不同埋深铁路路基隐伏岩溶病害的地质雷达检测方法

柯在田，齐法琳，邓普

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

不同埋深铁路路基隐伏岩溶病害的地质雷达检测方法

柯在田，齐法琳，邓普

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

针对铁路路基存在的隐伏岩溶病害问题，采用车载地质雷达检测技术进行模拟试验研究。论述和分析地质雷达工作原理，通过选择不同频率天线，对不同埋深隐伏岩溶典型病害的雷达图像进行数值模拟，对比分析不同频率天线对不同深度隐伏岩溶病害的探测效果，提出不同埋深病害的最佳检测方法。经现场试验验证，采用车载地质雷达检测系统配置方案可取得良好检测效果。

铁路路基；隐伏岩溶病害；地质雷达；正演模拟；埋深

我国岩溶地区分布广泛，由岩溶引起的路基塌陷，尤其是隧底路基塌陷是铁路路基常见地质灾害之一。近年来，随着铁路建设的快速发展，铁路运营线路的行车速度及载重不断提高，尤其是有砟轨道线路提速后，岩溶路基病害对路基稳定性的影响越来越大，岩溶引起的路基塌陷成为铁路地质灾害的主要问题之一，危及铁路行车安全。

岩溶路基病害发育的基础条件是隐伏岩溶的存在。目前，探测隐伏岩溶一般采用地质雷达法、高密度电法、浅层地震及声波电磁波孔间透视、CT层析等方法[1-3]。探测深度不均一性的隐伏岩溶发育带极具挑战性，并在运营线路中，受作业天窗时间短、地表条件复杂、干扰多等因素影响，铁路路基状态快速检测和监测一直缺少有效手段。车载地质雷达技术的成熟应用，对快速检测判别铁路路基岩溶病害具有良好效果。

针对铁路路基运营过程中存在隐伏岩溶病害问题，采用车载地质雷达检测技术，进行模拟试验研究。通过采用地质雷达检测技术对隐伏岩溶探测的正演模拟，对比分析不同频率天线对不同深度隐伏岩溶病害的探测效果，提出不同埋深病害的最佳检测方法，并通过对贵广铁路某段路基采用地质雷达技术进行检测试验，验证了检测方法的有效性，取得良好检测效果，为后续铁路路基的实际应用奠定良好基础。

1 地质雷达工作原理

地质雷达（Ground-enetrating Radar，GPR）是一种高效的浅层地球物理探测技术，具有操作简单、快速连续探测、抗干扰和场地适应性强等特点，已广泛用于地质勘测、工程施工质量检测、资源环境监测、军事等方面。

地质雷达检测方法是通过天线连续测量方式向地下发射高频电磁波，电磁波在地下传播过程中遇到存在电性差异（介电常数）的电性分界面后发生反射和折射，各地层反射回地表的电磁波被接收天线接收。通过分析雷达主机精确记录的反射电磁波的旅行时间（也称双程走时）、幅度与波形等特征，推断地下结构的形态、埋深和构造等[4-6]，达到识别地下目标物的目的，其工作原理示意见图1。

图1 地质雷达工作原理示意图

电磁波脉冲的双程走时计算：

式中：H为反射目标的深度，m；x为发射天线与反射目标中心的横向距离，m；v为电磁波在介质中的传播速度，m/ns。

根据式（1）计算出地下目标的埋深：

2 隐伏岩溶病害的正演模拟

2.1 典型病害

铁路路基隐伏岩溶病害情况复杂多变，因此雷达图像的正演模拟一般从简单模型开始。结合既有铁路路基的设计和实际情况，在查询相关介质的电性参数后[7-11]，实验采用正演模拟方法，模拟隐伏岩溶的裂隙、蜂窝状溶蚀、空洞病害，埋深为1 m。隐伏岩溶模型（见图2）设计区域为13.0 m×3.5 m，道床和基床厚度为0.3 m和2.5 m，天线距路基表面为0.2 m；试验模拟参数设置见表1。

图2 隐伏岩溶模型

表1 试验模拟参数设置

对数据进行适当处理后，模型a雷达图像和模型b雷达图像模拟数据结果见图3和图4。从图3和图4可见，裂隙带附近电磁波同相轴错段，其产生强烈反射，振幅显著增强，并伴有绕射产生的双曲线现象，图像呈带状分布。在蜂窝状溶蚀带，雷达图像呈现杂乱无规则的强反射波，并有蜂窝状小溶洞产生的细小双曲线。空洞地带呈现出较为明显的双曲线特征，由于雷达波的衰减和溶洞介质的吸收作用，底部能量相对较弱。

2.2 不同天线频率与埋深的隐伏岩溶雷达图像

隐伏岩溶复杂多变，其埋深具有不均一性。因此，对不同深度的隐伏岩溶造成的路基病害需要采用不同频率的天线进行探测。在此结合实际检测需要，模拟400 MHz、200 MHz、100 MHz天线频率的不同埋深隐伏岩溶空洞的雷达图像。不同频率与埋深的隐伏岩溶模型示意见图5，试验模拟参数设置见表2。图5中的设计模型测线长10 m，设置1 m、3 m、5 m、7 m和10 m埋深的隐伏岩溶空洞。其中1 m埋深模型采用图2隐伏岩溶裂隙与蜂窝溶蚀正演模型。

图3 模型a雷达图像模拟数据结果

图4 模型b雷达图像模拟数据结果

图5 不同频率与埋深的隐伏岩溶模型示意图

表2 试验模拟参数设置

（1）1 m、3 m和5 m埋深的隐伏岩溶裂隙、溶蚀、空洞正演模拟。对200 MHz和400 MHz天线频率的雷达图像数据进行处理后，200 MHz埋深1 m与400 MHz埋深1 m的雷达图像模拟数据结果示意见图6和图7；200 MHz埋深3 m与400 MHz埋深3 m的雷达图像模拟数据结果示意见图8和9；200 MHz埋深5 m与400 MHz埋深5 m的天线频率的雷达图像模拟数据结果示意见图10和图11。埋深1 m时，图6和图7反映的岩溶裂隙与蜂窝状溶蚀的基本特征良好，400 MHz天线频率的雷达图像更为细腻清晰，更能反映出岩溶裂隙、蜂窝状溶蚀的主体特征。埋深3 m时，在图8和图9反映的岩溶空洞双曲线主体特征中，200 MHz天线频率的雷达图像较400 MHz天线频率的雷达图像明显。埋深5 m时，图11的400 MHz天线频率的雷达图像不太明显，而图10的200 MHz天线频率的雷达图像较为明显。综上所述，400 MHz天线频率的地质雷达较适合埋深3 m以内的路基隐伏岩溶病害探测；200 MHz及更低天线频率的地质雷达适合3 m及更深的隐伏岩溶病害探测。

（2）7 m和10 m埋深的隐伏岩溶空洞正演模拟。对200 MHz、100 MHz天线频率的雷达图像数据进行处理后，200 MHz埋深7 m与100 MHz埋深7 m的雷达图像模拟数据结果示意见图12和图13；200 MHz埋深10 m与100 MHz埋深10 m的天线频率的雷达图像模拟数据结果示意见图14和15。埋深7 m时，图12的200 MHz与图13的100 MHz天线频率的雷达图像反映出双曲线特征，表明其均能探测到底部隐伏岩溶空洞病害。埋深10 m时，200 MHz天线频率的雷达仅能微弱地探测到隐伏岩溶病害，而100 MHz天线频率的雷达优势凸显。综上所述，200 MHz天线频率的地质雷达适合7 m以内的隐伏岩溶病害探测，100 MHz及更低天线频率的地质雷达适合探测7 m以上的隐伏岩溶病害。

图6 200 MHz埋深1 m雷达图像模拟数据结果示意图

图7 400 MHz埋深1 m雷达图像模拟数据结果示意图

图8 200 MHz埋深3 m雷达图像模拟数据结果示意图

图9 400 MHz埋深3 m雷达图像模拟数据结果示意图

图10 200 MHz埋深5 m雷达图像模拟数据结果示意图

图11 400 MHz埋深5 m雷达图像模拟数据结果示意图

综上所述，探测不同深度的隐伏岩溶病害，采用不同的天线频率，随着病害埋深的增加，应降低天线频率。结合检测实际需要，提出探测不同深度隐伏岩溶病害方案：一是3 m以内的浅层隐伏岩溶病害探测及常见的路基结构质量检测，可采用400 MHz天线频率为主的车载地质雷达方式进行检测；二是10 m以内较大埋深的隐伏岩溶病害可采用200 MHz天线频率为主的检测方式。车载地质雷达检测系统3个配置方案见图16。方案1为4通道雷达主机（1个200 MHz天线、3个400 MHz天线），偏重于浅层路基结构质量检测；方案2为4通道雷达主机（3个200 MHz天线、1个400 MHz天线），偏重于深部路基病害探测；方案3为6通道雷达主机（3个200 MHz天线、3个400 MHz天线），是通用设计方案。

图12 200 MHz埋深7 m雷达图像模拟数据结果示意图

图13 100 MHz埋深7 m雷达图像模拟数据结果示意图

3 现场验证

为了验证车载地质雷达检测系统配置方案的有效性和适用性，在贵广高速铁路某区段进行了现场验证[10]。区段铁路的贵州段穿越剥（侵）蚀高原，地质情况复杂，地质构造发育不良，特殊岩土类型较多。按照检测需求，区段路基探测深度约为10 m，采用方案2进行检测试验。试验采用国产200 MHz屏蔽天线地质雷达主机；采样时窗200 ns；采样点数1 024个；采用连续测量方式进行检测。

图14 200 MHz埋深10 m雷达图像模拟数据结果示意图

图15 100 MHz埋深10 m雷达图像模拟数据结果示意图

图16 车载地质雷达检测系统配置方案

对该区段的数据进行常规处理后，发现多处溶蚀裂隙及其发育地区，以及岩溶空洞和蜂窝状溶蚀地区。隐伏岩溶病害溶蚀裂隙雷达图像见图17，从图中可以明显地看到2.0～3.8 m深度范围条带状的强反射区域，较符合岩溶裂隙的图像特征，判断此地段存在岩溶裂隙病害。岩溶空洞图像见图18，在图中白色条框区域可明显地看到5.1～7.0 m深度范围岩溶空洞病害表现出强反射双曲线特征，判断此地段存在岩溶空洞病害。蜂窝状溶蚀雷达图像见图19，在图中4.8～8.0 m深度范围白色区域的雷达图像为杂乱无规则的强反射波，并伴有双曲线特征，说明此地段存在蜂窝状溶蚀病害。与该区段钻孔地质资料进行对比，证实这些地段确实存在上述病害。车载地质雷达检测系统配置方案的有效性和适用性为后续实际检测工作提供了理论依据。

图17 溶蚀裂隙雷达图像

图18 岩溶空洞图像

图19 蜂窝状溶蚀雷达图像

4 结论

地质雷达在隐伏岩溶病害检测方面的应用前景广阔。通过正演模拟方法，总结不同深度隐伏岩溶病害适用的检测方案，并得出以下结论：

（1）当隐伏岩溶病害埋深在3 m以内时，宜采用400 MHz天线频率。

（2）当隐伏岩溶病害埋深在3～7 m时，宜采用200 MHz天线频率。

（3）当隐伏岩溶病害埋深在7～10 m时，宜采用100 MHz天线频率。

通过在贵广高速铁路某区段进行现场验证，车载地质雷达检测系统配置方案取得良好效果。探测不同深度的隐伏岩溶病害，应采用不同的天线频率，随着病害埋深的增加，应降低天线频率。

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GPR Method to Detect Covered Karst Disease of Deeply Buried Railway Subgrade

KE Zaitian，QI Falin，DENG Pu
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

The onboard ground penetrating radar (GPR) detection technology is used to simulate and study the covered karst disease of subgrade. The paper analyzes the working principle of the radar, which is by choosing antennas with different frequencies, to make numerical simulation of radar images of deeply buried karst diseases, compare and analyze the detection results of the diseases buried in different depths, and propose the tailored detection methods for different-depth diseases. Good detection results are acquired by this method according to on-site test.

railway subgrade；covered karst disease；ground penetrating radar；forward simulation；deeply buried

U213.1；U25

A

1001-683X（2017）10-0001-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.001

国家自然科学基金项目（U1434211）

柯在田（1964—），男，研究员。E-mail：kezt@rails.cn

责任编辑 李葳

2017-05-21