一种GPR勘探的铁路翻浆冒泥病害底界的等值线图绘制方法

丁杨,陈国荣,陈志文

(1.成都西南交通大学设计研究院有限公司，成都 610031；2.四川省铁路集团有限公司，成都 610072；3.成都理工大学，成都 610059

1 前言

近10 a来，许多国家尤其是我国进行了大量的探地雷达(Ground Penetratin Rador，简称GPR)应用于铁路线路翻浆冒泥病害的相关检测与试验[1-5]，GPR勘探方法开始在铁路线路可见和隐伏的翻浆冒泥病害的探测与圈定应用中被广泛地接受[1，6]，已经成为铁路线路翻浆冒泥病害检测、圈定的重要手段。

从较多的翻浆冒泥病害点分布的分析可以发现：铁路线路横向，泥浆在道砟表面冒出位置通常不超过轨枕两端头向外30 cm，只有少数病害点泥浆超出此位置，但肉眼即可发现。考虑到GPR探测深度方向要求对厚度为20 cm及以上介质层(一般为砂垫层夹土工布处理翻浆冒泥病害的最小厚度)有较好的分别率，深度0～2.0 m范围内要求对半径0.5 m及以上的类球状或囊状异常介质体应能识别，再考虑到铁路标准轨距1 435 mm。因此，铁路线路GPR探测应考虑的铁路线路横向探测宽度应为2.5～3.0 m左右来布置测线。GPR探测一般沿铁路正线线路方向纵测线布设5条：铁路中央纵测线一条，中测线两侧再平行布置两条测线，测线间距均为0.5 m。

由于铁路线路呈长带状，这种GPR探测测线的布设导致每条测线都很长且勘探所获数据量巨大，与GPR探测配套的专业数据处理与解释软件例如常见的RADAN7等，往往需要对每条测线分段进行数据处理和翻浆冒泥病害的人机交互解释圈定，尤其是各个翻浆冒泥病害区域底界控制点的标定，根本无法按比例尺沿铁路正线进行狭长带状区域翻浆冒泥病害底界深度等值线图的绘制。有鉴如此，本论文结合RADAN7和Surfer软件，提出了一种用于GPR勘探的铁路翻浆冒泥病害底界的等值线图绘制方法。

2 方法原理

2.1 翻浆冒泥病害区域描述

翻浆冒泥病害治理的工程设计、预算与施工，要求提供比较准确的翻浆冒泥病害范围的数据，尤其是翻浆冒泥病害底界里程和深度的数据。翻浆冒泥病害区域的描述如图1所示。

图1 翻浆冒泥病害区空间位置示意图

图2 翻浆冒泥病害区底界等值线图绘制流程图

通过采用专业的配套软件例如RADAN7，对沿铁路线路方向各测线GPR探测的剖面数据进行数据处理，然后通过软件的人机交互解释模块在数据处理后的各测线剖面上采用离散的控制点进行翻浆冒泥病害区域底界的人工或自动标定，即可生成并获得每个翻浆冒泥病害区域底界离散的边界控制点的集合，包括其所在测线的里程及其深度的数据。因此，翻浆冒泥病害区域底界离散的边界控制点的集合包括翻浆冒泥病害区域底界起始与终了边界控制点的里程及其深度，以及由起始里程到终了里程沿翻浆冒泥病害区域底界的其它离散的边界控制点的里程及其深度。

2.2 作业流程

本论文提出的用于GPR勘探的铁路翻浆冒泥病害底界的等值线图绘制方法其作业流程如图2所示，步骤如下：

第一步，按每条测线导出通过专业软件例如RADAN7进行数据处理与人机交互解释后得到的每个翻浆冒泥病害区域底界离散的边界控制点的集合信息，生成按测线排列的铁路线路翻浆冒泥病害区域底界坐标控制点数据文件即离散的边界控制点的Excel报表。

第二步，打开翻浆冒泥病害区域底界坐标控制点数据文件，编辑离散的翻浆冒泥病害区域底界控制点的坐标值C(X，Y，Z)，如下表1所示。其中：Z为控制点的深度值，轨顶值为0，值不变；X为控制点在某测线的里程值，值不变；Y为垂直X方向(即铁路线路横向)的坐标值，一般定义铁路线路方向最左或最右的测线的Y坐标为0，按测线间距编辑设置每条测线的Y值。

表1 翻浆冒泥病害底界坐标点数据样本

第三步，应用Surfer软件(11版本或更高)导入上述第二步编辑后的翻浆冒泥病害区域底界控制点数据文件，设定等值线平面图的比例尺(建议设定为1∶100)，设定插值方法为克里金插值法，生成网格节点数据文件。

第四步，应用Surfer软件标定图名、图例等，通过生成的网格节点数据绘制铁路线路翻浆冒泥病害底界的等值线平面图。

3 实例

3.1 实例概况

2018年1月30日至2018年4月24日，四川归连铁路有限公司组织人员，采用本文提出的作业流程，利用GPR对地方铁路归德至连界线K0～K30+443里程存在的翻浆冒泥病害分别进行了现场勘探、室内数据处理与解释。在勘探的近30 km路基净长度(不含桥隧)中，发现道床和基床翻浆冒泥点约250处。

本次探测，沿铁路正线线路方向纵测线布设3条(建议布设5条)，分左、中、右，测线间距1 017.5 mm。左测线按归德至连界铁路方向的左轨道外侧0.3 m沿铁路线布设，右测线按归德至连界铁路方向的右轨道外侧0.3 m沿铁路线布设，中测线按归德至连界铁路方向的线路中心线布设。

因测线间距较大，考虑到0.75～1.5 m深度范围内纵向分辨率过低，可探测的翻浆冒泥病害目标体可能遗漏的情况，沿铁路正线线路方向对存在翻浆冒泥或检测判断存在翻浆冒泥隐患的区域，在轨道内沿中测线左右两侧0.5 m处各平行加密布设测线1条(间断加密)。

3.2 翻浆冒泥病害平面图绘制

按图1所示空间位置描述方法，依照前述“2.2作业流程”，对归德至连界铁路正线K 14 410～K 14 320里程的翻浆冒泥病害进行了底界深度、里程的解释标定，绘制了该里程范围的翻浆冒泥病害分布底界深度等值线平面图，如图3所示。平面图比例尺设定为1∶100，采用Surfer软件克里金插值法绘制。

图3 K14+410～K14+320里程翻浆冒泥病害底界深度等值线平面图

4 结语

归连铁路翻浆冒泥病害的探测与圈定，首次结合RADAN7与Surfer软件(11版本或更高)应用，采用了本论文所述GPR勘探的铁路翻浆冒泥病害底界的等值线图绘制方法，解决了与GPR勘探配套的专业软件例如RADAN7等无法进行翻浆冒泥病害底界狭长带状等值线绘制的问题，同时也为翻浆冒泥病害治理的工程设计与施工提供了高精度数据支撑。该方法简单实用，具较好的应用推广前景。