余铁
【摘 要】我国铁路路基修建于不同的历史时期,而且长期暴露在各种环境下,加之受到列车的动荷载作用,因此铁路路基必然会产生各种的病害.采用地质雷达技术将这些病害以不设天窗的方式动态地探测出来并加以专家分析后提出病害报告,对整个铁路线路运输安全具有重要意义. 余晓红
【期刊名称】《中国铁路》
【年(卷),期】2014(000)010
辜鸿鸣【总页数】4页(P21-24)
【关键词】地质雷达;铁路路基;病害;动态探测
【作 者】余铁
【作者单位】上海铁路局科研所,上海,210071
【正文语种】中 文
【中图分类】U418.5otl功率放大器
我国既有铁路线路长而分布广，铁路沿线经过的地区地质条件差别较大，气候条件各有不一。铁路路基为长条状结构工程，是由土工合成材料的构筑物，在建设中路基中填料难免会有不均匀，运行后势必会产生影响线路质量的病害。
随着提速列车和重载列车的大量开行，铁路路基内应力分布状态及力的矢量、承压力水平等显著改变。由于既有铁路线路基承载力并未按照目前的速度和载重力设计，在列车提速后路基因荷载引起的动应力加剧，导致各种病害的加剧产生，并继而使已存在的病害更加严重。其主要病害问题有：翻浆冒泥、路基下沉、边坡坍方、边坡冲刷、陷穴、滑坡、水浸路基、冻害、沙害。
寻和发现病害工作中传统的方法之一是等距离挖探方法。该方法虽然直观，但效率低、对线路有损坏，而且对长段线路来讲，检测结果片面，不可靠。另外，由于挖探深度有限，无法检测到基床深处的病害和状况，严重影响线路的安全运营。此外还有采用高密度电法、地质雷达法、地震波法、双频激法等铁路路基病害的探索性方式。 如何在行车不受影响的条件下进行快速地、可靠地对铁路路基进行有效的、无损的、不影响运输次序的病害探测是铁路路基维修中迫切需要解决的问题。
地质雷达技术是近年来快速发展的一种高新技术。世界许多国家以及国内、路内的研究部门开展了地质雷达检测铁路路基的试验和研究工作。目前，我国高校正在开展地质雷达技术的应用研究，铁路的勘探设计院也有对指定病害的路基采用地质雷达进行探测的做法，该技术在全路有一定的使用基础。
采用地质雷达技术对铁路路基进行病害探测并对雷达探测图像按铁路路基的特点进行智能化识别，能为铁路路基维修提供科学、有效的依据。地质雷达为非接触性探测，可以装备在轨道车辆上对铁路进行快速、连续和多条测线的探测。发展车载地质雷达系统，能有效克服目前只对轨道几何结构检测而未对道床和基床探测的不足。以车载的路基地质雷达检测和轨道状态检测相结合的动态监测列车，可以制订更加科学合理且完整的维修和病害整治计划。轨道特性与道床、基床和路基状况密不可分，借助地质雷达探测的不同深浅获得的道床、基床和路基状况，对应轨道刚度检测结果，可以更加全面、准确地评价线路质量和轨道特性，给出更科学、合理和系统性的评价结果与道床、基床维修整治方案。据试验采用地质雷达对铁路路基病害进行探测试验性结果见图1。
电子光学
3.1 地质雷达的基本原理
地质雷达是以超高频电磁波作为探测场源，由一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波，另一天线接收由地下不同介质界面产生的反射回波，电磁波在介质中传播时，其传播时间、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质（如介电常数）及测试目标体的几何形态的差异而产生变化，根据接收的回波旅行时间、幅度和波形等信息，可探测地下目的体的结构和位置信息。
3.2 铁路路基探测雷达及探测方式
铁路路基安全系统探测是以电磁波在有耗介质中传播规律为理论基础。测试时，天线向路基中发射高频率、宽频带的短脉冲电磁波，电磁波在介质中传播，当雷达波从一种电学性质的介质入射到另一种电学性质的介质表面时，由于存在电磁性差异，必然产生反射现象。其反射系数（即反射能量与入射能量的比）为：
太阳能小屋的设计当两种介质的介电常数相差越大，其反射系数越大，反射能量也就越强。由于道砟、空气、水和路基填料的介电常数有明显的差异，所以可以用雷达探测其内部结构。通过计算
电磁波在介质中的双程走时、振幅大小、能量衰减、频谱以及瞬时功率谱、相位移等特征值，来判断异常体或结构层的深度、道床的污染程度、路基的含水量等，其工作原理见图2。
脉冲波旅行时间：
式中：t为脉冲走时；z为反射体埋深；x为收发天线的间距；v为电磁波在介质中传播的速度。
当接收天线和发射天线间的距离很小，目标深度公式为：
式中：v为雷达波在路基中传播的速度；t为雷达波在路基中双程旅行时间；c为电磁波在真空中的速度，一般为0.3 m/ns；εy为路基相对介电常数。
采用地质雷达技术按照铁路路基的特点研究制造的铁路路基探测雷达能够以车载方式动态地对铁路路基病害进行快速探测，并在探测后期提出路基病害报告。
铁路路基探测雷达主要用于既有线路基病害检测以及新线路基质量验收检测、改造线路基
质量验收检测。探测速度最快达到200 km/h以上，因动态监测而无需单独为检测开天窗，不影响其他列车的正常运行。鉴于目前雷达探测特性和轨枕板介质特点只在既有线进行路基病害探测。雷达检测天线使用军工级的屏蔽技术，使用具有路基特征分析的综合软件，对反映路基状况的各个指标进行明确判断，为维修决策提供具有专家分析能力和结果的状态探测结果报告，人工可作探测波回放与探测地点图像对照的重点研判。
铁路路基探测雷达由地质雷达天线和专用主机等组成。
地质雷达天线采用先进的具有聚焦功能的空气耦合天线，雷达信号品质稳定且可靠。探测波频率要能够满足路基介质和深度的探测需求，可以选用的3个400 MHz天线和1个900 MHz天线的组合方案。
主机基于多通道和多频率雷达技术，含有专业去除铁轨和枕木干扰的装置，多普勒雷达、GPS定位、采集数据有较高的信噪比。主机中应该采用军工防水、防尘、防振笔记本电脑作为数据记录单元，有效抵抗列车在运行中的冲击和振动，可储存超过2万km的数据。便于对照分析和统计。
铁路路基探测雷达的路基数据处理软件。该软件具有以下专家分析功能：数据自动处理、数据自动解析、综合输出路基各层信息、完成道床的不平整度、含水量、脏污程度等自动评价、数据自动统计、统计数据自动成图、Excel表列出分析结果。路基数据处理软件中应当包含各种先进的算法、滤波器、专家系统，并结合大量的实际探测经验，对数据进行全面的分析处理。该软件的特点：通过专家系统分析判断给出路基状况综合解释结果，并自动生成结果报表的软件，该结果可对道砟层湿度、道砟脏污程度、道砟层底界面湿度、道床起伏、中间层湿度、中间层起伏、基层湿度等7个参数做出高、中、低（可用户自定义划分）等级的判断。通过专业的数据处理分析软件，能够得出路基各层厚度、湿度分布图。分析道砟层脏污程度、路基平整度、路基排水状况、道砟囊等路基病害，能显示沿线各截面信息及取芯信息。铁路路基探测雷达系统将实现铁路路基管理的信息化。
铁路路基探测雷达系统示意和天线安装示意分别见图3和图4。
铁路路基探测雷达可以完成以下病害探测：社会化网络
（1）病害探测。能够探测路基基床和道床病害，如道砟囊、道砟陷槽、空洞、陷穴及基床和道床翻浆冒泥、冻害等严重影响行车安全和线路质量与稳定的病害及其分布情况，及时
消除病害，为安全行车提供保障。
（2）道床厚度。道床厚度大小关系到道床的刚度、弹性、吸振和减振作用。铁路路基探测雷达可以精度探测道床厚度，获得道床厚度沿整个线路的分布。可以得到道床厚度的当前状态，判断是否满足设计和养护维修的要求，明确道床厚度不足和假道床的位置。通过不同时间测试结果的对比，还可分析路基沉降和路基病害的发展状态。
（3）基床和道床含水情况。铁路路基探测雷达能够探测路基和道床中含水的多少，并能对其划分等级。同时还可以根据水在各界面之间的分布和3个断面的情况判断排水是否通畅。指导养护维修，预防基床病害的发生。
（4）道床污染。道床污染以后，其弹性、排水性能和承载能力显著降低，导致线路质量降低和轨道横纵向阻力不足，造成线路难以维护并引发道床和基床病害。铁路路基探测雷达可以区分干净道床和污染道床，并根据道床污染情况划分污染等级，为道床清筛提供依据。
（5）基床平整度及承载能力。铁路路基探测雷达可以根据路基面的起伏程度，对路基的平
整度进行分析，并依据起伏大小和变化的频率度进行等级划分，用于分析基床的承载能力状况。间隔一定时间的2次以上检测结果的对比，可以确定路基面变形的发展趋势，预测今后的状况，以便及时整治。
（6）基床填料性质。铁路路基探测雷达通过对路基基床结构面形态的分析，可以了解基床的填料性质，判断和预测其病害特性，为基床加固提供依据。
铁路路基探测雷达进行检测工作时，可以在既有线有碴线路上实现无损快速地动态检测。在探测数据处理中采用专家分析的方式，分析过程中不需要大量的人工处理数据，处理软件可以自动快速地得出检测结果，出具相关检测报告。铁路路基病害探测结果报告见表1。铁路路基探测雷达采用专家分析的方式提供探测结果报告，与钢轨超声波探伤相比无需增加钢轨探伤工的作业岗位，节省了人力资本的投入。
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