沖擊回波聲頻法在京唐鐵路CRTSⅢ型軌道板脫空檢測中的研究

馬超

（鐵正檢測科技有限公司，山東濟南 250000）

0 引言

CRTSIII 型軌道板結構，主要由隔離層結構（土工布材料構成）、預制構件（軌道板為預制構件）、鋼結構承載軌道、扣件、擋臺等部分構成。

在鐵路運營過程中，軌道板的層間緊密性與結合度是評價其質量可靠性的主要指標。但在實際工程中，層間結構經常會出現脫空、起泡等問題。尤其在鐵路建成投入使用后，軌道板結構會受到外界環境因素的影響（包括溫度分布、受力分布等），出現脫空現象，從而增加軌道車輛在高速行駛中的安全隱患[1]。為解決此方面問題，保證我國交通行業的可持續發展，亟須采取有效的措施或輔助使用現代化檢測技術與手段，進行軌道板脫空問題的檢測，及時發現結構中存在的安全隱患。

但在深入此項工作研究時發現，CRTSIII 型軌道板在2011年年初才被正式應用到鐵路施工建設中，因此，與之相關的研究成果較少，相應的其檢測的研究成果更是無法在市場內投入使用。盡管部分技術人員已嘗試了基于雷達探測、彈性波等角度，進行軌道板的脫空檢測，但現有的檢測技術在應用中幾乎都存在一定的局限[2]。

基于此，本文將引進沖擊回波聲頻法，以京唐鐵路CRTSIII 型軌道板為例，采用一種全新的脫空檢測方法應于軌道板檢測，以此種方式，為鐵道的全面運營提供安全保障。

1 基于沖擊回波聲頻法的京唐鐵路CRTSIII 型軌道板脫空檢測方法

1.1 基于沖擊回波聲頻法的缺陷應力波響應特征提取

為實現對軌道板脫空問題的精準檢測，提高鐵路交通在高速行駛中的安全性，引進沖擊回波聲頻法，進行CRTSIII型軌道板缺陷應力波響應特征的提取[3]。檢測前，根據引進技術的使用需求，設計特征提取過程。

獲取沖擊回波聲頻法反饋信號，明確在反饋信號的激振點邊緣，當軌道結構存在脫空問題時，反饋信號將存在卓越振幅，將此振幅作為缺陷應力波響應特征，對其進行提取。此過程計算可用公式（1）表示。

式（1）中：T表示信號頻率深度；β表示缺陷應力波形狀系數；C表示CRTSIII型軌道板標準應力，計算中取值為常數；f表示反饋信號頻率。按照上述計算公式，對特征信號進行提取。

1.2 基于遷移學習的CRTSIII 型軌道板脫空標注

完成研究后，引進遷移學習技術，進行CRTSIII 型軌道板脫空標注。在此過程中，檢測的CRTSIII 型軌道板需要通過圖像分析識別，因此，在獲取基礎圖像后，采用卷積神經網絡，進行CRTSIII型軌道板運行信息的自定義[4]。在此基礎上，將目標檢測區域遷移到卷積神經網絡中，對所檢測區域進行訓練與迭代。可將此過程表示為公式（2）所示的過程。

式（2）中：R表示CRTSⅢ型軌道板脫空檢測區域訓練數據的迭代處理；Z2表示遷移數據組；Z1表示原始數據組；i表示迭代行為的發生次數；α 表示第i次迭代行為的標注。按照方式（2），對待測試區域進行迭代處理，根據迭代處理的順序，進行存在缺陷CRTSIII型軌道板的脫空標注[5]。

1.3 脫空類型劃分與檢測結果主動標識

完成上述設計后，對脫空類型進行劃分。將脫空類型劃分為：超厚、強度不足、欠厚、密實度不足等幾種類型。將標注結果與缺陷應力波響應特征進行匹配，匹配時，采用非極大值抑制法進行缺陷的迭代，通過反復迭代，可以有效避免在一個相同檢測區域內出現單點重復檢測的問題。按照標準化的迭代處理方法，進行單點檢測結果的標識，完成標識后，輔助使用精靈標注助手，進行缺陷結果的輸出，將輸出的結果導入xml 文件，采用十折交叉驗證的方式，對檢測結果進行一次校驗，將通過校驗的數據集中后輸出，以此種方式，實現對檢測結果的主動標識。綜上所述，完成基于沖擊回波聲頻法的脫空檢測方法設計。

2 對比實驗

上面從三個方面，完成了基于沖擊回波聲頻法的檢測方法理論設計，為證明此次研究設計的方法在實際應用中具有較強的實用性，可以為鐵路工程質檢單位的運營管理相關工作實施提供進一步的指導與技術幫助。下述將以新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標段工程為例，對所設計的檢測方法的可行性進行檢驗。確保本次實驗的真實性與實驗結果數據的可靠性，需要在開展測試實驗前，安排技術人員與施工單位進行技術對接，并采用實地勘查的方式，獲取新建項目的相關工程信息，對現已知的工程信息進行整理與統計。

新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標段正線長度25.80km，計劃投資17.5 億元，該項目在2017年9月正式開建，預期該項目在48 個月內完成施工。根據項目建設方要求，此項目在施工中的路基長度約為0.315km，施工場地中包括1 座長度約為1.786km 的工段，根據工程施工方統計，施工段的土方量與路基土方量約為840000m2。施工段中的軟基處理結構為φ40.0cm-CFG 樁，此樁體結構的延長米數約為368641m，其中包括5 座涵洞，涵洞的有效延長約為258.59m。除上述內容外，施工段還途經2 座特大橋建筑，橋長約為23.696km，此橋梁的支撐結構為樁基，根據工程方統計，樁基結構共有7118 根、承臺726個、墩身726 個；預制、架設右線箱梁695 孔，支架現澆梁6 孔，其中軌道板預制40990 塊。

掌握新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標段工程項目相關信息后，在已完成的施工段布置此次實驗。根據工程項目的特點與工程施工需求，選擇“32+48+32”段與“40+56+40”段作為此次實驗研究的測試段，通過技術部門的集中分析可知，所選的測試段均為預應力混凝土箱梁連續施工段，即所選的測試段符合此次實驗需求。

為確保實驗結果具有對比性，選擇基于超聲橫波成像法的檢測方法作為傳統方法，并根據實驗需求，在測試現場布置本文要求的實驗裝置。基于沖擊回波聲頻法的檢測方法現場結構布置參照圖1。

圖1 基于沖擊回波聲頻法的檢測方法現場結構布置圖

圖1 中：（1）（3）分別表示拾音器1 與拾音器2；（2）表示激振器。完成對施工設備的綜合部署后，在標段中的不同里程位置進行測試點的布置，采用脫空現象測試點布置方式，測線區間分為五個區，每個測線區間分布11 個測試點。

現已知測線區間2 中的一個測點存在軌道板脫空問題，但具體脫空位置未知，為實現對此位置的檢測，按照本文所設計的方法與傳統方法，對測點區域2 中布置的10 個測點進行檢測。獲取沖擊回波聲頻法測試結果的反饋信號與雷達檢測法反饋的信號，將信號使用傳感器進行傳輸，將其呈現在檢測終端的計算機屏幕上。通過此種方式，得到如圖2所示的軌道板脫空檢測結果（此次檢測采用測點順序檢測的方式進行，即先進行距離最近的測點1 檢測，再進行測點2 檢測，以此類推）。

從圖2所示的實驗結果中可以看出，本文方法可以精準檢測到10 個測點中的第8 個測點反饋信號存在異常，說明本文設計的檢測方法在實際應用中可以實現對軌道板脫空現象的精準檢測。在此基礎上，對基于雷達技術的傳統檢測方法的可行性進行分析，發現此方法識別到測點區間2 中共存在兩個呈現脫空現象的軌道板，對應的軌道板位置為第3 個測點與第8個測點，其中第8 個測點與本文檢測方法得到的結果相同。但根據已知信息可知，在測點區間2 中的10 個測點中，只有一個未知的脫空軌道板。因此，可以在完成上述實驗后，得出此次實驗的結論：相比基于雷達技術的傳統檢測方法，此次研究所設計的基于沖擊回波聲頻法的檢測技術，可以實現對脫空軌道板的精準檢測，盡管傳統檢測方法也可以對脫空軌道板的檢測，但檢測結果與真實結果存在誤差。

圖2 各檢測方法對軌道板脫空現象的檢測結果

在此基礎上，增加測線區間的測點數量，分別使用本文方法與傳統方法對區間內的測點進行檢測。統計真實結果與檢測結果，如表1所示。

表1 脫空檢測結果對比

從上表1所示的實驗結果中可以看出，基于沖擊回波聲頻法的檢測方法檢測結果與脫空軌道板數量完全相同，而基于雷達技術的檢測方法檢測結果與脫空軌道板數量存在部分差異。由此可以證明本文此次研究所設計的檢測方法，在真實場景中應用，具有更精準的檢測效果，可以實現對所有出現脫空問題的軌道板進行精準檢測，保證為工程施工方提供更高技術層面的指導與幫助，即所測結果真實性與可靠性程度更高。

3 結語

本文研究的沖擊回波聲頻法又被稱為IAE 檢測法，主要是指在待檢測結構部分，通過激發空氣振動的方式，產生反饋聲音。反饋的聲音將被多種頻域裝置主動接收，接收后的信號通過差分處理與計算的方式，提取信號在傳播中的加速度參數，考慮到計算得到的加速度結果與被測結果表層加速度具有較為緊密的聯系，因此可以采用對加速度進行計算分析的方式，精準掌握并了解被測結果的內部情況。相比常規的接觸檢測方法，此種檢測方法可以實現在提高檢測結果精度的同時，提升檢測效率。為實現對此項技術的推廣，本文從缺陷應力波響應特征提取、基于遷移學習的CRTSIII 型軌道板脫空標注、脫空類型劃分與檢測結果主動標識三個方面，引進沖擊回波聲頻法，以京唐鐵路CRTSIII 型軌道板為例，采用一種全新的脫空檢測方法,并在完成對方法的理論設計后，以新建北京至唐山鐵路JTZQ-6 標段工程為例，對所設計的檢測方法可行性進行檢驗。實驗結果證明，本文此次采用的檢測方法，在真實場景中應用，具有更精準的檢測效果，可以實現對所有出現脫空問題的軌道板進行精準檢測。