碎石道床状态雷达测试适宜参数研究

王石磊，彭湛，齐法琳，马骏，陈浩

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京工务段，北京 100007；3.中国铁路上海局集团有限公司 工电检测所，上海 200071）

0 引言

碎石道床是有砟轨道结构的基本组成部分，随着服役时间增加，道床渐失弹性和排水功能，需要开展频繁维修工作，直至清筛大修［1］。道床脏污状态是清筛策略决策的重要依据，传统道床脏污率主要通过现场挖验取样进行质量筛分确定，该方式天窗用时长、效率低，难以普遍开展［2-4］。因具有快速、无损优势，近10年来国外围绕碎石道床雷达检测及量化评价技术进行了大量实践。国外针对碎石道床状态快速检测主要采用高频雷达技术［5-7］，当前我国对此研究及应用仍较少，因此有必要对该技术可行性及雷达测试适宜参数进行研究。

采用高频雷达采集了实际线路碎石道床数据，分析碎石道床雷达电磁信号特征及道床介电特性，验证雷达测试参数的有效性，为后续该技术深化研究奠定了基础。

1 技术原理

地质雷达技术是指通过发射天线向被测对象内部发射电磁波，当遇到介电特性存在差异的界层或区域时，电磁波会发生反射，接收天线记录回程波时间和振幅，形成单道波形，沿线路方向按指定间隔进行采样即可形成由多道波形组成的二维雷达图像。通过对单道波信号及二维雷达图像分析，可获取被测对象特定的物理参数（如道砟厚度等）。地质雷达电磁波在碎石道床中传播路径示意见图1。

图1 地质雷达电磁波在碎石道床中传播路径示意图

采用高频雷达测试碎石道床时，电磁波除在介电特性存在差异的界层或区域发生反射外，当电磁波波长与碎石颗粒间间隙尺寸相近时会发生散射现象。基于散射现象存在与否或明显程度，可表征道床碎石颗粒间孔隙状况，进而为间接识别道床脏污、板结、翻浆冒泥及其诱发的排水不良等线路修理问题提供解决方案。碎石道床内高频雷达电磁波典型散射特征见图2。

图2 碎石道床内高频雷达电磁波典型散射特征

2 模型试验

2.1 30 m足尺碎石道床模型

基于30 m路基病害模拟槽构建足尺碎石道床模型，道床底宽5 m，采用混凝土Ⅲ型轨枕、60型钢轨，采用Ⅰ级碎石道砟，碎石道床模型断面见图3。

图3 碎石道床模型断面

模型沿长度分为Ⅰ～Ⅳ区段，各区段长为7.5 m。区段Ⅰ、Ⅱ为全断面脏污；区段Ⅲ分层脏污，脏污厚度为底部17 cm；区段Ⅳ为洁净道砟；道床底部沿线路纵向预埋4块长3.8 m、宽20 cm、厚10 mm的钢板。道床纵断面见图4。

图4 碎石道床模型纵断面

区段Ⅰ脏污组分采用粒径小于5.0 mm的细颗粒煤，区段Ⅱ、Ⅲ脏污组分采用粒径小于7.1 mm的级配碎石材料模拟。碎石道床模型构筑状况见图5。在模型构筑前后采用水准仪分别测量了10处道床底部及轨顶标高，推算枕底道床厚度见表1。

图5 碎石道床模型构筑状况

表1 典型位置模型枕底道床厚度推算值 cm

2.2 既有铁路线测试

某测试铁路线为Ⅰ级普速铁路，试验区间长3000m，包含隧道2座，简支预应力混凝土T梁桥2座，测试线路以货物运输为主，货物类型主要为煤炭。隧道段于2019年进行了人工清筛，路基及桥梁区段15年内未清筛，未清筛区段道心及枕端存在翻浆冒泥，道砟孔隙内存在细颗粒煤集聚现象。测试区段布局及典型道砟表面状况见图6。

图6 既有线测试区段布局

2.3 测试系统及参数

采用GSSI公司生产的2 GHz中心频率空气耦合型天线及配套主机作为雷达数据采集单元，采集单元搭载于人工助力推行的同轴转动绝缘轮金属框架小车上，测试系统组成见图7。为模拟道床运营检测需求天线位于线路车辆限界内，横向布置3部天线，其中枕端天线极化方向与线路方向一致，道心天线极化方向垂直于线路，天线底面距轨顶190 mm，天线布局见图8。采集时窗为15～25 ns，采样点数为512，道间距为5 cm，采集过程不设增益调整，测试速度约为3 km/h。

图7 测试系统组成

图8 测试天线布局

3 试验数据

3.1 30 m碎石道床

3.1.1 雷达图像

为测试不同时窗对道床检测能力的影响，30 m碎石道床试验分别设置了15、20 ns两种工况，各工况下3条测线雷达图像分别见图9、图10。

图9 20 ns时窗测试结果

图10 15 ns时窗测试结果

测试结果表明2种时窗设置均能有效捕捉到道床底部反射信号（见图9、图10中蓝色标注区域），说明高频雷达测试系统枕底有效探测深度大于45 cm，道砟有效探测深度大于65 cm，能够满足碎石道床状态探测需求。15 ns时窗工况下，道床底部钢板反射信号处于有效信号的下缘，即单道波形内道床有效数据占比更大，道床状态信息挖掘空间更大。

3.1.2 介电常数推算值

对图9、图10中具有明确反射信号的区域，在雷达图像中拾取同一位置处砟面及钢板表面反射峰值，计算双程走时，结合道砟厚度实测结果，按公式（1）推算介电常数，具体计算结果见表2。

式中：εr为介电常数；c为电磁波在真空中的传播速度；Δt为电磁波在介质中的双程走时；h为砟面至钢板间的距离。

表2 30 m碎石道床模型不同区段介电常数推算结果

测试结果表明：区段Ⅱ介电常数介于6.4～7.0，平均值为6.7；区段Ⅲ介电常数介于4.3～5.0，平均值为4.7：区段Ⅳ介电常数较为均匀，均为4.7。区段Ⅱ介电常数最大，区段Ⅲ与Ⅳ平均介电常数一致，但区段Ⅲ介电常数存在一定的离散现象。由此表明，洁净道床介电常数较为统一，伴随脏污程度的增加，道床介电常数存在明显增大现象。

3.2 既有线测试结果

3.2.1 典型部位挖验推算道床介电常数

既有线K191+073处设置挖验孔，雷达图像及挖验孔状况见图11，挖验孔处砟面距道砟底面53 cm，枕底道砟厚30 cm，挖验处前后道床底部雷达反射信号明确，反射信号双程走时约8.7 ns，按公式（1）推算道床介电常数约为6.0，相较于30 m碎石道床洁净区段，介电常数存在明显增大，说明该处亦存在明确脏污。

图11 典型区段雷达图像及挖验状况

3.2.2 高频雷达数据处理

国外针对碎石道床高频雷达测试数据进行了大量研究，参考文献［5］的方法对雷达测试数据进行处理，具体步骤见图12。原始雷达图像、希尔伯特变换、纵向平滑竖向低通等关键处理步骤结果见图13。

图12 高频雷达数据处理流程

图13 高频雷达数据关键处理步骤结果

结果表明，原始雷达图像难以直观展示碎石道床深度及沿线路长度方向变化信息，采用的研究方法对高频雷达数据处理后，道床状态信息可读性明显增强。以纵向平滑竖向低通处理结果为例，绿色代表脏污程度相对较低区域，红色代表脏污程度相对较高区域，路基、隧道、桥梁区段所揭露的道床状态与线路维护较为吻合，后续将结合现场挖验取样后质量筛分结果，深入研究基于雷达数据属性量化表征道床状态的方法。

4 结论

（1）30 m碎石道床模型试验结果表明高频雷达道砟有效探测深度不低于65 cm，能够满足碎石道床状态检测的需求。

（2）碎石道床高频雷达测试参数可按间距5 cm、采样点512、时窗15 ns设置。

（3）洁净道床介电常数较为统一，干燥状态下测试结果为4.7，伴随脏污程度的增加，道床介电常数存在明显增大现象。

（4）原始高频雷达图像难以直观展示碎石道床深度及沿线路长度方向变化信息，采用增益调整、希尔伯特变换等操作后道床状态可读性明显增强，如何基于雷达数据属性量化表征道床状态是后续研究的重点。