土石混合填料，测试有效深度范围为400～500mm。

3 数据采集与工作情况

根据要求，瑞雷波数据和Evd数据在既有线任一侧路肩进行采集，地质雷达数据在线路任一侧道碴上（轨枕端）采集。

3.1 瑞雷波法

瑞雷波法采用国产SWS-Ⅰ型地震仪和美国产S-12浅层地震仪及配套电缆和检波器进行野外数据采集。根据测试段落长短，测试点距分别选用30m和50m，每个测点采用12道4Hz低频检波器接收，道间距0.5m，偏移距为0.5m、3.0m，震源采用18磅大锤和60 kg落锤，锤击垫板，单边激发。采样间隔250μs，记录点1024个，记录长度256ms，每测点记录2次。

3.2 地质雷达法

地质雷达测试采用SIR-20型地质雷达（美国GSSI公司产）和400MHz屏蔽天线进行采集。时窗范围：50～60ns，采样率：512样/扫描，扫描率：10扫描/秒，叠加32次。测量方式采用连续测量，每隔10m打一标码。

3.3 Evd动态平板荷载试验

Evd动态平板荷载试验采用德国产Evd动态变形模量测试仪 HMP LFG，在路肩指定里程点测试。测试时，荷载板保持水平，导向杆保持垂直。反复进行三次预冲击后，正式进行三次冲击，记录下沉量作为正式测试记录。

4 资料处理与成果分析

4.1 资料处理

4.1.1 瑞雷波法

瑞雷波勘察数据处理是从野外采集的多道地震数据中提取瑞雷波的频散数据，再由频散数据进一步反演出地层的瑞雷波速等值线断面图。通过对比道碴厚度曲线进行分析，以此评价路基。

瑞雷波勘察数据处理是利用相关软件进行下列三步处理：

由多道地震数据记录文件开始，在时间距离(X-T)域设置面波时距窗口和频率范围。用合适的时距窗口，排除其他干扰波的影响，将多道地震数据转换成频率波数谱。

在频率波数(F-K)域的谱图上，圈定基阶面波的能量峰脊，计算出频散数据，组成频散数据文件。

用取得的频散数据，在深度速度(Z-V)域，经过人机联作，设置初始地层参数，再优化拟合，得出采集排列下部地层瑞雷波速的分层断面。

4.1.2 地质雷达法

地质雷达资料的处理过程就是抑制随机的和有规律的干扰，最大限度地提高雷达剖面图像上的分辨能力，通过提取电磁回波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征。

一般的，数据处理分五个步骤进行：数据预处理，包括文件编辑、文件巡视等；技术性处理，包括数字滤波、反褶积、偏移及希尔伯特变换等；拾取反射层；确定介电常数，计算速度，进行时深转换，形成深度剖面；判释异常界面，绘制成果（道碴厚度）曲线。

4.1.3 Evd动态平板荷载试验

Evd动态平板荷载试验可直接获得测点Evd值，对每个里程点的5个测点Evd值进行平均，得到Evd算术平均值，作为基床评价依据。

也可通过经验公式K30=3.10×Evd+14.3换算出K30值，作为基床评价参考。

4.2 成果分析4.2.1判释原则

成果分析主要通过分析各剖面的瑞雷波速等值线断面图和地质雷达检测道碴厚度曲线，从瑞雷波速度和道碴厚度变化的角度对基床状态的稳定性进行评价，其判释原则分别为：

A针对瑞雷波速速度，主要判释原则为：

VR＜130m/s，基床土密实度低，基床状态差；VR=130～160m/s，基床土密实度稍低，基床状态稍差；VR=160～190m/s，基床土密实度较高，基床状态一般；VR=190～250m/s，基床土密实度高，基床状态好；VR＞250m/s，基床土密实度高，基床状态良好。

B针对瑞雷波速速度断面形态，主要判释原则为：瑞雷波速有低速区域，分布较大，表明基床土软弱，密实度低；瑞雷波速分布杂乱，高低速区域分布无规律。表明基床土密实度分布不均匀；存在低速区域延伸至基床深部的情况，表明局部基床土密实度低；瑞雷波呈近似层状分布，表层局部的低速区域属于正常情况，一般不作为异常。

C根据道碴厚度曲线，判释基床沉降有两方面依据：

道碴厚度偏厚，高于实际量测值；道碴厚度曲线变化剧烈。

5 结论

瞬态瑞利波法、地质雷达法、Evd动态平板载荷试验法综合运用野外数据采集准确完整，根据成果资料的分析，基床稳定性差的段落推断为病害基床，检测判定结果与工务段提供的既有路基病害段落基本一致，资料的定性分析及定量解释方法准确合理。为为准确的检测出既有线路基基床的强度，为既有线路改造以及增建二线提供准确的物理力学指标。

[1]杨成林，等.瑞利波勘探[M].1993（5）.

[2]肖金凤.李怒放，李树峰.路基施工质量动态检测方法研究[J].铁道建筑技术，2002(2).

[3]谢纫秋.既有线铁路提速与路基基床的技术改造[J].路基工程，2003(5).

[4]铁三院.集通铁路提速段既有工程基床评价物探成果报告. 2008（6）.