板式无砟轨道离缝病害无损检测方法试验研究

2018-03-16李邦旭

铁道建筑 2018年2期

李邦旭，刘亮，孙坤

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731)

离缝是板式无砟轨道的主要病害形式之一，主要存在于轨道板、CA砂浆(或自密实混凝土)、底座板与路基结构之间[1-2]。我国高速铁路自开通运营后，部分板式无砟轨道已经出现大量的离缝，严重影响高速铁路行车安全。目前板式无砟轨道离缝伤损的现场检测维修主要采用目测、钢尺插入量测和现场揭板的方法。目测及钢尺插入量测无法检测中间局部离缝及离缝的准确分布情况，而揭板方法仅适用于在建铁路，且费用高昂，效率低下，仅能反应该板离缝情况。提出适用于板式无砟轨道离缝伤损的快速、经济的无损检测技术，对在建铁路的施工控制和既有线路的病害检测与维护具有重要的现实意义。

板式无砟轨道离缝无损检测技术有2方面关键技术难点：①检测手段需穿透无砟轨道板密层钢筋混凝土结构；②检测精度要满足对存在离缝伤损进行判识的要求(离缝宽度在0.5～3.0 mm[3])。

国内许多学者对板式无砟轨道离缝病害的无损检测方法进行了研究。魏祥龙等提出采用地质雷达法检测无砟轨道路基病害，并结合具体检测实例给出地质雷达法检测的典型图像[4]；胡志鹏针对无砟轨道CA 砂浆的伤损，建立轨道板-CA砂浆模型，利用有限元软件对系统进行振动模态分析，通过计算分析得到轨道板的曲率模态，并结合高斯曲率确定CA 砂浆的伤损及伤损位置[5]；李军利用地质雷达对沪宁城际铁路无砟轨道支撑层底部脱空离缝进行检测，同时给出了雷达时域剖面图，并对缺陷注浆前后效果进行对比[6]；姜子清等对CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝检测手段(地质雷达法、超声波检测法、冲击弹性波法)进行了对比研究[3]。但目前针对板式无砟轨道离缝病害的无损检测技术仍缺少系统的理论及试验研究。

本文以CRTSⅢ型板式无砟轨道为研究对象，通过等比例试验模型，采用瞬态瑞雷面波法、地震映像法、地质雷达法、冲击回波法4种无损检测方法进行大量对比试验研究，分析上述检测方法针对板式无砟轨道离缝检测的适用性与影响因素，为该领域研究提供借鉴与经验积累。

1 检测原理

1.1 瞬态瑞雷面波法基本原理

由于质点间的惯性和弹性相互作用，惯性力和弹性力使体波产生全反射和干涉作用，并在介质表面和层内传播，就形成或派生出面波。面波能量占全部激振能量的2/3，因此利用面波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。面波在多层介质中传播时，瑞雷波沿地表传播，其穿透深度约为1个波长，不同波长的瑞雷波具有不同的穿透深度，其速度会随着频率的不同而有所变化，这种现象称为面波传播的频散。面波的频散特性是进行面波测试及分析的主要依据[7]。检测原理如图1所示。在瑞雷面波勘探发展历程中，经历了稳态面波法、面波谱分析法和多道瞬态面波法，本次试验选取最新的多道瞬态面波法。

图1 面波检测原理示意

1.2 地震映像法基本原理

地震映像法又称高密度地震勘探和地震多波勘探，是固定偏移距不变且沿剖面采集地震数据的一种勘探方法，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅层地震勘探方法。

地震映像法与反射波地震勘探有明显区别，它是一种采用等偏移距进行激发和接收，记录来自反射界面近法线反射信号的振幅和走时的浅层地震反射法。在地面布置的测线上安置检波器，测量波的旅行时间以及与地面各接收点间的位置关系，通过纵波速度计算出地层的埋深。地震映像技术观测系统如图2所示。

注：O-震源点; S-检波点; A-地下界面(R)的反射点图2 地震映像观测系统

1.3 地质雷达法基本原理

地质雷达利用发射天线向目标物体内发射高频电磁波，当电磁波到达检测体中2种不同介质分界面时(如衬砌与围岩分界面)，上下介质的介电常数不同而使电磁波发生反射和折射，入射波、反射波和折射波的传播规律遵循反射定律。地质雷达探测原理如图3所示。把野外采集的地质雷达数据通过软件处理，可得到地质雷达时间剖面图，通过时深转换可得到深度剖面。图像再经滤波等处理，可使不同反射层面清晰地显示出来，同时根据波形特征可分析存在的缺陷和目标物的类型[8]。

图3 地质雷达探测原理示意

1.4 冲击回波法基本原理

冲击回波是由弹性冲击产生的瞬时应力波。采用钢球敲击混凝土表面，产生低频应力波，该应力波进入结构内部传播，并在缺陷或其他界面处发生反射。应力波反射引起的结构表面位移由附近的传感器记录下来，产生电压-时间信号，经过傅里叶变换到频域，得到振幅-频率图。频谱峰值的主频可以计算结构的厚度或缺陷的深度[9]。冲击回波法原理如图4所示。

注： a-偏移距; h-结构厚度图4 冲击回波法原理示意

2 试验测试

采用上述检测方法对CRTSⅢ型板式无砟轨道进行检测，根据无砟轨道结构特点及测试精度要求，现场布线方式如图5所示，其中冲击回波法还进行了空板(未浇筑自密实混凝土)测试试验，检测方法仪器及参数设置见表1。

图5 测线布置示意

检测方法仪器参数设置测线号瞬态瑞雷面波法Geode轻便多道地震采集系统、宽频速度检波器采样间隔20.833μs,采样长度0.05s;12道检波器采集,点距0.1m,偏移距0.1m,道间距0.1m20#,22#地震映像法Geode轻便多道地震采集系统、宽频速度检波器偏移距0.05m,采样率20.833μs,记录长度0.01s1#～4#地质雷达法SIR4000型探地雷达、1.6G天线介电常数7.9,记录长度8ns1#～22#冲击回波法IEI冲击回波仪、加速度传感器1#～18#

3 测试结果分析与比对

3.1 瞬态瑞雷面波法测试结果分析

图6 瞬态瑞雷面波频散谱

对试验数据进行频散曲线提取，典型频散谱如图6 所示，可知，基阶面波与高阶面波能量较为集中，但不能有效分离，较难提取频散曲线，且目前多道瞬态瑞雷面波分析软件最大计算频率一般在 3 000 Hz 以内，无法满足离缝检测的精度要求，该方法不适用于板式无砟轨道离缝伤损检测。

3.2 地震映像法测试结果分析

对地震映像数据进行处理，得到地震映像法时域剖面彩色密度图，如图7所示，可知，地震映像波列同向轴较为连续，振幅较为一致，视周期较小，表现出较强的一致性，无法对无砟轨道结构层面进行辨识。

图7 地震映像法时域剖面彩色密度图

3.3 地质雷达法测试结果分析

对地质雷达数据进行文件编辑、归一化、数字滤波、能量均衡、时深转换、图形编辑等处理后，得到如图8 所示的雷达时域剖面图谱。可见，轨道板双层钢筋信号反应强烈，能够清晰辨识，但电磁波能量衰减较快，受到双层钢筋信号干扰，轨道板与填充层界面反应较弱，无法有效辨识。

图8 雷达时域剖面图谱

3.4 冲击回波法测试结果分析

3.4.1 震源激震方式

为提高激震频率，得到稳定集中的激震能量，采用多种激震方式进行试验对比，以筛选最优激震方式，具体震源激震试验参数见表2。

试验发现，采用检波器触发方式无法触发。对短路触发方式采集的大量数据进行频谱分析，经快速傅里叶变换得到频率-振幅图，对比分析可得最优激震方式为采用17 mm钢球直接短促敲击轨道板面，该激震方式所得频率-振幅图能量集中，波形稳定，且主频得到极大提高，时域图直达波振幅明显，反射信号能够进行有效分离，各测点波形一致性较好。冲击回波时域谱和频域谱如图9所示。

表2 震源激震对比试验参数

图9 冲击回波图谱

图10 冲击回波法冲击响应强度分布曲线

3.4.2 测试结果分析

对测线1#，2#及空板横向测线计算冲击响应强度，如图10所示，可知测线1#和测线2#冲击响应强度一致性较强，与空板测线冲击响应强度有显著区别。试验结果表明，在空板冲击回波测试中，由于轨道板下方未浇筑自密实混凝土，相当于轨道板下方离缝全发育，空气和轨道板声阻抗存在较大差异，当弹性波传播到离缝区域时会产生全反射，而没有离缝的位置反射信号则较微弱，其冲击响应强度、主频明显高于施工完成后轨道板模型，如图11、图12所示。此外，首尾测点的冲击强度明显高于中间测点的强度，根据频谱分析，判断为边界效应所致。通过本次CRTSⅢ型板式无砟轨道测试数据分析与统计，冲击回波的边界效应影响范围为20～30 cm。