一种铁路翻浆冒泥病害的GPR勘探方法

2019-09-27陈国荣陈志文

成都理工大学学报（自然科学版） 2019年5期

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.成都理工大学管理科学学院，成都，610059)

铁路道床和基床作为轨道承力结构，必须保持足够的强度和一定的几何形态，才能维持轨道的平顺和稳定。翻浆冒泥病害恰恰恶化了轨下支承条件，从而破坏了轨道的平顺性和稳定性，严重时甚至引起列车颠覆。随着中国铁路客货运量的逐年提升，不少普速铁路和低等级铁路翻浆冒泥病害越来越突出，勘探和治理费用也越来越高；尤其是初期隐伏翻浆冒泥病害的发现、圈定，已经成为铁路病害普查的难点，往往严重到轨道下沉、泥浆污染了大片道砟才被发现。

1998年，J.Hugenschmidt[1]首次成功地将探地雷达(ground penetratin rador，简称GPR)应用于铁路路基检测。此后，包括中国在内的许多国家都进行了相关的试验[2-5]。Trong Vinh Duong等[6]对铁路道砟/土质界面翻浆冒泥的要素，包括颗粒分布、含水量、孔隙水压力、水力传导系数等，进行了物理建模和深入的研究与分析；XU Xinjun等[7]发表了通过快速区域卷积神经网络对翻浆冒泥进行深度学习、目标检测的方法。这些研究和应用，使得GPR开始在铁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[1,8]。尽管如此，由于GPR仪器设备及其配套软件不同的厂商存在差异，有些甚至还比较大；而数据处理新方法新技术的应用，其效果有待实践检验，又难以与现有GPR仪器设备及其配套软件“深度”融合，往往要求使用人员具备较高的地球物理专业技能和计算机应用水平。这些导致GPR探测、处理与解释的成果与现场实际情况的符合率和精度难尽人意，一定程度上限制了GPR在铁路病害检测尤其是翻浆冒泥病害探测中的应用和推广。因此，针对上述问题，探索一种对铁路翻浆冒泥病害的圈定既效率高、普遍适用，又具有较高符合率和较高边界精度的GPR探测及其数据处理与解释方法，很有必要。

1 方法原理

1.1 作业流程

铁路翻浆冒泥病害的GPR探测与圈定，虽然需要确定的参量比较多，但一旦这些参量确定后，即可建立标准化、规范化的GPR探测作业和数据处理与解释的方法或流程，这是减少错误、节省时间、获得标准统一的高质量勘探成果的基础。这些参量的确定建立在GPR探测分辨率、探测深度，铁路轨道、道床、路基的固有结构，钢轨、道砟、路基的电性参数，以及翻浆冒泥病害目标体电性参数及其深度范围基础上，主要包括：设备选型(含主机的型号及其探测参数、天线类型和频率及配套的处理解释软件)，测线布设标准或方法，数据处理的参数和流程，人机交互解释方法，剖面图和平面图绘制方法及比例尺。本文提出的铁路翻浆冒泥病害的GPR探测与圈定作业流程如图1所示。

图1 翻浆冒泥病害GPR探测与圈定作业流程Fig.1 Flow chart for the operation process of GPR surveying and delineation for the mud pumping

1.2 设备选型

采用GPR设备对铁路轨道以下道床及道床下的路基存在的翻浆冒泥病害的范围进行探测与圈定，首先需要对GPR主机进行选型。目前质量较好、配套软件较为齐备的商用GPR设备主要有美国GSSI生产的SIR系列雷达，以及瑞典Ramac和加拿大Ekko生产的系列雷达。其中，美国GSSI公司的SIR-20机型属于目前中国公路、铁路、桥梁、隧道病害检测或探测方面的主流机型，其配套软件RADAN7功能模块丰富、处理效果好，软件系统稳定、成熟且用户使用程度高，具有较好的代表性。

其次是天线配置。这依赖于被探测的目标体的规模、深度和要求的探测精度。天线频率越高，最大探测深度越浅，但分辨率越高。历年各路局翻浆冒泥病害整治资料揭示出翻浆冒泥的病害具有一定的规律性，底界深度超过轨下2 m的病害不超过病害总数的3%。考虑到使用中留有一定的裕度，要求雷达参考穿透深度应不小于2.5 m。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 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。

表1列出了GSSI公司配套的不同频率的单体屏蔽天线在衰减数为10～50 dB/m的中高耗介质中(大多数翻浆冒泥病害的介质环境)对应的探测可达深度范围和参考穿透深度值。由表1可知，主频400 MHz的天线探测可达深度范围为1～5 m，参考穿透深度值为3 m，与铁路路基翻浆冒泥病害探测对象的深度范围符合性最好，同时兼具较好的探测分辨率。而主频900 MHz的天线虽然分辨率更高，但探测深度不够；主频270 MHz的天线探测深度满足要求，但分辨率又不够。

表1 不同频率单体屏蔽天线的探测深度参考值Table 1 Reference value of detecting depth for shielded mono-static antenna with different frequencies

由于探测对象的最小几何尺寸依赖于GPR系统可能具有的分辨率，即发射天线主频的选择。主频400 MHz天线其波长λ=300 000 km/400 000 000=0.75 m，理论上：深度(垂向)分辨率可以达到λ/4=0.75/4=0.187 5 m(约19 cm)，测线方向(纵向)分辨率可以达到[(hλ/2)+(λ2/16)]1/2。在轨顶之下0.362 m，测线方向分辨率约为41 cm；在0.912 m，测线方向分辨率约为61 cm；在1.5 m，测线方向分辨率约为77 cm。因此，深度越大，纵向分辨率越差。

1.3 测线布设

从较多的翻浆冒泥病害点分布的分析可以发现：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。这些现象指示出应考虑横向探测宽度为2.5～3 m来布置测线。

考虑铁路标准轨距1 435 mm，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2条测线，线间距均为0.5 m(图2)。这种纵测线的布设的好处如下：

图2 铁路翻浆冒泥GPR测线布设示意图Fig.2 Schematic diagram of GPR surveying lines for the mud pumping in railway

a.测线间距0.5 m，能避开钢轨，枕底至2.5 m深度范围内纵向至少有一条测线能采集到可探测目标体的有效数据，翻浆冒泥病害目标体不致遗漏，且满足前面设备选型部分所述目标分辨率要求。

b.测线间距0.5 m，易于垂直测线方向等间隔网格化处理数据，便于绘制翻浆冒泥病害区底界深度等值线平面图。

c.除非需要对已知翻浆冒泥或探测判断存在翻浆冒泥隐患的区域进一步实施详查，一般不需要再布设横测线(控制测线)，能够大幅提高数据采集的效率。

1.4 数据采集

数据采集包括两部分：现场病害调查和GPR探测。

现场病害调查是对探测铁路沿线已经出现的翻浆冒泥、道砟翻浆、道砟板结等病害进行人工勘测，对病害点或区域的里程和范围进行测量，对病害特性进行描述。该部分非常重要，是后续GPR仪器探测参数标定、数据处理与解释各个功能模块参数设定的基础。

现场GPR探测又包括两部分内容：首先，对现场人工勘测的翻浆冒泥病害进行GPR试验探测，根据挖探验证的翻浆冒泥病害的类型、范围和深度，进行仪器探测参数的标定，以及数据处理与解释流程各个功能模块的处理参数的设定；然后，按测线方向进行GPR探测(一般5条测线)，最终完成各条测线的GPR数据采集。

1.5 数据处理

原始GPR数据剖面由于探测面平行钢轨顶面，存在直达波以及钢轨、轨枕、钢轨与轨枕之间以及钢轨与道砟之间空气间隔层产生的电磁反射波的干扰，这些干扰波能量十分强，几乎淹没了接收的反射波中的道床及其下不同介质体产生的反射波信息(图3)。因此，对接收的雷达波数据进行降噪、滤波、叠加等处理，十分重要。

GPR探测数据的处理包括2个部分：数据预处理和自动化流程处理(图4)。其中，数据预处理包括对原始GPR探测数据进行编辑，剔除坏数据或质量不好的数据，对测线进行里程标定，对测线数据进行分段或拼接等，为后续自动化流程处理奠定合格的数据基础。由于测线沿铁路布设一般很长，几十千米甚至百千米以上，数据量非常大。当测线太长时，现场GPR探测需要分段实施，图4所示“分段探测数据”这一子过程便是此情况。另一方面，在现场GPR探测过程中，因轨道来车必然中断探测，导致每次探测的里程长度不一致，一条测线往往有多个甚至几十个分段探测文件。因此，在对各个分段探测数据进行数据块编辑和里程标定后，为减少文件数量，提高数据处理与解释的效率，需要对这些分段探测数据进行拼接处理，生成分段拼接剖面。在拼接处理时，还需要考虑：分段拼接剖面长度不要超过RADAN7软件能够处理的测线最大长度。

自动化流程处理则是按图4自动化流程处理部分所确定的各个功能模块，按顺序制定自动化批处理列表，然后根据列表对各个完成数据预处理后的GPR数据进行快速批处理。其目的是压制随机的和规则的干扰波，最大限度地提高雷达剖面的信噪比，提取电磁反射波各种有用参数用来解释不同介质的物理特征，以及将数据元素重置或归位以补偿由于来自不同方向的反射叠加产生的空间畸变，例如偏移处理等。图4自动化流程处理部分起始时间置零、增益控制、水平叠加除噪、除水平背景噪声、垂直频率滤波、偏移归位、反褶积等模块的处理参数的预置，均需在GPR探测正式作业之前，依据多个典型的翻浆冒泥病害样本的GPR试验探测及其处理解释结果与对应样本挖探验证的结果，通过比较分析而定。

图5所示为图3原始探测数据经数据预处理，以及自动化流程处理中偏移归位前处理的结果。由图可见，直达波以及钢轨、轨枕、钢轨与轨枕之间或钢轨与道砟之间的空气间隔层产生的电磁反射波的干扰得到了有效清除，道床及其下不同介质体产生的反射波特征明显增强。

图3 归连铁路K14342～K14306里程GPR探测原始数据剖面Fig.3 Profile of raw data of GPR surveying from K14342 to K14306 mileage of Gui-Lian railway

图4 铁路翻浆冒泥病害GPR探测数据的处理流程Fig.4 Flow chart showing data process of GPR surveying for the mud pumping in railway

图5剖面的K14320和K14328点下方，出现了明显的2组低频抛物线型同相轴，这些同相轴具备典型的翻浆冒泥边界点状绕射波特征。由此根据剖面图的电磁波同相轴特征可以推断，图5剖面的K14320和K14328点下方可能存在翻浆冒泥病害。对图5结果数据进行反褶积和偏移归位处理，结果如图6所示。图6中红色圆点所围部分区域为人机交互解释圈定的翻浆冒泥边界，其内的电磁反射波的多次波干扰得到了有效消除，反映其边界的反射同相轴及点状绕射波同相轴偏移归位效果较好。图6中黄色点所示线条为人机交互解释的约30 cm厚的砂垫层(包括砂垫层中间的土工布或土工膜夹层)。很明显，红色圆点圈定的翻浆冒泥病害区域已经穿越砂垫层，反映翻浆冒泥病害的泥浆源于砂垫层下的基床，土工布或土工膜夹层已经损坏。

图7所示为K14320里程翻浆冒泥病害点人工挖探验证的结果。现场验证，K14320和K14328点道砟表面存在明显可见的翻浆冒泥；进一步，通过对上述红色圆点所围部分区域进行现场人工挖探，发现K14320和K14328点在轨顶下69.2 cm揭示一层已损坏的土工布，并分别在轨顶之下83.2 cm和89.2 cm深度探到硬质基底；83.2 cm和89.2 cm深度与图6圈定的翻浆冒泥病害的对应剖面测线点位置下的底界深度基本一致，说明图5、图6按图4流程进行数据处理，其参数设定是正确的。

图5 对图3数据按图4流程进行偏移前处理的剖面Fig.5 Profile of data from Fig.3 processed before the shifting of the Fig.4

图6 对图3数据按图4流程进行偏移处理后的剖面Fig.6 Profile of data from Fig.3 processed after the shifting of the Fig.4

图7 K14320里程位置翻浆冒泥病害人工挖探验证结果Fig.7 Pictures showing the verification results of artificial excavation of the mud pumping at K14320 mileages(A)翻浆冒泥点; (B)翻浆冒泥挖探结果; (C)土工布夹层损坏情况

图7验证的硬质基底面在80～90 cm处，基底面上为土工布、砂垫层、道砟、轨枕、钢轨，基底面下为土质或石质地层，基底面上下介质差异大，这使得偏移和反褶积后的图6剖面约1 m以下部分与图5的差异也较大。

图8和图9为图6数据按图4自动化流程进行希尔伯特变换分别生成的瞬时振幅和相位剖面。图8瞬时振幅剖面能够很好地反映白色圆点所围区域即翻浆冒泥病害在剖面上的两侧边界，图9瞬时相位剖面能够很好地反映白色圆点所围区域即翻浆冒泥病害在剖面上的底部边界。希尔伯特变换可用于进一步修正翻浆冒泥病害圈定的范围。

1.6 人机交互解释与成图

翻浆冒泥病害的人机交互解释需要在GPR探测数据按图4所示自动化流程在偏移归位处理和希尔伯特变换处理之后进行，主要通过RADAN7软件的二维人机交互解释模块完成。其目的是对基床与道床之间的砂垫层进行标定，对翻浆冒泥病害进行圈定，并判断翻浆冒泥病害是否穿越砂垫层，以确定翻浆冒泥病害是道床性还是基床性。

1.6.1 层位解释

道床性翻浆冒泥病害与基床性翻浆冒泥病害，二者最大的差别是：道床性翻浆冒泥病害分布在基床以上尤其是道床之中，有时也称之为道砟翻浆，其成因主要是由于使用了质量差的道砟(如灰岩、砂岩等强度和耐磨性较差的道砟或含泥含细屑物质太多的道砟)；而基床性翻浆冒泥成因更为复杂，多产生在基床内并向上延展至道床内。因此，基床与道床的界面标定非常重要，它是判断翻浆冒泥病害类型的重要参考。对于细粒土路基之基床表层，在表层顶部一般设置有30 cm左右的砂垫层，也有在道床底部(即基床表层顶面之上)设置砂垫层和土工膜的做法，不管该层设在道床层还是基床层，目的都是隔离道床和基床，防止道床积水下渗。这一薄层与其上的道床和其下的基床之间介电常数的差异，反映在雷达探测数据剖面上一般存在明显的强反射同相轴，如图3、图5和图6所示。通过解释、标定这一层位，即可判断所圈定的基床性翻浆冒泥病害点的泥浆囊是蛰伏在砂垫层之下还是已穿透砂垫层及土工布伸入道床，这对病害治理具有一定的指导意义。

图8 对图6数据进行希尔伯特变换生成的瞬时振幅剖面Fig.8 Instantaneous amplitude profile of data from Fig.6 processed with Hilbert transform

图9 对图6数据进行希尔伯特变换生成的瞬时相位剖面Fig.9 Instantaneous phase profile of data from Fig.6 processed with Hilbert transform

1.6.2 翻浆冒泥病害解释

翻浆冒泥病害范围的圈定及其描述如图10所示。每个翻浆冒泥病害区域的人机交互解释，包括起讫里程、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离散的边界控制点的里程及其深度[9]。

图10 翻浆冒泥病害区空间位置示意图Fig.10 Schematic diagram showing spatial location of the mud pumping in railway subgradeds.病害区起始里程; df.病害区终了里程; h0.底界起始里程深度; hN-1.底界终了里程深度;hi.底界任意里程深度;hmax.底界最大深度

翻浆冒泥病害泥浆与周边道床或基床存在明显的介电常数差异，反映在雷达探测数据剖面上：

a.剖面深度方向偏移前翻浆冒泥病害区域的顶点或底点一般会出现绕射，由于介电常数差异大，会出现强反射同相轴并形成多次波反射。

b.剖面深度方向偏移后绕射消失，反褶积除多次波后翻浆冒泥病害区域会出现明显的低频反射区或“亮点”。

c.剖面深度方向翻浆冒泥病害区域顶底反射同相轴一般出现相位反向。

d.剖面测线方向翻浆冒泥病害区域边界其反射同相轴出现振幅增强、相位反向、断开或不连续、向上或向下弯曲等特征。

e.剖面测线方向翻浆冒泥病害区域边界有时会出现绕射并形成多次波反射。

f.希尔伯特变换瞬时振幅剖面翻浆冒泥病害区域能量高，如果翻浆冒泥病害区大小超过分辨率最小尺寸，还会出现核心低能量的高能环状或不规则带状能量区。

g.希尔伯特变换瞬时相位剖面翻浆冒泥病害区域顶底会出现明显的连续界面，两侧出现相位反向、断开或不连续、向上或向下弯曲等特征。

解释的翻浆冒泥病害区域底界是否已穿越基床与道床之间界面(含砂垫层)所反映的雷达探测数据剖面上的同相轴层位，可以作为道床性翻浆冒泥病害和基床性翻浆冒泥病害的区分依据。

2 实例分析

2.1 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对归德至连界铁路K0～K30443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，平均8处/km，病害密度和严重程度十分罕见。

工作内容包括：

a.对归德至连界铁路K0～K30443里程地表已发现翻浆冒泥的点或区域进行野外现场勘测记录。

b.采用SIR-20GPR和400 MHz单体屏蔽天线，选择典型的已发现翻浆冒泥的点或区域进行雷达波特征试验测试与检验，并通过挖探方法验证，进行翻浆冒泥探测时窗设定以及雷达波形特征和电性参数的标定。

c.采用SIR-20GPR和400 MHz单体屏蔽天线，对归德至连界铁路K0～K30443里程范围存在的翻浆冒泥的点或区域进行野外现场探测。

d.对野外雷达探测数据进行室内处理、分析与地质解释，绘制翻浆冒泥点或区域分布的剖面图与平面图。

e.编写报告。

本次探测，沿铁路正线方向纵测线布设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)。

2.2 翻浆冒泥病害数据处理结果分析

图11所示为K14410～K14318里程左、中、右3条测线处理解释的翻浆冒泥病害分布的纵剖面图。绘制方法参见文献[9]，原图的比例尺：水平方向1∶500、垂直方向1∶50。

表2为K14410～K14318里程现场勘测记录的翻浆冒泥病害，以及GPR探测数据处理、分析与解释的翻浆冒泥病害点的统计结果。由表2可知，现场勘查记录的翻浆冒泥病害，在GPR探测数据处理、分析与解释的结果中均有体现，数量符合率100%；数据处理、分析与解释的翻浆冒泥病害的剖面图分布，其里程涵盖现场勘查的相同的翻浆冒泥病害的里程，并且包括现场勘查未发现的隐伏于道砟下的翻浆冒泥病害。

图11 K14410～K14318里程翻浆冒泥病害分布剖面图Fig.11 Profile of the mud pumping distribution from K14410 to K14318 mileages

地面勘查结果病害序号里程标识轨道标号轨道偏移/m里程偏移/m长度/cm最大宽度/cm病害描述107K14+160.3 400.3 60.0 50.0 翻浆冒泥中心点在内侧,距离左轨30 cm108 15-0.5 374.5 130.0 260.0 翻浆冒泥跨线109 14-0.9 349.1 130.0 260.0 翻浆冒泥跨线110 13-1.0 324.0 600.0 190.0 324+1.5 m处翻浆冒泥严重111 13-5.1 319.9 90.0 190.0 翻浆冒泥中心点在内侧,距离右60 cm雷达探测数据处理结果病害序号左测线中测线右测线起点里程终点里程起点里程终点里程起点里程终点里程9614405.50 14397.38 14405.50 14396.72 9714378.92 14370.56 14379.46 14370.32 14377.84 14372.06 9814353.72 14345.06 14354.02 14345.48 14354.68 14350.82 9914331.58 14319.41 14331.16 14318.60 14332.00 14319.44

根据图11剖面图翻浆冒泥病害点或区域，按图10所示空间位置描述方法，解释标定翻浆冒泥病害底界的深度、里程值，绘制了图11各个剖面图所示里程翻浆冒泥病害分布底界深度等值线平面图(图12)。

平面图比例尺设定为1∶100，采用Surfer软件克里金插值法绘制。虽然主测线只有3条，由于采用了在翻浆冒泥或检测判断存在翻浆冒泥隐患的区域加密测线的方法，规避了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漏测的情况。图12较好地反映了该里程段铁路翻浆冒泥病害点或区域的平面分布及其演化趋势，能够为翻浆冒泥整治提供可靠的设计与施工依据。根据图12，采用挖探方法对病害点进行揭示，对勘探成果进行了检验。检验结果表明，深度方向边界误差<20 cm，测线方向边界误差<50 cm，勘探成果明显优于以往主要依靠钻探、挖探、钎探圈定病害周界的常规勘探(常规勘探方法对非揭示处的边界一般靠推测)。