高速鐵路線下結構典型病害分析及快速無損檢測方法研究

鐘鵬飛, 車愛蘭, 馮少孔， 張騰瑜

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240)

高速鐵路線下結構典型病害分析及快速無損檢測方法研究

鐘鵬飛, 車愛蘭, 馮少孔， 張騰瑜

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院, 上海 200240)

隨著我國高速鐵路運營時間的增長和運營里程的加大，高鐵線下結構出現了貫穿裂縫、層間離隙、脫空汲水等病害現象。其中CA砂漿層由于施工工藝、高速荷載及負壓等影響出現了較普遍的層間離隙現象，局部還存在離縫及破損等病害，此類病害有可能引起列車振動的增大、噪音以及高速行駛時的安全隱患。針對高鐵線下結構CA砂漿層病害的特點，基于彈性波在多層介質中的傳播特性，結合現場可操作性以及檢測速度的要求，提出了一種基于彈性波的檢波器陣列式組合的快速檢測方法。通過三維有限元數值模擬以及現場測試，對該方法的關鍵技術問題，包括評價標準、檢測精度以及檢測效率進行了研究。結果表明該方法可有效檢測CA砂漿層層間離隙的空間分布，具有數據采集方便、檢測速度快、檢測精度高等優點。

高速鐵路； CA砂漿層； 層間離隙； 彈性波； 快速檢測方法

高速鐵路(高鐵)的速度快、運力強和安全準時等優點使其成為我國大力發展的公共交通方式之一。至2015年年底，中國將會建成42條高鐵客運專線，總里程將超過20 000 km[1]。然而近年來，受到施工工藝、施工經驗、雨雪的侵蝕、環境溫度變化以及隨著高鐵速度的提高、貨運量的加大，高鐵線下結構出現了越來越多的病害問題，包括線下結構層離隙、貫穿裂縫以及CA砂漿層脫空等病害[2]。高鐵軌道及線下結構的穩定性和平順性是保證高鐵快速和安全運營的前提條件，線下工程質量的好壞、病害發生與否將直接關系到列車的正常運營和乘客的人身安全[3-4]。因此，開展高鐵線下結構病害檢測、識別具有十分重要的意義。

高鐵無砟軌道線下結構由軌道板、CA砂漿層、支承層和基床構成。其中的CA砂漿層位于軌道板和支承層之間，是板式軌道的關鍵彈性調整層，承受由鋼軌與軌道板向下傳遞的載荷和振動，并起到緩沖高速列車動荷載達到減振的效果[5]。它的性能的好壞對軌道結構的安全性和耐久性有著極其重要的影響。目前針對CA砂漿層病害主要的檢測方式有動檢車檢測[6]、車載雷達檢測[7]以及釬探、量尺等傳統手段。動檢車檢測是通過動檢車輛振動響應的放大評價路段的狀態，只能定性的判斷軌道板的振動大小，很難判斷病害分布、病害的類型等。車載雷達是將雷達天線安裝在軌檢車上，在列車以一定的時速運行過程中發射并接收高頻脈沖電磁波信號，以追蹤和診斷軌道線下結構分界面、異常體或病害界限。由于電磁信號受金屬的干擾很大，高鐵結構存在鋼軌以及扣件等金屬結構，軌道板存在密集的鋼筋網，雷達檢測精度收到很大的影響[8]。傳統的釬探、量尺方法，雖然直觀、簡單，但效率低，探測范圍有限，很難掌握整段線路的真實狀況[9]。

本文針對高鐵線下結構以及CA砂漿層間離隙病害的特點，著眼于彈性波場的傳播特性，開展了彈性波在層狀介質中，特別是局部存在離隙缺陷的介質中的傳播特性研究。針對基于彈性波的無損檢測方法的關鍵技術問題，通過三維有限元數值模擬及實際運營段現場檢測試驗，開展了數據采集方式、數據處理方法以及評價標準等問題的研究。提出了一種檢波器陣列式組合的快速檢測方法。結合數值模擬結果及實際現場測試及評價結果，驗證該方法的有效性及可行性。

1 CA砂漿層病害調查及分析

高鐵無砟軌道類型，主要有CRTS I型、CRTS II型和CRTS Ⅲ型。三種類型均采用了CA砂漿層作為軌道結構彈性調整層。CA砂漿層主要由水泥、乳化瀝青、膠凝材料、細骨料(砂)、水和多種外加劑等拌和而成的水泥瀝青材料。作為無砟軌道的關鍵結構性材料，CA砂漿填充在軌道板和支撐層之間的厚度約為50 mm。其主要作用是支撐軌道板、緩沖列車高速運行時對下部結構產生的動荷載、減少振動。因此要求CA砂漿必須具有足夠的強度、良好的彈性以及優異的穩定性耐久性，其性能的好壞直接影響著無砟軌道結構的安全性、經濟性、使用的舒適性等[10]。

通過對多條運營中高鐵線路的CRTSI、CRTSII型無砟軌道進行現場調查，目前CA砂漿層主要存在以下幾種病害：砂漿充填層與軌道板、底座板或支撐層的層間界面出現層間離隙現象(圖1(a))；砂漿充填層部分碎裂、擠出；砂漿充填層出現垂直于混凝土底座板或支撐層的豎向裂縫和剝落(圖1(b))；以及砂漿充填層表面被水沖蝕，出現翻漿現象(圖1(c))。

(a) 層間離隙

(b) 縱向開裂

(c) 翻漿

通過對CA砂漿層的施工工藝以及運營環境等進行分析，可以認為無砟軌道中CA砂漿層病害的產生，主要有以下兩部分原因。其一為施工過程中出現的缺陷問題。如圖2所示，CA砂漿在拌制以及養護過程中，會出現大小不一的氣泡，形成一定的不密實空間，在高速運營條件下，由于沖擊荷載及負壓等共同作用下，不密實空間有可能會逐漸擴大，最終發展為層間離隙或脫空病害。其二為在高速列車荷載的長期作用下，砂漿性能出現一定程度的退化、強度降低，導致砂漿層與軌道板、支撐板間產生裂縫、砂漿流出、斷裂、掉塊等脫空現象，在降雨及高速列車負壓環境下，引發砂漿層汲水。

圖2 CA砂漿層典型病害成因分析

2 CA砂漿層離隙病害模型中的彈性波場

2.1 彈性波場傳播理論基礎

當用沖擊錘擊打介質表面時，作用點將會產生瞬時振動，作用點產生的振動向遠處傳播就形成了波動場。在介質中傳播的波動中主要有體波和面波。體波可以分為縱波(P)和橫波(S)，橫波又有垂直分量SV波和水平分量SH波，面波分為瑞雷波(R)和勒夫波(L)。彈性波在介質中傳播時，遇到兩種不同介質的分界面會改變波原來的傳播方向，從而發生反射和透射以及轉換波，造成彈性波成分的改變。因而不同介質的界面成為波動傳輸和變換的中介，其性質影響整個材料或結構內的波動宏觀力學行為[11]。以入射波為縱波(P波)為例，多層介質中任意界面以一定的入射角入射時，介質的反射和透射形成縱波(P波)、橫波(SV波)，如圖3所示。圖中，ρ代表介質密度，Vs、Vp分別代表介質橫波和縱波速度。

圖3 彈性波界面處傳播特性

這里我們考慮表層界面入射波垂直進入介質的情況，即入射角接近0°，此時轉換波能量近乎為0，分界面上反射波和透射波成分與入射波均相同。因此，根據分界面兩邊介質材料物理力學參數，可得縱波(P波)和橫波(S波)的反射系數，可表示為

(1)

式中，Rpp為P波反射系數，Rss為S波反射系數。

由式(1)可知，無論是縱波還是橫波，反射系數都由界面兩邊的介質的波阻抗(波速與密度的乘積)差決定，相鄰材料的波阻抗相差越大，反射系數也越大，因而反射波也就越強，由此可以推論，缺陷部位(疏松或脫空)介質密度和波速都會降低，因而形成反射界面，在其正上方激發和接收彈性波時，能接收到較強的波動能量。

2.2 三維有限元模型

將高鐵線下結構簡化為多層層狀結構模型，并在模型中的CA砂漿層設置層間離隙病害，建立三維有限元數值模型如圖4所示。自上而下依次為軌道板、CA砂漿層(在平面中心部位設置一定大小的層間離隙病害)、支承板、基床。三維數值模型幾何尺寸為300 cm×300 cm×103 cm。其中軌道板厚度為20 cm，CA砂漿層厚度為3 cm，支撐板厚度為30 cm，基床厚度為50 cm。層間離隙病害設置在砂漿層最上方與軌道板接觸處，位于模型正中，尺寸50 cm×50 cm × 0.5 cm。

模型網格采用六面體網格。綜合考慮有限單元網格大小對計算的速度、精度的影響[12]，采用多級尺寸網格劃分。在CA砂漿層進行網格加密處理，網格尺寸為2 cm×2 cm×0.5 cm。其他區域，軌道板、支撐板和路基網格尺寸為2 cm×2 cm×5 cm。模型總單元數為623 100，總網格數為654 736。有限元動力計算采用隱式算法，同時，將高鐵的線下結構簡化為半無限多層介質模型，因此計算中除模型表層，其他邊界均采用無限元邊界。

(a) 模型幾何尺寸及網格(cm)

(b) 層間離隙病害幾何尺寸及網格(cm)

2.3 模型參數及荷載

根據《高速鐵路設計規范》TB 10621—2014，軌道板及支撐板為鋼筋混凝土結構，CA砂漿層為水泥乳化瀝青砂漿材料，路基考慮上部基床層(碎石層)。層間離隙設置為軟淤泥質填充。模型材料物理力學參數見表1，其中ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比[13]。

有限元數值模擬計算中，采用雷克子波作為激發震源。根據現場采集波形的頻率特征，雷克波的主頻設定為1 500 Hz。基于Courant條件，波的采樣間隔應滿足Δt/2﹤l/vs,其中l為網格尺寸，vs為材料剪切波速度[14]。采樣間隔設定為2.0×10-5s，持續時間0.051 2 s。荷載加載方式為垂直施加集中力，作用于節點處。

表1 模型材料物理參數

2.4 病害分布對響應波場的影響

為明確CA砂漿層間離隙病害分布對彈性波場的影響，按照偏移距0.2 m設置了不同的激發及接收工況，如表2所示。

定義響應波形速度平均振幅為響應波形振幅絕對值的平均值(亦稱為沖擊響應強度)；定義強度放大倍率為與工況一沖擊響應強度的比。經過一系列的激發與接收，不同計算工況下，各輸出波形的沖擊響應強度放大系數如圖5所示及表2所示。

可以明顯看到，層間離隙病害的存在對沖擊響應強度具有放大效應，且其放大性依存于激發方式。當激發在病害直上部時，強度放大系數達到7倍以上。當激發在病害邊界處時，強度放大系數只有1.28倍～2.8倍。激發在無層間離隙病害處時，強度放大系數約1.3倍。

表2 計算工況及分析結果

2.5 基于響應能量放大特征的層間離隙病害分布評價

由于接收波形的沖擊響應強度放大性對激發方式存在強依存性，實際檢測時檢測工藝對檢測結果必然存在較大的影響。為評價檢測工藝對檢測結果的影響，以及根據強度放大性確定的層間離隙病害空間分布的精度、誤差等，偏移距設置為20 cm，檢波器間距為20 cm，以-y方向推進的方式，在x-y平面上對預設層間離隙病害進行評價。激發、接收方式如圖6所示。

圖5 各計算工況接收波形響應能量放大倍率

圖6 測線、測點及接收點布置

將接收點的響應能量放大系數展開在檢測平面中，按照線性插值的方式繪制響應能量放大系數分布，如圖2～5所示。以計算工況9(強度放大系數為2.8)為層間離隙病害存在的評價標準。圖中深色系表示層間離隙病害，淺色系表示完好。由于檢測結果依存于激發方式，評價結果在檢測測線推進方向會存在一個偏移距的誤差，因此在激發方向(-y)方向上進行了20 cm的調整。與檢測測線的直交方向，由于測點間采用線性插值的方式，存在半個偏移距(10 cm)的誤差。通過調整激發方式的依存性參數，評價結果與預設層間離隙病害的平面分布基本一致。

3 高鐵運營線路CA砂漿層病害檢測

針對高鐵某運營線路出現的CA砂漿層離隙以及翻漿汲水等具體病害問題，開展了高鐵運營線段線病害檢測，檢測結果與傳統目測觀測以及注漿加固后結果進行了比較。針對運營線檢測施工中的檢測速度快、安全要求高的特點，研發了拖曳式陣列3維數據采集系統。

圖7 平均振幅云圖分布等高線圖

3.1 CRTSII型板運營線現場概況

2014年1月高鐵某運營線路車站內軌道板在定期動檢車檢測中出現了振動過大的現象。針對該軌道板首先進行了現場調查，發現軌道板出現了明顯的CA砂漿層離隙、翻漿、破損等病害，如圖8、10所示。為明確該軌道板內部CA砂漿層離隙病害的空間分布，確定修復方案，采用彈性波檢波器陣列式組合快速檢測方法進行無損檢測試驗。

(b) CA砂漿層間離隙

3.2 現場檢測

3.2.1 拖曳式陣列數據采集系統

根據對高速鐵路病害的分析，可見高速鐵路線下結構以及常見病害均為三維結構，而不是半無限層狀介質。由于三維介質的內部結構不同，產生的波動場就不同，其在介質表面的波形亦不同。采用陣列式的傳感器把介質表面的波動場的大小和方向都記錄下來，就得到彈性波三維介質中的波場分布。

檢測系統主要由記錄儀、檢波器陣列、激發裝置以及其他配件組成，如圖8所示。記錄儀采用瞬態數字地震記錄儀。采用24個動圈式垂直成分速度型檢波器(由磁路系統及線圈組成的動圈式磁電傳感器)組成4×6矩陣，檢波器與軌道板間設置15 cm×15 cm的鋁板固定，固定裝置間采用無拉伸的連接帶進行連接，保證檢波器與軌道板的耦合。激發裝置采用50 g小鐵錘作為激發源，激發頻率范圍為800～4 000 Hz。設備主要技術參數見表3。

圖9 拖曳式陣列3維數據采集系統

設備名稱主要參數Geode數字地震儀記錄通道：24道；模數轉換：24bit；最小采樣間隔：0．02ms；高截頻：1000Hz；低截頻：10Hz。單分量檢波器動圈式垂直成分速度型；固有頻率：100Hz。激發裝置50g小鐵錘作為激發源。

3.2.2 測線布設與數據采集

根據高鐵軌道板的設計及軌道板上各線路結構布置情況，檢測區域分為中間快速檢測區域及兩側承軌臺側單點式檢測區域，共布設12條測線，如圖10所示。檢波器間距設置為20 cm，偏移距亦為20 cm。采樣間隔20.833 μs，記錄時長為0.171 s，采樣延遲為-0.002 7 s，每一組數據記錄8 192個數據點。

圖10 測線布置圖

圖11為現場數據采集情況，由于夜間作業考慮運營線的安全，所有檢測人員以及設備均配有反光材料。數據采集設備集成在推車里。由于使用了陣列3維數據采集技術，比傳統的基于彈性波的檢測方法檢測效率增加了4倍～5倍，可實現30 min檢測一塊軌道板。

圖11 現場數據采集及檢波器陣列

3.2.3 數據處理與分析

基于有限元數值模擬的結果，CA砂漿層存在層間離隙病害時，波形響應能量會明顯放大，數據分析采用波形分析法。波形分析法主要是按照檢波器的坐標排列得到共偏移距波形剖面，根據波形(振幅大小、持續時間、豐度等)的變化來推斷介質的變化。

數據分析的具體步驟可以分為預處理、波形處理、可視化處理、響應能量及響應能量放大系數平面分布。

1) 預處理：首先對采集到的數據進行有效數據提取、格式變換、加入檢波器位置信息，然后通過濾波、降噪等方法去除由于現場環境等原因引起的干擾波。

2) 波形剖面及成像處理：對同一條測線的數據進行預處理后，把處理結果按照實際位置進行排列繪制波形剖面。從波形剖面上可以直觀的看出波形形態及持續時間等變化。由于接收到的反射波振幅的大小、頻譜特性、持時特性取決于界面反射系數大小，因此通過響應波形振幅大小、頻譜特性、持時特性的變化就可以推斷模型內部介質交界面上波阻抗變化，進一步判斷內部的介質差異，是否存在疏松和脫空等缺陷。以同一條測線距離為橫軸，波形采樣時間為縱軸，以等高線或者顏色深淺來表示波形振幅值的大小，繪制成2維成像剖面圖，如圖12所示。通過可視化的成像剖面，可以直觀觀察到波形豐度、持續時間、能量大小等變化特性。L5測點5.7～6.5 m區域、L8測線2.2～3.5 m、5.8～6.5 m區域明顯持時長、能量大，可以認為該區域下部介質可能存在疏松、空洞等缺陷。通過持時、能量特點，可以快速直觀的推斷下部介質的變化情況。

3) 響應能量放大系數分布：為了消除量綱及邊界效應的影響，將每個測點的沖擊響應能量除以同一條測線的最小沖擊響應能量，獲得該測點的能量放大系數。將放大系數加入位置信息并展開在檢測區域平面內。通過均值化、插值、平滑等處理后，得到檢測區域的響應能量放大系數分布圖。

(a) L5測線結果

(b) L8測線結果

3.3 CA砂漿層層間離隙病害空間分布評價

圖13為檢測軌道板響應能量放大系數分布圖。根據數值計算的結果，以響應能量放大倍率2.8為評價標準，可以看到該軌道板下CA砂漿層存在大面積的層間離隙空間，病害分布區域達到了22%，且層間離隙空間分布存在貫通的可能性。檢測結果與軌道結構側面目測結果(圖10)也有較好的對應性。層間離隙病害的大面積分布，可能引起該軌道板的振動加劇，使得今后高鐵的運營安全存在隱患。

根據上述檢測結果，對該軌道板下部層間離隙區域進行整體注漿加固。加固后再次進行檢測，檢測結果如圖14所示。結果表明，響應波形放大倍率明顯降低，均小于評價標準2.8以下，說明通過注漿等修復手段，CA砂漿層的層間離隙病害得到了良好的治理。

圖13 加固前檢測區域內CA砂漿層間離隙病害空間分布

圖14 加固后檢測區域內CA砂漿層間離隙病害空間分布

4 結 論

(1) 受到施工工藝、環境以及高速行駛等多種原因的影響，運營線路高鐵線下結構出現了CA砂漿層層間離隙、貫穿裂縫及部分脫空等病害。隨著病害的空間分布的擴展，有可能引起該軌道板的振動、噪音加劇等問題，導致高鐵的運營安全存在隱患。

(2) 通過有限元數值模擬，分析了CA砂漿層存在局部病害區域時的彈性波場特性，層間離隙病害的存在對沖擊響應強度具有放大效應。且其放大性依存于激發方式。采用沖擊響應能量放大的特性可以準確的評價CA砂漿層層間離隙層間離隙病害的空間分布。

(3) 針對運營線檢測施工中的檢測速度快、安全要求高的特點，研發了拖曳式陣列3維數據采集系統。通過現場檢測驗證，該系統能夠達到30 min內檢測一塊軌道板，并且快速的評價砂漿層內部的病害分布。

[1] 蔣海兵,徐建剛,祁毅. 京滬高鐵對區域中心城市陸路可達性影響[J]. 地理學報,2010,10:1287-1298.

JIANG Haibing, XU Jiangang, QI Yi. The influence of Beijing-Shanghai high-speed railways on land accessibility of regional center cities[J]. Acta Geographica Sinica, 2010, 10: 1287-1298.

[2] 翟婉明,金學松,趙永翔. 高速鐵路工程中若干典型力學問題[J]. 力學進展,2010(4):358-374.

ZHAI Wanming, JIN Xuesong, ZHAO Yongxiang. Some typical mechanics problems in high-speed railway engineering[J]. Advances in Mechanics, 2010(4):358-374.

[3] 魏祥龍, 張智慧. 高速鐵路無砟軌道主要病害(缺陷)分析與無損檢測[J]. 鐵道標準設計, 2011(3): 38-40.

WEI Xianglong, ZHANG Zhihui. Defects analysis and non-destructive test of high-speed railway ballastless track[J]. Railway Standard Design, 2011(3): 38-40.

[4] 彭華, 張鴻儒. 鐵路路基病害類型, 機理及檢測與整治技術[J]. 工程地質學報, 2005, 13(2): 195-199.

PENG Hua, ZHANG Hongru. Types and mechanisms of roadbed defects in existing railways and their detection as well as treatment[J]. Journal of Engineering Geology, 2005, 13(2): 195-199.

[5] 石現峰. 高速鐵路無砟軌道結構的設計理論研究[D]. 北京：中國鐵道科學研究院, 2007.

[6] 馬明正, 徐金輝, 王彪, 等. 高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道施工質量評價體系研究[J]. 鐵道工程學報, 2014(4): 63-68.

MA Mingzheng, XU Jinhui, WANG Biao, et al. Research on the construction quality evaluation system of high speed railway CRTS Ⅱ slab ballastless track[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2014(4): 63-68.

[7] 劉杰, 張千里, 馬偉斌. 采用探地雷達技術評估既有鐵路路基狀況的現狀與發展[J]. 鐵道建筑, 2008(1): 52-54.

LIU Jie, ZHANG Qianli, MA Weibin. The present status and prospects of application of ground penetrating radar technique in evaluation of existing railway embankment condition[J]. Railway Engineering, 2008(1): 52-54.

[8] KLYSZ G, BALAYSSAC J P, LAURENS S. Spectral analysis of radar surface waves for non-destructive evaluation of cover concrete[J]. NDT & E International, 2004, 37(3): 221-227.

[9] 楊新安. 地質雷達檢測鐵路路基新技術[J]. 中國鐵路, 2004(6): 41-43.

YANG Xinan. New technology on railway subgrade inspection by geological radar[J]. Chinese Railways, 2004(6): 41-43.

[10] 王峰.高速鐵路樁板結構應用現狀及研究方向[J]. 鐵道標準設計,2011(6):27-32.

WANG Feng.Application and theory research of high-speed railway ballastless track structure[J]. Railway Standard Design, 2011(6):27-32.

[11] 劉喜武. 彈性波場論基礎[M]. 青島：中國海洋大學出版社, 2008.

[13] 王平,徐浩,謝鎧澤,等. CRTSⅠ型CA砂漿動態壓縮試驗及本構關系研究[J]. 鐵道工程學報,2014(5):35-40.

WANG Ping, XU Hao, XIE Kaize, et al. Research on the dynamic compressive test of china railway track system (CRTS) I type CA mortar and its constitutive relationship[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2014(5): 35-40.

[14] FURUMURA M, KENNETT B L N, FURUMURA T. Seismic wavefield calculation for laterally heterogeneous earth models-II. The influence of upper mantle heterogeneity[J]. Geophysical Journal International, 2002, 135(3):845-860.

Typical defects’ analysis and nondestructive detection method for undertrack structures of high speed railways

ZHONG Pengfei, CHE Ailan, FENG Shaokong， ZHANG Tengyu

(School of Naval Architectural, Ocean and Civil Engineering; Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Along with the fast growth of operation time and mileage of China’s high-speed railways, many diseases and defects, such as, through cracks, segregations among layers, voids and so on appear in its underline structures. Due to effects of construction technology, high speed loading and negative pressure, segregations generally appear among CA mortar layers and there are serious cracks and damages locally. These diseases and defects may lead to overlarge vibration and safety problems of running carriages. Aiming at the defects’ characteristics of CA mortar layers in undertrack structures, a rapid detection method was proposed based on a detector array group for elastic wave propagation in multi-layer medium. Using the three-dimensional finite element simulation and field tests, this method’s key technical problems including evaluation standard, detection accuracy and efficiency were studied. The results showed that this method can be used to detect effectively the spatial distribution of segregations among CA mortar layers with advantages of convenient data acquisition, faster detecting speed and a higher accuracy.

high speed railway; CA mortar; segregations; elastic wave; fast detection method

國家自然科學基金(11372180)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2013G004-A-1)

2015-11-25 修改稿收到日期：2016-03-28

鐘鵬飛 男，碩士生，1988年1月生

車愛蘭 女，博士，教授，1969年12月生

TH212; TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.024