地質雷達在鐵路路基中的應用及其數據分析研究

摘 要：地質雷達技術因其快速、準確、無損等優點，近年在我國高速公路和鐵路領域得到廣泛運用。本文簡要介紹了地質雷達的原理，闡述了地質雷達在鐵路路基壓實效果無損檢測中的應用情況，通過對地質雷達現場典型譜圖分析研究，得出利用地質雷達檢測路基壓實質量的分析方法與技術。

關鍵詞：地質雷達；鐵路路基；檢測；地質雷達圖譜

The Application of GPR in Railway Earh Structure Engineering and Research on Data Analysis of GPR

DENG Guo-bing

（Construction Company of China Railway No.8 Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu611731，China ）

Abstract：Because of its fast， accurate， non-destructive and other advantages， GPR has been widely used in the field of highway and railway in China in recent years.This paper briefly introduces the principle of GPR ， expounds the application of GPR in non-destructive testing of the compaction effect of railway earh structure engineering， and through the analysis and research on the typical spectrum of GPR ， obtains the analysis method and technology of detecting the compaction quality of earh structure engineering by using GPR .

Key words：GPR，Railway earh structure engineering，Testing，Geological radar map

前言

路基工程是鐵路建設的關鍵工程之一，路基壓實質量是保障鐵路平穩性以及運營安全性的關鍵控制因素。無論是鐵路的基床表層、基床底層和路堤本體，還是公路的路基、基層、底基層以及面層都對壓實系數均有嚴格的要求，為保證路基具有承載滿足一定靜動荷載的能力，使路基沉降量滿足設計規范要求，鐵路線具有良好的路基填筑質量是必不可少的安全控制要求。隨著高速鐵路建設的發展，鐵路運行速度的提高，對路基壓實質量提出了更高的要求。傳統的檢測路基方法一般采用局部檢測結果代替整體路基壓實質量，具有局限性，檢測過程易受天氣環境影響，操作費力、費時，檢測周期長。利用地質雷達法檢測鐵路路基，是一種快速、簡便、無損的檢測方法，實踐證明，此項技術能滿足工程質量檢測的實際要求。

1.檢測原理

地質雷達是利用超高頻電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘探儀器，技術上屬于電磁波法的范疇，它是一種新型的使用天線發射高頻無線電波來探測地下介質結構和埋于地下目標結構物的無損方法。

地質雷達由發射天線、接收天線、信號接收系統和處理系統組成。地質雷達工作時，在雷達主機控制下，脈沖源產生周期性的毫微秒信號，并直接饋給發射天線，經由發射天線耦合到地下的信號在傳播路徑上遇到介質的非均勻體（面）時，產生反射信號。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸到接收機，信號在接收機經過整形和放大等處理后，經電纜傳輸到雷達主機，經處理后，傳輸到微機。在微機中對信號依照幅度大小進行分析處理，并以彩圖或灰度圖和電磁波形圖的方式顯示出來，以此判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數。

2.檢測參數設置

在進行地質雷達探測任務前，都需要對探測環境以及探測目標體特性進行初步的了解和剖析。探測參數的選擇也關系到探測的效果，探測參數包含天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發射及接受天線間距。測試前必須設置好參數，以期達到最好的檢測效果。

2.1 地質雷達天線中心頻率選擇

根據需要檢測路基厚度及檢測要求選擇合適頻率的天線。頻率高的天線發射雷達波主頻高、分辨率高，精度較高，能量衰減較快，探測深度較淺；頻率低的天線發射雷達波主頻低、分辨率低，精度較低，能量衰減較慢，探測深度較深。

天線中心頻率要綜合考慮空間分辨率、非均勻體干擾以及探測深度后進行選擇。分析每一個因素后都會得出一個中心頻率計算公式。

a） 在滿足分辨率且場地條件下，應盡量使用較低的中心頻率天線：

式中： —天線中心頻率（MHz）；x—空間分辨率（m）；εr —圍巖相對介電常數。

b） 在現場檢測時，多受到非均勻體的干擾，頻率越高時干擾程度越大，適當降低頻率，可提高較大目標體的響應，減少非均勻體干擾。此時，天線中心頻率應滿足：

式中：△L —非均勻體尺寸（m）。

c） 在考慮探測深度時，天線中心頻率為：

式中：D—探測深度（m）。

2.2 地質雷達時窗選擇

時窗的大小主要由最大探測深度和介質層電磁波速度決定，則時窗W計算公式如下：

式中：hmax —最大探測深度（m）；v —介質層電磁波波速（m/ns）；

為給介質層速度和目標深度的變化留出余量，時窗的選值在上式的基礎上增加30%。

2.3 地質雷達采樣率選擇

采樣率指記錄反射波采樣點之間的時間間隔。采樣率由奈奎斯特采樣定律控制，即采樣率至少應到達記錄的反射波中最高頻率的2倍，當天線中心頻率為f（MHz）時，采樣率△t為：

2.4 地質雷達測量點距選擇

在離散測量時，測點點距選擇由天線中心頻率與地下介質的介電特性所決定。為保證介質的響應在空間上不重疊，也遵循奈奎斯特定律，采樣間隔nx（m）：

2.5 地質雷達天線間距選擇

適當選取發射和接受天線的距離，可使分離式天線接收到的目標體回波信號增強。天線間距S：

式中：Dmax —為目標體最大深度。

3.地質雷達現場檢測

實施地質雷達檢測前應對儀器設備進行檢查，性能正常方可使用。檢測過程中作好現場記錄，對能干擾采集圖譜的物體做好詳細描述，例如檢測車的金屬平臺、壓路機等路基施工機具，及其與發射天線的距離。檢測中雷達天線始終與檢測面貼合密實，天線沿檢測線方向的移動速度一般取5～8km/h。

4.地質雷達數據分析處理與圖譜識別

通過對實測連續地質雷達圖像的分析，可以得出路基土體分布性質，進而得到路基在碾壓填筑后的質量情況。對地質雷達圖像進行分析時，首先要對原始圖譜消除干擾數據，干擾數據主要來自地形的干擾、天線上方物體的干擾以及天線耦合差的干擾等。然后編輯數據塊、距離歸一化、顏色表的選擇、背景消除、區標記與里程的確定以及區域增益等等。

本文重點研究了鐵路路基中常見的無缺陷區域、不密實區域、空洞區域、大塊石區域、軟弱夾層區域以、細顆粒區域以及粗顆粒區域等不同類型圖譜及電磁波的傳播特征，給出各種類型地質雷達圖譜的識別技術與判定標準。

4.1 無缺陷區域地質雷達圖譜的識別技術

在無缺陷區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖1所示，經分析總結，該無缺陷區地質雷達特征為：雷達波的同相軸連續，相對平整，波寬振幅變化較小，反射波能量比較均勻，反射波層分布較為分明清晰，反映了壓實土層較為密實，成層填筑效果較好。

4.2 大塊石區域地質雷達圖譜的識別技術

在大塊石區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖2所示，經分析總結，該無大塊石區地質雷達特征為：雷達波呈現出雙曲線反射弧特征，因為大塊石和周圍填料介質電性差異較大，該區域的反射比較強烈，反射波振幅較大。大塊石缺陷與空洞缺陷在波形圖中有著顯著的區別：當電磁波途徑空洞缺陷，波形振相成為反向，而大塊石缺陷的波形振相沒有反向，僅是波幅變大。

4.3 細顆粒區域地質雷達圖譜的識別技術

在細顆粒區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖3所示，經分析總結，該細顆粒區地質雷達特征為：雷達深度剖面圖中有明顯的反射界面，反射波呈現團塊狀。

4.4 空洞區域地質雷達圖譜的識別技術

在空洞區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖4所示，經分析總結，該空洞異常區地質雷達特征為：雷達波呈現雙曲線波形特征，且雙曲線頂部能量比較多，反射比較強烈，電磁波反射遇到空洞后出現強反射，波形變得雜亂，并出現相位相反的情況。

4.5 粗顆粒區域地質雷達圖譜的識別技術

在粗顆粒區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖5所示，經分析總結，該粗顆粒區地質雷達特征為：該異常區的粗顆粒與路基填料較為相近，因此在雷達剖面圖中沒有明顯的異常反射現象。

4.6軟弱夾層區域地質雷達圖譜的識別技術

在軟弱夾層區域掃描的地質雷達深度剖面圖如圖6所示，經分析總結，該軟弱夾層區地質雷達特征為：雷達波反射強烈，與正常填筑層界面清晰，反射波并沒嚴重的錯亂、間斷現象，因反射強烈，反射波顯得較為突出；電磁波在軟弱層中被吸收嚴重，電磁波衰減程度較大，下部反射能量被嚴重削減，所以雷達圖像中軟弱夾層下部分辨率下降，比較模糊。

4.7 不密實區域地質雷達圖譜的識別技術

通過分析該區域地質雷達深度剖面灰度圖和電磁波波形圖，該不密實區地質雷達特征為：雷達反射波同相軸錯亂，出現間斷，而且有很多分支且無規則，該區域的波寬變窄，出現了錯亂的團塊狀或條帶狀雷達波反射，反射也較為強烈。電磁波反射在遇到不密實區反射突然變得強烈，振幅變大。

5結語

通過地質雷達在鐵路路基檢測的應用與分析研究，有以下幾點體會：

1、地質雷達技術是一種快速、精確和安全無損的檢測技術，它可以對鐵路路基施工質量做出精確、客觀的評價，在工程建設中具有廣闊的應用前景。

2、根據檢測的目標體選擇合適的天線中心頻率、時窗、采樣率、測點點距與發射及接受天線間距等技術參數至關重要，相關參數的設置準確與否將直接影響原始數據，并且能在數據分析判定中減少誤差。

3、地質雷達檢測能夠準確識別鐵路路基填筑中的各種缺陷（如：不密實、空洞、粗細顆粒堆積、軟弱夾層等），將為現場施工把好質量關。

4、本文初步給出了7類鐵路路基典型缺陷的地質雷達圖譜識別技術，其他情況下地質雷達圖像的解析與判定，仍需積累大量的實踐經驗。

作者簡介：

鄧國兵（1979-），男，廣西桂林人。高級工程師，本科，主要從事工程試驗研究與測試工作。