探地雷達(dá)在評(píng)價(jià)道床清篩質(zhì)量中的應(yīng)用

秦懷兵

(神華集團(tuán) 朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

探地雷達(dá)在評(píng)價(jià)道床清篩質(zhì)量中的應(yīng)用

秦懷兵

(神華集團(tuán) 朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路重載綜合檢測(cè)車在國(guó)內(nèi)首次集成了路基道床檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由朔黃鐵路公司與英國(guó)Zetica公司聯(lián)合研發(fā)，采用美國(guó)GSSI公司SIR-30型4通道探地雷達(dá)及英國(guó)Zarp雷達(dá)處理軟件，可對(duì)道床臟污指數(shù)、厚度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并得出定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。朔黃鐵路公司探索性地利用該系統(tǒng)對(duì)道床清篩質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)清篩后道床臟污發(fā)展情況進(jìn)行跟蹤分析，通過對(duì)比清篩前后道床狀態(tài)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及道床臟污數(shù)學(xué)模型的可信度。

探地雷達(dá) 道床清篩 質(zhì)量評(píng)價(jià)

探地雷達(dá)作為一種快速、精確、無損的檢測(cè)手段，廣泛應(yīng)用于鐵路路基道床檢測(cè)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有探地雷達(dá)主要應(yīng)用于新建鐵路路基質(zhì)量普查和既有線路基道床狀態(tài)調(diào)查和病害檢測(cè)。其主要特點(diǎn)是:①側(cè)重于對(duì)路基的檢測(cè);②側(cè)重于對(duì)病害的檢測(cè)定位;③側(cè)重于定性檢測(cè)而非定量評(píng)價(jià)。相對(duì)而言，對(duì)道床臟污率、厚度等進(jìn)行檢測(cè)，形成道床狀態(tài)定量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)道床清篩質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而按照道床狀態(tài)制定道床清篩計(jì)劃，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。

朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司聯(lián)合中、美、英、德等國(guó)內(nèi)外鐵路檢測(cè)主流技術(shù)供應(yīng)商和科研院所，歷時(shí)4年于2013年共同研制成功世界首列重載鐵路綜合檢測(cè)車，集成了路基道床、鋼軌超聲波探傷、軌道、接觸網(wǎng)、信號(hào)、無線通信、地面紅外線軸溫探測(cè)站7大檢測(cè)系統(tǒng)，于2014年1月正式投入運(yùn)行。

由于重載鐵路檢測(cè)的需求，朔黃鐵路綜合檢測(cè)車安裝了路基道床檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由朔黃鐵路公司與英國(guó)Zetica公司聯(lián)合研發(fā)，采用SIR-30型4通道探地雷達(dá)、Zarp雷達(dá)處理軟件，檢測(cè)速度最高可達(dá)140 km/h。

綜合檢測(cè)車路基道床檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行周期性檢測(cè)，每月上線檢測(cè)1次。應(yīng)用一年多來，用于評(píng)定道床狀態(tài)和道床清篩質(zhì)量，查找路基病害，取得良好效果。本文介紹該系統(tǒng)的組成、功能及應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)組成

路基道床檢測(cè)系統(tǒng)按功能可以分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分，采用在線采集和離線分析的方式。采集系統(tǒng)安裝于車上，可在檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù);處理系統(tǒng)位于地面數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和管理。路基道床檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 路基道床檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.1 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)共配有兩套GSSI探地雷達(dá)和一套時(shí)空同步模塊。每套探地雷達(dá)包括1臺(tái)SIR-30控制單元、1套控制顯示設(shè)備和3組空氣耦合天線。其中一套探地雷達(dá)的天線中心頻率為2 GHz，另一套探地雷達(dá)的天線中心頻率為400 MHz。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成設(shè)備和連接關(guān)系見圖2。

2 GHz天線工作頻率范圍為1～4 GHz，采用時(shí)域?yàn)?5 ns，最大檢測(cè)深度為1.2 m，適合于道床的檢測(cè)。400 MHz天線工作頻率范圍為200～800 MHz，采用時(shí)域?yàn)?0 ns，最大探測(cè)深度為 2.5 m，側(cè)重于路基的檢測(cè)。

1.2 處理系統(tǒng)

處理系統(tǒng)采用英國(guó) Zetica公司的技術(shù)，由朔黃鐵路公司針對(duì)重載鐵路的道床、路基結(jié)構(gòu)和質(zhì)量要求定制設(shè)計(jì)開發(fā)。該系統(tǒng)可對(duì)車載系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理、離線分析，并可對(duì)原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。處理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和處理終端組成，如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備組成

圖3 處理系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)主要檢測(cè)項(xiàng)目

路基道床檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)道床厚度、道床臟污指數(shù)、道床底面平整度、道床底面振幅超限(含水)4項(xiàng)指標(biāo)，每項(xiàng)指標(biāo)均能得出定量化評(píng)定值。朔黃鐵路借鑒國(guó)外成熟的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合線路設(shè)備實(shí)際情況，對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行合理分級(jí)，采用不同預(yù)警顏色代表各級(jí)別，使檢測(cè)結(jié)果更直觀。該系統(tǒng)共采用綠、黃、橙、紅、藍(lán)5種預(yù)警顏色。檢測(cè)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1—表4。

表1 道床厚度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 道床臟污分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 道床底面平整度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表4 道床底面振幅超限(含水)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 道床清篩質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)例

2015年4月16日—5月15日，朔黃線道床大機(jī)清篩共完成15.97 km，其中上行線13.19 km，下行線2.78 km。

3.1 清篩地段道床平均臟污指數(shù)對(duì)比

大機(jī)清篩施工前后道床平均臟污指數(shù)對(duì)比見圖4。

圖4 清篩施工前后平均臟污指數(shù)對(duì)比

由圖4可見，大機(jī)清篩前道床臟污指數(shù)多集中于2.5～7.0，平均值為2.83，清篩后道床平均臟污指數(shù)＜2.5，且臟污程度較均衡。清篩后道床臟污指數(shù)明顯下降，清篩質(zhì)量合格。

3.2 清篩地段道床平均厚度對(duì)比

大機(jī)清篩施工前后道床平均厚度對(duì)比如圖5所示。

大機(jī)清篩施工后道床厚度合格標(biāo)準(zhǔn)為300 mm，考慮施工質(zhì)量誤差及檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差，將平均清篩厚度≥280 mm評(píng)定為合格。由圖5可知，大機(jī)清篩施工后道床平均厚度集中于280～320 mm。部分道床厚度不足地段補(bǔ)砟后厚度達(dá)標(biāo)，且施工后清潔道床底面較平整，沒有明顯起伏地段。

圖5 清篩施工前后道床平均厚度對(duì)比

部分地段清篩后道床厚度變小，其原因是原道床厚度超標(biāo)，清篩后在清砟與混砟間形成明顯分層。根據(jù)探地雷達(dá)掃描分層原理，清篩前掃描的是道床整體厚度，分界面為道床與路基的界面;清篩后掃描的是道床上部清砟的厚度，分界面為清砟與混砟的界面。

3.3 清篩綜合質(zhì)量對(duì)比分析

以朔黃上行線K346+197—K349+197清篩作業(yè)為例分析施工質(zhì)量。清篩長(zhǎng)度為3 km，在清篩前及清篩一個(gè)月后對(duì)該地段進(jìn)行檢測(cè)。施工前道床平均臟污指數(shù)為10.35，施工后為2.85;施工前道床平均厚度為422.1 mm，施工后為253.2 mm。清篩后道床的清潔程度得到明顯改善，且在清篩層底部形成新的分界面，分界面以上為清篩后的清潔道床，分界面以下為未清篩的臟污道床。

3.3.1 清篩前后雷達(dá)圖像對(duì)比

清篩前后雷達(dá)圖像對(duì)比如圖6所示，可以明顯看出清篩后道床中出現(xiàn)較清晰的分層面。檢測(cè)過程中回波在雷達(dá)圖像上形成較明顯的分層，說明在該分層面兩側(cè)的物質(zhì)存在較大的電性差異，可以推斷清篩前后該地段道床的清潔程度有了較大的變化。

3.3.2 清篩前后道床臟污對(duì)比

圖7為道床清篩前后臟污分布情況對(duì)比。

由圖7可知，清篩后道床中淺色區(qū)域明顯減少，深色區(qū)域增加，說明大機(jī)清篩施工后道床清潔程度得到明顯改善。

圖8為清篩前后道床臟污指數(shù)對(duì)比。可知清篩后道床臟污指數(shù)明顯下降。

3.3.3 清篩前后道床平均厚度對(duì)比

表5為清篩前后道床平均厚度對(duì)比。

由表5可見，清篩后道床上部形成新的清潔道床層，但清潔道床厚度不足，說明施工質(zhì)量有缺陷。

圖6 道床清篩施工前后檢測(cè)圖像對(duì)比

圖7 清篩施工前后道床臟污分布情況對(duì)比

圖8 清篩施工前后道床臟污指數(shù)對(duì)比

表5 清篩前后道床平均厚度對(duì)比 mm

4 清篩地段道床狀態(tài)跟蹤分析

為分析清篩后道床質(zhì)量變化趨勢(shì)，尤其是道床臟污指數(shù)的變化趨勢(shì)，選取1 km清篩地段進(jìn)行跟蹤分析。所選地段位于直線區(qū)段，里程為K117+000—K118+ 000，道床設(shè)計(jì)厚度為300 mm，于2014年9月清篩。

按照軌道質(zhì)量指數(shù)評(píng)定辦法，將1 km清篩地段劃分為5個(gè)200 m單元區(qū)段，分段進(jìn)行道床狀態(tài)跟蹤統(tǒng)計(jì)，見表6。

由表6可知:①總體而言，清篩后當(dāng)月道床平均臟污指數(shù)最低，然后臟污指數(shù)逐月遞增。②清篩當(dāng)月清砟與混砟形成明顯分層，200 m單元區(qū)段各段清砟平均厚度較為一致，數(shù)值較低。清篩后隨著臟污指數(shù)逐步提高，清砟與混砟分層不再清晰，道床厚度數(shù)值變大。③清篩當(dāng)月清砟底層能夠形成較為良好的排水坡，隨著臟污指數(shù)變大，排水坡變差。

表6 清篩后道床狀態(tài)跟蹤統(tǒng)計(jì)

5 檢測(cè)結(jié)果分析與討論

2014年 7—12月，大機(jī)清篩道床 46處，累計(jì)44.443 km，檢測(cè)結(jié)果分析如下。

1)道床臟污指數(shù)。清篩后所有清篩地段的平均臟污指數(shù)上行線為1.76，下行線為1.36。上行線(重車)比下行線(空車)道床受污染程度大，清篩后的道砟附著有一定的污染物，所以在道床清篩后上行線的平均臟污指數(shù)比下行線高。清篩后道床臟污指數(shù)逐月緩慢上升。清篩前臟污嚴(yán)重地段清篩后臟污指數(shù)明顯下降但仍相對(duì)較高;清篩前較清潔的道床清篩后臟污指數(shù)較低。

2)道床厚度。清篩當(dāng)月清砟與混砟形成明顯分層，200 m單元區(qū)段各段清砟平均厚度較為一致，數(shù)值較低。清篩后隨著臟污指數(shù)逐步提高，清砟與混砟分層不再清晰，道床厚度數(shù)值變大，直至探地雷達(dá)掃描至道床與路基分界面時(shí)，厚度數(shù)值不再增加。清篩后清潔道床厚度是否合格取決于清篩機(jī)參數(shù)設(shè)置，如設(shè)置不合理易造成厚度不足。

3)排水坡。通過合理設(shè)置清篩機(jī)，使得清篩后清砟與混砟之間能夠形成合格的排水坡，但隨著臟污指數(shù)增大，清砟與混砟不再有清晰的分界面后。該分界面排水坡消失，最終穩(wěn)定后的排水坡為道床與路基分界面的排水坡。

4)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。部分清篩地段經(jīng)人工挖驗(yàn)，道床厚度的檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致;通過估計(jì)清篩機(jī)污土車存放的污土量，臟污指數(shù)較高地段清篩后污土體積較多，臟污指數(shù)與污土體積呈正相關(guān)關(guān)系，說明檢測(cè)數(shù)據(jù)基本可靠。

5)臟污指數(shù)數(shù)學(xué)模型的可信度。由于該系統(tǒng)是首次在中國(guó)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚未建立探地雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)與道床不潔率的數(shù)學(xué)模型，因此目前暫時(shí)借鑒英國(guó)Zetica公司為北美鐵路建立的臟污指數(shù)模型。該模型以臟污指數(shù)評(píng)價(jià)道床臟污程度。臟污指數(shù)是指通過邊長(zhǎng)為5 mm篩孔顆粒的質(zhì)量比。而我國(guó)鐵路采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)是道床不潔率，是指通過邊長(zhǎng)為25 mm篩孔顆粒的質(zhì)量比。

依據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可認(rèn)為臟污指數(shù) ＜2為清潔道床，但按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，道床不潔率不應(yīng)≥25%。該不潔率對(duì)應(yīng)的臟污指數(shù)應(yīng)為何值，臟污指數(shù)與不潔率是否成線性關(guān)系，尚需積累大量資料加以分析。

朔黃鐵路公司嘗試在每次清篩后估算污土體積，通過計(jì)算得出污土與清篩道砟總量的體積比，以此作為不潔率指標(biāo)來分析不潔率與臟污指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但由于篩出的污土體積完全由人工目視估算，誤差較大且數(shù)值離散，使得計(jì)算的不潔率誤差較大。長(zhǎng)期而言還需繼續(xù)積累資料，并通過數(shù)學(xué)模型分析不潔率與臟污指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，或直接建立雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)與不潔率的數(shù)學(xué)模型。

6 結(jié)語

朔黃鐵路公司探索性地利用探地雷達(dá)評(píng)價(jià)道床清篩質(zhì)量，建立了評(píng)價(jià)體系，驗(yàn)證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，取得了一些階段性的成果。下一步還需積累道床臟污數(shù)據(jù)，跟蹤清篩后清潔道床逐漸污染變化的情況，分析總結(jié)道床臟污發(fā)展與線路通過總重的關(guān)系，探索合理的道床清篩周期，改變現(xiàn)有的周期性平推清篩模式，為制定線路清篩維修計(jì)劃提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)線路大中修的“狀態(tài)修”。

［1］劉杰.探地雷達(dá)技術(shù)在鐵路既有線中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2006(10):77-78.

［2］劉杰，張千里，馬偉斌.采用探地雷達(dá)技術(shù)評(píng)估既有鐵路路基狀況的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鐵道建筑，2008(1):52-54.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2008］96號(hào) 鐵路路基大維修規(guī)則［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2006］227號(hào) 大型養(yǎng)路機(jī)械使用管理規(guī)則［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

(責(zé)任審編 李付軍)

U216.63

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.38

2015-09-13;

:2015-10-19

秦懷兵(1969— )，男，高級(jí)工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0134-05