基于车载探地雷达的铁路路基病害检测技术研究

李 超

(陕西瑞特检测科技有限公司，陕西 西安 710523)

基于车载探地雷达的铁路路基病害检测技术研究

李 超

(陕西瑞特检测科技有限公司，陕西 西安 710523)

本文以铁路路基病害监测为研究对象，探讨基于车载探地雷达的检测方法，论文首先分析了铁路路基的病害类型和车载探地雷达可以检测的范围，进而提出了对检测设备性能和功能的要求，在此基础上，探讨了数据处理的基本功能要求和数据处理的具体准备工作。

车载探底雷达;路基;病害;检测

1.车载探地雷达技术

车载探地雷达是将探地雷达设备安装在汽车或火车上，用于公路路面、桥梁、铁路路基、隧道衬砌质量的快速检测。车载探地雷达从上世纪90年代开始应用于公路路面和桥梁检测，在上世纪90年代末开始应用于铁路道床和路基病害检测。我国从2002年开始研究铁路车载探地雷达系统，已达到实用程度。

铁路车载探地雷达系统与地质勘探用探地雷达系统相比具有以下特点:①在铁路车辆界限内采用空气耦合式天线，天线要离开地面50cm的距离;②多通道全断面测试，一般通道数为3个以上，通道之间相互没有影响;③扫描速度高，每个通道的扫描速度为200～976scan/s，以保证有较高的测试速度。

2.铁路车载探地雷达检测的范围和病害类型

铁路车载探地雷达系统，受到车辆界限的限制，最大的宽度只有3.1m，小于道床顶面宽度，大于轨枕的长度。在3.1m宽的范围内，两钢轨和固定部分将占用0.8m，实际可用的空间约2.4m。根据测试深度的要求，雷达的天线中心频率选为300MHz～500MHz。

收发天线尺寸约30cm～64cm，三对天线将占用空间约1.2m。既有线路基病害发生的部位主要在轨枕的端头和线路中心。因此，在横断面至少有三个数据通道，便于横向比较。目前铁路车载探地雷达所用的天线主要是空气耦合式宽带天线。可分为两类:一类是1GHz～2.5GHz的高频 TEM喇叭天线，测试对象是石碴厚度、石碴的污染状况和路基面的起伏以及路基面的含水情况，属于浅表层检测，分辨率高;另一类是空气耦合蝴蝶结式宽带天线，天线中心频率 300MHz～500MHz。测试对象是路基结构。可探测到3m～5m深。

3.既有线路基病害检测的技术设备及性能

铁路车载探地雷达系统包括多通道探地雷达系统、里程测量与GPS校正定位系统、路面图像采集系统和数据处理系统。

多通道探地雷达系统不少于三个通道。检测路基基床病害，天线的中心频率在300～500MHz为宜;检测道床污染，天线的中心频率在1～2.5GHz为宜。天线的安装必须在车辆安全界限之内。天线的固定必须牢固。

车载探地雷达的测试速度不低于80km/h。测点间隔不大于10cm。每道 (扫描线)数据点应不少于512个。模数转换不小于16位。采集数据文件内包括采集时间、起始里程和终止里程、操作人员、现场环境等有关现场信息。

定位系统是铁路路基检测车载探地雷达系统重要的组成部分。定位系统一般由高精度里程测量编码器和GPS校正系统组成。里程测量编码器的精度在2000－3000脉冲/转。GPS的精度参照Trimble AgGPS－132。定位信息最好写在道头内。定位信息包括里程和经纬度。

路面图像采集系统要求图像清晰，没有拖尾。视域范围能够反映路面状况，如路堤、路堑等。图像的密度为3－6米一张照片。图像的位置要与探地雷达图像里程相一致。

4.车载探地雷达数据处理基本功能要求

数据后处理软件一般分为三个部分。第一部分是图像处理，数据经过图像处理后，输出清晰的探地雷达图像，在探地雷达图像上能够看出不同电性的结构层和各种异常体。去除强的背景干扰和其它干扰，突出从地下反射回来的弱信号，使探地雷达图像能清晰的显示出有用目标。第二部分是图像解释，人工或半自动拾取反射信息 (地层反射和其它目标体反射)，在已知介质的电磁波速度的情况下，可以做时－深转换。将探地雷达图像转换成地质剖面 (包括地层组成及厚度)与物性(含水量，空隙比等)的数据文件。第三部分是参数分类和统计分析。根据地层介电常数，划分地层的类型或病害类型，统计它们的范围和数量，对路基状况进行评价。参数分类和统计分析的前提是先要进行地层拾取，确定各层的介电常数。

4.1 探地雷达图像特征分析

(1)翻浆冒泥分析。石碴内散射部分出现云朵状、波浪状等形状。根据翻浆冒泥出现的深度判断是道床翻浆，还是路基冒泥。

(2)地层结构的分析。地层的层数和厚度;填土路基、涵洞两侧路基、桥台后路基、新老路基结合部的结构;路基中杂填物等。

(3)路基面的含水情况。根据路基面的反射强度，参考该地段路基面的形状和地形情况，人工判断路基面的含水情况。

4.2 石碴厚度分析

(1)统计该段线路石碴厚度的分布，是否达到线路要求。(2)发现路基沉降地段。(3)道碴陷槽和排水不良地段的确定。中间剖面明显低于两枕端剖面，在纵向上形成地洼状，可认为道碴陷槽和排水不良地段。

5.探地雷达的数据处理前的准备工作

5.1 收集资料

收集测试段路基设计、施工及竣工资料，收集测试段工务设备图，收集测试段路基病害基础资料。

5.2 铁路轨道结构各种探地雷达信号的识别

(1)轨枕信号。线路中间的天线始终在轨枕上方，电磁波遇到混凝土轨枕的钢筋有很强的反射，因此混凝土轨枕对电磁波有屏蔽作用，混凝土轨枕下面没有电磁波信号。但在混凝土轨枕之间，电磁波可以穿透到地下。如果不做任何处理，可清楚地看见混凝土轨枕很强反射信号和断断续续的地层信号。如图1、2所示分别为混凝土轨枕上信号与混凝土轨枕间信号。

图1 混凝土轨枕上信号

图2 混凝土轨枕间信号

(2)桥梁护轮轨信号

对于长度大于15m的桥梁，一般都有护轮轨。当中间天线通过护轮轨的合拢处时，都会收到来自钢轨上很强的反射，如图3所示为桥梁护轮轨的雷达图像。图中所示为护轮轨交叉处。

图3 桥梁护轮轨的雷达图像

(3)轨距杆信号

一般在曲线地段会有轨距杆，其图像如图4所示。

图4 含有轨距杆信号的雷达图像

6.里程的校正

(1)长的桥梁中心

长的桥梁有护轮轨，在探地雷达图像上有明显的地标信号，根据两护轮中心可确定探地雷达实测的桥梁中心里程。在工务设备表内，每座桥梁都有中心里程。将探地雷达实测的桥梁中心里程与工务设备表内桥梁都有中心里程对比，就可以得到探地雷达的定位误差。根据定位误差校正里程。

(2)GPS整里程校正误差

如图5所示，数据处理过程中，在整里程附近，可看到两个里程，一个是编码器计算的里程，一个是 GPS给出的整里程，两者之差为该公里的校正误差。

7.小结

本文简要介绍了既有铁路路基病害车载探地雷达检测技术的研究，铁路车载探地雷达检测的范围和病害类型以及既有线路基病害检测的技术设备及性能，车载探地雷达数据处理基本功能要求，数据处理准备工作，里程的校正等。

［1］杨新安.地质雷达检测铁路路基新技术［J］.中国铁路，2004(6):40－43

［2］昝月稳 ，章锡元 ，张安学.铁路路基检查车的研究［J］.铁道工程学报 ，2007(9):17－21.