冲击回波声频法在高速铁路CRTSⅢ型轨道板脱空检测中的应用

唐小冬, 罗技明, 陈宇朋

( 四川升拓检测技术股份有限公司， 四川 自贡 643000)

引 言

CRTSⅢ型板式无砟轨道总体结构方案为带挡肩的新型单元板式无砟轨道结构，主要由钢轨、扣件、预制轨道板、配筋的自密实混凝土(自流平混凝土调整层)、限位挡台、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土底座等部分组成[1]。

CRTSⅢ型板在施工过程中预制轨道板与调整层间的结合程度是施工中主要控制指标之一。然而，在施工过程中，自密实混凝土与上面的轨道板之间容易出现大气泡、疏松等问题。而在运营过程中，由于温度应力、施工不良等原因，自密实混凝土与轨道板之间则容易产生脱空等问题，导致列车高速运行时存在安全隐患[2]。因此，用一种可靠且高效的检测手段检测轨道板与调整层之间是否存在脱空是非常重要且必要的。

然而CRTSⅢ型轨道板应用是2010年底才正式定型，目前国内轨道板脱空检测相关研究为数不多。2011年，魏祥龙[3]等通过探地雷达选择900 M天线检测出了道床板与支承间脱空和道床板的混凝土缺陷。2015年，李军[4]使用探地雷达法对无砟轨道支承层底部存在的缺陷进行了检测，并在缺陷处理后对缺陷处理效果进行了检测。2015年，杨鸿凯[5]等利用弹性波法，通过分析波形能量比、卓越频谱比的变化，评价了预设轨道板与支承层、支承层与路基间的脱空病害。2015年，张春毅[6]等通过瞬态机械阻抗法，从导纳频谱曲线变化、平均导纳值分析识别出轨道板底支撑情况，可以对脱空的存在进行检测。2016年，廖红建[7]等通过探地雷达正演模拟和现场验证测试，很好的识别了CA砂浆填充状态。2017年，杨勇[8]通过探地雷达检测技术，建立了钢筋下部空洞病害回波模型，讨论了电磁波波速特征和目标回波方向性特征提取算法，提出了基于方向滤波器的CA砂浆层空洞病害检测识别体系。2018年，武思思[9]通过分析冲击荷载作用下的无砟轨道板振动响应特征，用支持向量机建立了脱空类别损伤检测辨识模型，实现了脱空类别的辨识。

尽管高铁轨道板病害相关研究开展了多年，但是还缺乏一种较成熟的Ⅲ型板脱空检测技术。现有轨道板脱空检测技术大多基于探地雷达技术，由于Ⅲ型板钢筋分布密集，探地雷达测试信号受钢筋影响大，信号分析难度大，在Ⅲ型板脱空检测中应用少。基于冲击弹性波的轨道板脱空检测技术近年来应用相对较多，工程实践也表明冲击弹性波是一种针对Ⅲ型板脱空或离缝检测较为理想的媒介[10]。

基于冲击弹性波的轨道板脱空检测方法冲击回波法[11](IE)，该方法对材料的力学性能敏感，受混凝土内钢筋的影响较小，能准确的反映出出轨道板有无脱空以及脱空的位置。由于冲击回波法是单点式采集数据且要求传感器与被测结构物良好接触，因此其测试效率受到了限制。为了提高效率以及精确性，对信号采集端进行了研究，提出冲击回波声频法(Impact Acoustic Echo method，IAE)这一新技术，弥补了冲击回波法的不足，能有效提高轨道板脱空检测的测试效率，通过前期实际应用和验证，证明冲击回波声频法在CRTSⅢ型轨道板脱空检测中具有高效率和高可靠性。

1 冲击回波声频法原理及测试方法

1.1 冲击回波声频法原理

冲击回波法以冲击弹性波为媒介，利用弹性波在被测结构物中多次反射特性，通过频谱分析方法来确定被测结构的材质、厚度及缺陷。

冲击回波声频法是在弹性波冲击回波法和打声法[12]基础上研发的，基于声频的非接触、移动式的工程无损检测方法。该方法是对被测结构的测试部位激振并诱发振动以及声响，通过广频域、高指向拾音装置拾取该声音信号，并通过差分处理计算空气柱[13]的加速度。

空气柱基本方程：

(1)

其中，ρ(x,t)、v(x,t)分别为该当位置、时间的密度和流速。

由于气体的流速很小，可以表示为静止气体密度ρ0和变化量ρ′(x,t)之和：

ρ(x,t)=ρ0+ρ′(x,t)

(2)

据此，式(1)可以简化为：

(3)

由于气体的密度变化会导致压力P和体积V的变化，因此引入压缩率κ来表述：

(4)

κ的倒数即为空气的压缩模量。同样，压力的变化也可以表示为静止气体压力与变化量之和：

P(x,t)=P0+P′(x,t)

(5)

据此，可得：

ρ′(x,t)=κρ0P′(x,t)

(6)

忽略2次项后，空气柱的加速度a由下式确定：

(7)

由于该加速度与被测结构表面的加速度有密切的相关性，因此分析该加速度信号即可达到快速、准确了解测试结构内部情况的目的。

1.2 冲击回波声频法测试方法

冲击回波声频法与冲击回波法测试方法相同，均是利用轨道板、调整层本身材质的特性以及机械阻抗的差异，用传感器及激振装置在轨道板表层进行信号的激发和接收。

图1 轨道板脱空检测示意图

图2 弹性波在介质面的透过与反射

通过机械阻抗差异，可计算反射率R：

(8)

当轨道板与调整层间有脱空或泡沫层时，相当于存在一个空气夹层，轨道板与空气的阻抗差异较大，故大部分弹性波信号会在该脱空或泡沫层区域发生反射；当轨道板与调整层结合程度很好时，Ⅲ型轨道板为C60混凝土，弹性模量36 GPa，自密实混凝土为C40混凝土，弹性模量30 GPa左右，两者阻抗差异较小，大部分信号将穿过调整层继续沿底座板向下传播，而少部分弹性波信号则在轨道板与调整层界面发生反射，但反射的弹性波信号成分较少。

将测试信号使用高分辨率频谱处理方法MEM[14](最大熵值法)进行分析处理，提取出反射信号[15]，再通过信息成像技术根据反射信号的位置及强弱，输出直观的彩色平面结果图，结果图中的暖色调区域表示该区域轨道板存在脱空，冷色调区域表示轨道板无脱空。

图3 轨道板脱空检测结果示意图

(9)

根据Li和分位点α，即作为脱空与否的参考判定基准。

跟冲击回波法相比较，冲击回波声频法不同之处在于采用音频传感器。冲击回波法采用传统的加速度传感器，需要将传感器固定在被测结构物表面，测试时受测试表面的状态(有浮浆、灰尘、砂砾等)影响，同时冲击回波法是单点式采集，其效率相对较低。而冲击回波声频法采用音频传感器，不必接触被测结构物表面，还可以移动式连续采集数据[16]。

2 冲击回波声频法相比冲击回波法优势理论分析

冲击回波声频法检测与冲击回波法检测的对象均遵循介质中弹性波的传播规律，测试的也是表面质点的振动特性。不同之处在于传感器耦合方式，以及系统的共振特性。

2.1 非接触式耦合

冲击回波法是通过拾振传感器与被测结构物直接接触或者耦合剂耦合接触等方式接收测试信号，不同的耦合方式对固有频率[17]有明显的影响。

图4 不同耦合接触方式对固有频率的影响

图5 声频拾取装置示意图

拾音器到结构面这段空气柱的第k阶固有频率fk计算如下：

(10)

式中ρ0为静止气体密度；L为气柱长度；κ为压缩率。

冲击回波声频法不再沿用传统的信号接收方式，改用非接触式测试。因此其固有频谱特性不会改变，这不仅避免了接触式测试产生的误差，而且可用于移动测试，有利于提高测试精度及效率。

2.2 无系统共振

常用的加速度传感器如图4所示，有明显的固有频率峰值，而拾音器的频谱上一般没有明显的共振峰值(图6)，这减少了传感器固有频率对数据处理频谱分析时的干扰。

图6 麦克风频谱曲线

2.3 PPR材料测试对比试验

对室内PPR材料进行了对比测试，如图7所示。本次测试分别采用S31SC传感器及声频装置进行测试，对其频谱图进行了对比。

图7 PPR材料被测对象

分别采用传统加速度传感器与音频传感器对PPR材料进行了对比测试，结果见表1。从表1可以看出，声频测试方法对PPR测试频谱分析时，传感器固有频率干扰小，且能较清晰识别底部反射信号；接触式耦合的加速度传感器测试频谱分析时，传感器固有频率干扰很大，几乎掩盖了底部反射信号。

可见，在此条件下，IAE法的分析品质优于IE法。

表1PPR材料测试频谱分析结果对比表

3 冲击回波声频法在Ⅲ型轨道板脱空检测中的应用研究

3.1 现场检测对象

本次测试对象是在建的郑阜高铁CRTSⅢ型板，如图8所示。轨道板和调整层已施工完成但还未铺轨，板的尺寸为4.96(或者5.60) m×2.5 m×0.2 m(长×宽×高)。在不同的里程段共随机测试了274块板，主要测试自密实混凝土与轨道板的结合情况，并对测试结果中部分脱空占比较高的板进行了揭板验证。

图8 测试对象照片

图9 测点布置示意图

3.2 两种方法检测效率对比

现场对两种方法进行了对比，声频检测装置有轮式和支撑式，本次测试采用支撑式。测点布置及检测装置分别如图9、10所示。

图10 两种IAE检测装置示意图

表2 检测效率对比结果

同一组检测人员检测相同数量的测点，使用冲击回波法检测耗时大概20分钟，采用冲击回波声频法检测耗时大概10分钟，后者由于音频传感器是非接触式耦合，不受测点表面平整度影响，可连续采集，因此更省时间，测试效率更高。

3.3 两种方法检测结果可靠性对比及揭板验证

检测结果的平面成像及现场揭板验证如图11～14所示：

图11 203#-右4板冲击回波法测试结果图

图12 203#-右4板冲击回波声频法测试结果图

从图12中可以看出，相同阈值参数下，冲击回波声频法对轨道板脱空区域反射的能量更强，颜色更暖，表明对轨道板脱空更加敏感。

平面结果图11～13中黑色标记框内为凿开区域，红色标记圈内为验证区域。

图13 203#-右4板测试结果缺陷区域图

图14 203#-右4板揭板验证照片

3.4 检测结果分析

在检测结果分析时，根据已建立的判定基准来判断被测对象是否存在脱空。此次共检测了274块板，其中明显脱空面积占整板面积比例在2%以下(小于2%)的174块板，2%～5%的有67块板，5%～10%的有23块板，10%以上(大于等于10%)的有10块板，如图15所示。

图15 检测结果统计柱状图

对部分脱空面积超过2%的板进行了揭板验证。揭板结果表明，自密实混凝土与轨道板结合面上，和图13中对应的地方，红色区域因存在离缝脱空，冲击弹性波绝大部分在分界面反射回来而呈现红色；蓝色区域层间结合较好无脱空，只有部分工艺性小气孔，冲击弹性波绝大部分在分界面透射过去而呈现蓝色；绿色(浅黄色)区域存在泡沫层或气孔较多，冲击弹性波大部分在分界面透射过去，少部分反射回来而呈现绿色(浅黄色)。

通过两种方法测试对比及揭板验证，冲击回波声频法提高了检测效率，同时检测结果更趋于实际，可靠性也有相应提升。

4 结 论

(1)轨道板脱空是无砟轨道CRTSⅢ型板目前普遍存在的一种病害，严重时危及行车安全。而基于冲击回波声频法的轨道板脱空无损检测技术，该方法能直观、高效、准确地检测出轨道板与调整层之间的有无脱空以及脱空位置。

(2)冲击回波声频法在Ⅲ型板脱空检测中应用时，用拾音器替换了加速度传感器，采用非接触式耦合方式，与已有的冲击回波法相比较，不但避免了传感器固有频率对测试结果频谱分析时的干扰，对脱空也更加敏感，在测试精度和测试效率上都有提高。

(3)通过现场的应用及验证表明，冲击回波声频法有利于CRTSⅢ型轨道板与调整层间结合质量的提高，保障行车安全，同时，也有利于推进高速铁路中Ⅲ型板脱空无损检测技术的发展以及相关质量控制标准的完善。