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铁路路基检测中探地雷达应用流程研究

曹原
摘要：传统的路基检测方法以挖探、钎探为主，既损坏线路，又只能提供少量信息，不能提供长段线路的详细调查情况，且费时、费工，远不能适应目前铁路全面提速和未来高速运营的需要。近年来，地质雷达（GPR，也称探地雷达）技术被引入铁路路基检测和评估，显现出了独特功能和优异特点，引起了广泛兴趣和关注。本文结合工程实践详细论述了探地雷达在工程中的应用流程和方法。
关键词：铁路；路基检测；探地雷达；应用流程
引言
路基检测是铁路建设与管理中的关键性、基础性技术，为工程设计、施工和养护提供可靠的依据，不仅对于控制工程质量至关重要，而且决定着线路维修养护决策的科学性，并直接影响维修养护资金分配的合理性。
地质雷达检测具有无损、快速、准确等优点，非常适用于道床、基床状态调查和病害检测。本文介绍了探地雷达的探测原理、参数选择和数据处理方法，在某铁路标段软基处理水泥桩进行检测评价中的应用，取得了较好的效果。
1.探地雷达探测原理
探地雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线（T）组成。通过发射天线电磁波以 60°～90°的波束角向地下发射高频电磁波（106～109Hz），电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（R）接收，如图1 所示，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种波显示出来。
当地下介质中的波速v為已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度 z。式（1）中x值即收发距，在剖面测量中是固定的；v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式来计算。
波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。图 2 为波形记录示意图。图中对照一个简单的地质模型，画出了相应的波形记录。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。
反射脉冲波形的明显程度，是对探地雷达图像进行地质解释的重要依据。它决定于发射脉冲波的能量，波在地质界面上的反射特性以及波在地下介质中行进时的衰减情况。反射特性决定于物性界面的波阻抗差异，以反射系数描述。
2.工程概况
某铁路正线全长 74.1 km，该路段路基采用了水泥桩处理，水泥桩有正三角形和正方形两类，现已完成路基路面铺设。为了检测该路段软基处理水泥桩数目及桩距，评价路基处理质量，采用探地雷达通过在地表布设测线进行连续的观测。由于水泥桩和周围软基底有着明显的电导率差异，会造成基底反射波形同相轴在横向的连续性随着桩基而展现出规律性的变化。对采集的数据进一步进行处理分析，因此可以探明地下桩基的分布情况。
3.数据采集
3.1 仪器参数
本次探测采用从瑞典 MALA- GEOSCINCE 公司引进的探地雷达系统 RAMAC/GPR。根据参数选择理论及项目实际情况，考虑探测深度和上覆层位的电导率特性，本次桩基探测主要采用仪器参数如下：天线 250 MHZ 屏蔽天线；采样率0.4 ns；采样点数 800 个；采样长度 320 ns；重复采样次数 128 次。
3.2测线布置
测线布设示意图如图 3 所示。为了更好的对地下水泥桩的位置进行控制和防止测线布设不合理造成的水泥桩数量误差，在垂直路基方向（纵向）从一侧边坡到另一侧边坡布设 3 条测线，长度为实际路基纵向宽度，横向则在纵向测线的中点布设 3 条垂直的测线，长度为 11.8 m，测点点距均为 0.1 m。
4.资料处理方法
为了对雷达图像进行合理的地质解释，首先需要进行数据处理。数据处理主要是对雷达波形作处理，包括增强有效信息、抑制随机噪声、压制非目标体的杂乱回波、提高图像的信噪比和分辨率等。其目的是压制随机的和规则的干扰，以尽可能高的分辨率在雷达图像上显示反射波，便于提取反射波的各种有用参数，以利于地质解释。常用的雷达数据处理手段有数字滤波、反滤波、偏移绕射处理和增强处理等。数字滤波利用电磁波的频谱特征来压制各种干扰波，如直达波和多次反射波等；反滤波则是将地下介质理解为一系列的反射界面，由反射波特征求取各个界面的反射系数；偏移绕射处理，即反射波的层析成像技术，是将雷达记录中的每个反射点偏移到其本来位置，从而真实反映地下介质分布的情况；增强处理，有助于增强有效信号，尽可能清晰地反映地下介质的分布情况。处理流程如图 4 所示。
5.资料处理成果
经过处理后的数据，能够清晰辨别水泥桩的位置，准确计算其数目和桩距。该测点横向桩数为4，桩距依次为 3.4 m、3.2 m、3.1 m，平均桩距为 3.23 m；纵向桩数为 7，桩距依次为1.6 m、1.5 m、1.7 m、1.4 m、1.7 m、1.6 m，平均桩距为 15.8 m。
6.结论
路基检测是铁路和公路工程检测技术新学科的重要部分，是一门快速发展的分支学科，它融检测理论、仪器开发研制和测试操作技术及路基工程相关学科基础知识于一体。路基检测技术的发展，对保证工程质量和我国检测技术的发展都具有重要意义。
探地雷达技术由于对浅表层结构探测精度高，施工效应快，对探测目标体无损伤，广泛应用于工程质量检测，本文利用探地雷达技术对铁路标段软基处理水泥桩进行了检测，准确定位了桩位、桩数及桩距，为工程质量评估提供了可靠的依据，取得很好的应用效果。
参考文献：
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