GPR技術在北同蒲線路基塌陷探測中的應用

胡在良 劉歡 杜翠

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵科檢測有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）技術是基礎設施成像中最常用的近地表地球物理方法之一。該技術在鐵路路基勘察中的應用研究主要集中在道砟臟污、鐵路沿線的翻漿冒泥分布［1］、結構面起伏以及車載探地雷達領域［2-3］。GPR技術數據采集快速，現場反饋及時，能有效地識別結構的內部變化。根據GPR系統帶寬的不同，其圖像分辨率能達到厘米量級。鐵路路基塌陷探測手段有多種方法，如探地雷達法、瞬態面波法、高密度電阻率法、輕型動力觸探法、土工試驗法、挖探法［4］等，但是在鐵路路基塌陷搶險中要求探測手段不能破壞路基結構且需及時提供探測結果，所以GPR技術作為一種高效快速無損檢測方法常應用在鐵路路基搶險探測中。本次探測段線路位于北同蒲線忻州—太原區間，近兩年間線路K299+950—K325+051區間內發生塌陷，均為道路工人巡檢過程發現，具體的地下塌陷范圍不詳。為保證通車正常，幾處塌陷均采用了道砟充填的方式應急處理。

1 GPR技術原理及測線布置

探地雷達信號是電磁波，以波的形式通過物質內部。構成材料的土壤、巖石、混凝土通常是由多種成分混合而成，被認為是有損耗的介質。路基土壤中含有礦物顆粒、空氣、水以及生物，其中的電荷遷移率是可變的，但由于受到限制從而會產生極化行為，定義了整體物質的介電性能和電導率。道砟底面裂損時，空隙里含有空氣或水，而空氣、水與基床土、地基土、基巖的介電常數存在較大的差異［5］。GPR 系統通常在0.01 ～ 2 GHz 頻率內工作。在0.01 ～ 0.1 GHz 內的GPR 天線適合于對幾十米深度的地下物體進行成像；在0.1～1 GHz 內的GPR 天線適用于道路與鐵路的路基的檢測；1～2 GHz內的GPR天線適用于隧道襯砌和建筑結構的厘米級的評估。

本次檢測區段為上下行線共線，在鐵路沿線左右砟肩及道心各布置了1 條測線，路肩布置1 條測線，共布置8條測線。

2 GPR數據處理與解釋

GPR 數據是通過脈沖電磁波的反射回波得到的，由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對電磁波不同程度的吸收和反射，以及介質的不均勻性等因素，使得GPR 脈沖返回接收天線時波幅減少，反射波波形也與發射波形有較大變化。此外，不同程度的干擾波和隨機噪聲也會降低實測數據的信噪比。因此，通過壓制干擾突出有用信號來改善數據質量，為最終異常缺陷的解釋提供清晰的探地雷達圖像。本次GPR 數據采用專業的探地雷達處理分析系統軟件進行資料處理、分析和解釋。數據流程為：數據輸入→刪除壞道→標記分割→背景濾波→帶通濾波→增益→時深轉換→圖形編輯→輸出剖面圖。

探地雷達反射波反射系數的大小由相應介質相對介電常數的差異決定。介電常數的差異越大反射系數越大，探測效果越好。

根據探地雷達圖像中反射波的強弱、波形等特征判斷地下空洞、不密實、含水區域等情況。當路基完好時，在GPR 圖像上基床頂反射面信號較強、同相軸連續；當路基出現空洞時，雷達圖像上有明顯的繞射波；當路基中有道碴陷槽時，在雷達圖像上反射波強烈，與周圍具有明顯差異，同相軸連續、層次分明；當路基中有溶蝕破碎時，在雷達圖像上不僅反射信號較強，而且同向軸不連續，層次錯亂；當路基中有節理發育時，在雷達圖像上反映為反射信號較強，且同相軸連續、層次分明；當路基含水時，含水區域在雷達圖像上反映為反射信號較強，頻率較低且連續性強［10］。

3 異常結果分析

3.1 K299+945—K299+961區段檢測異常分析

該段區間分別在上行線路肩、上行線道心、上行線左右砟肩以及下行線路肩、下行線道心、下行線左右砟肩布設了測線。上行線涵洞里程為K299+946—K299+954，下行線涵洞里程為K299+952—K299+960。上行線右砟肩里程K299+945—K299+961 雷達剖面見圖1。可知，道砟厚度約為0.7 cm，K299+956—K299+957 范圍深度1.1 m 位置出現雷達波形結構較為雜亂、不規則，反射信號能量有變化，同相軸不連續，推測路基本體可能出現不密實情況。K299+945—K299+961 下行線路肩雷達剖面見圖2。可知，涵洞下方深度在30 cm 開始，同相軸從小里程到大里程方向下沉，是由涵洞基礎質量較差導致的。K299+945—K299+961下行線右砟肩雷達剖面見圖3。可知，涵洞兩側K299+950 及K299+956 位置深度同相軸在70 cm 出現嚴重下沉，下沉量達60 cm。主要由于季節性降雨較大且土質不良的因素嚴重影響了路基的質量與穩定性。

圖1 K299+945—K299+961上行線右砟肩GPR剖面

圖2 K299+945—K299+961下行線路肩GPR剖面

圖3 K299+945—K299+961下行線右砟肩GPR剖面

3.2 K307+272—K307+291區段檢測異常分析

該段區間在上行線路肩布設了1 條測線，上行線涵洞里程為K307+280—K307+285。K307+272—K307+291上行線路肩雷達剖面見圖4。可知，道砟厚度約為0.7 cm，上行線涵洞兩側路涵連接處K307+280及K307+285位置同相軸斷裂，原因為涵背回填土壓實質量較差，隨著列車反復荷載作用，路基越來越軟，填料在雨水作用下被沖走，出現空洞。

3.3 K324+260—K324+280區段檢測異常分析

該段區間在下行線道心、下行線左右砟肩、下行線路肩以及上行線路肩共布設了5條測線。

K324+260—K324+280 下行線路肩雷達剖面見圖5。可知，下行線路肩里程從K324+268開始同相軸下沉明顯，向小里程方向淺部與深部均出現不均勻沉降現象，K324+264 為下沉最大位置，推測K324+270位置路基土向K324+264 位置流失，從而導致出現路基塌陷現象。

圖5 K324+260—K324+280下行線路肩GPR剖面

3.4 K325+011—K325+051區段檢測異常分析

該段區間在上行線道心以及左右砟肩共布設了3條測線。K325+011—K325+051 上行線左砟肩雷達剖面見圖6。可知，道砟厚度約為0.7 cm，上行線線路中心里程K325+042 深度1.2 m 位置出現雷達反射信號能量強，反射信號的頻率、振幅、相位變化出現明顯異常，邊界伴隨繞射現象，疑似為黃土陷穴。

圖6 K325+011—K325+051上行線左砟肩GPR剖面

4 結語

此次檢測四個區段，道砟厚度普遍在0.6～0.7 m；K299+945—K299+961 路涵連接處出現嚴重下沉，涵洞基礎質量較差；K307+272—K307+291 路涵連接處出現肉眼可見的空洞，與回填土壓實質量較差有關；K324+260—K324+280 下行線路肩淺部與深部出現不均勻沉降，推測K324+270位置路基土向K324+264位置流失，導致路基塌陷；K325+011—K325+051 區段上行線路中心里程K325+042 下方疑似有黃土陷穴。GPR 技術在北同蒲線路基塌陷搶險中發揮了重要作用，該技術在路基病害快速檢測探測方面的應用前景廣闊。