铁路路基病害无损检测的探地雷达信号分析与处理
重载铁路既有线路基病害探地雷达无损检测方法
文章编号:1673-0291(2013)04-0035-05重载铁路既有线路基病害探地雷达无损检测方法王成亮1,白明洲1,杜衍庆1,刘选朋2,秦国栋2(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.北京航天勘察设计研究院,北京100070)摘 要:选用探地雷达进行路基病害无损检测试验,通过对探地雷达获取数据的解译和资料调查,研究路基下沉、道砟陷槽、路基翻浆冒泥和路桥过渡段填土不均匀沉降等不同类型的路基病害,从雷达信号反射波的波形、能量变化、同相轴等方面总结不同类型路基病害的雷达图像识别特征.选取具体试验地段,进行动力触探试验,并结合路基岩土体参数进行对比分析.试验结果和探地雷达检测结论基本一致,验证了探地雷达无损检测方法的有效性和适用性.关键词:铁路路基;探地雷达;无损检测;路基病害;动力触探中图分类号:U239.4;U213.1 文献标志码:AGround penetrating radar nondestructive testing method appliedin railway subgrade of existing heavy haul railwayWANG Chengliang 1,BAI Mingzhou 1,DU Yanqing 1,LIU Xuanpeng 2,QIN Guodong2(1.School of Civil Eng ineering ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China ;2.Beijing Aerospace G eo technical Engineering Institute ,Beijing 100070,China )A bstract :The no ndestructive test of the subg rade defect based on the ground penetrating radar method is do ne through the investig ation of information and the acquisition of the ground penetrating radar da -ta .We do some research on the different subg rade defects ,such as subgrade subsidence ,subgrade in tank ,subg rade rising soil ,the uneven settlement of subg rade -bridge transition section soil ,etc .We also summarize the features of different subgrade defect radar images from different aspects ,such as the reflection w ave of the radar signal ,the energy change ,the event and so on .By combining with theanaly sis of subgrade parameter ,the light dynamic penetration test is done based on specific testing sec -tio n .The testing results are almost the same w ith the g round penetrating radar data ,w hich proves the effectiveness and applicability of the nondestructive testing method of g round penetrating radar .Key words :railw ay subg rade ;g round penetrating radar systems ;nondestructive testing ;subg rade de -fect ;dy namic penetration test 收稿日期:2012-10-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(41072256);教育部高等学校科技创新工程培育基金资助项目(708010);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011YJS254)作者简介:王成亮(1983—),男,河南商丘人,博士生.研究方向为道路与铁道工程.email :10115286@bjtu .edu .cn . 随着重载铁路货运量的增大和列车的提速,越来越多的路基病害问题开始呈现.路基工程本身是一种比较隐蔽的工程结构,其内部构造及路基内部病害的演化趋势无法直接观测.如何快速、连续、高效地进行路基病害检测,成为铁路线路维护的首要问题[1-2].目前,路基病害检测方法中常用的岩土体测试方法主要有:地基系数K 30试验、核子密度仪测试、十字板剪切试验及动力触探等.无损检测方法主第37卷第4期2013年8月 北 京 交 通 大 学 学 报JO URN AL O F BEIJIN G JIAO TO NG UN IV ERSI T Y V ol .37N o .4Aug .2013要有:微重力勘测、超声波检测、X 射线检测、地震波检测及测井方法等.地震测网只可对新建铁路做详细的测点研究,微地震方法只能在无行车线路段进行勘察,电法勘探易受地下杂散电流的影响,测井方法只能在某些情况下作为其他方法的补充.鉴于重载铁路既有运营线受到各种干扰因素(振动干扰、电磁干扰、信号干扰及天窗时间等)的影响和各种试验方法的条件限制,综合考虑效率、成本、试验区特点及线路运营要求,本文作者选取探地雷达无损检测方法,在既有重载铁路路基和路桥过渡段进行试验,结合动力触探等试验结果,对探地雷达路基病害的检测方法、典型病害图像识别特征等进行研究.探地雷达方法具有快速、高效、直观等特点,轻型动力触探设备简单、便于携带、操作方便、结果精度高、对运营线路列车天窗时间要求不高,两者结合,互为验证,能够较好的保证检测结果的可靠性和准确度[3-7].1 重载铁路路基病害探测1.1 重载铁路路基病害基本状况朔黄铁路位于山西省东北部和河北省中部,线路自神朔铁路神驰南站,穿越恒山、太行山,跨京广、京九及京沪铁路后直达黄骅港,承担着西部煤炭资源向东部运输的重要任务,是国家重要的干线铁路和电气化重载铁路.试验区位于朔黄铁路里程DK361+905附近,地貌主要为冲洪积平原及滨海平原,地形平坦开阔,大部分为耕地或果园,局部有平沙地,植被较为发育,区内洼地和人工河道较多.该试验段内路基填料主要为中砂类土,基底下方主要为细砂类土.近几年来,由于朔黄铁路运量迅速增加、加之部分路段沿线降雨季节排水不畅、路基填土质量差及施工工艺欠缺等原因,路基病害开始出现,主要表现为路基沉降变形,路肩开裂变形及路桥过渡段填土不均匀沉降等[8-10].1.2 探测试验原理与方案探地雷达是利用高频电磁波在介质中传播时,遇到介电常数存在差异的介质界面产生反射现象进行工作的,是近几年迅速发展起来的一种高分辨率、高效的无损检测技术.其中,发射天线以脉冲形式向下发射电磁波,电磁波在向下传播的过程中,当遇到存在电性差异的介质时(如地层界面、空洞),便发生反射,并由接收电线接收.通过分析雷达主机记录的电磁波从发射到接收的信号特征、波形幅度、双程走时及图谱资料,结合图像处理和地质资料分析,即可推测地下目标体或地质异常区的电性、规模、位置及几何形态等信息[11-12].铁路路基结构从上至下一般由道砟层、基床填土、地基土等组成.通常,沿线路走向,路基结构材质均匀,雷达图像的特征也基本相同;而沿深度方向,由于道砟和地基填土层的介电常数差异明显,雷达波在各介质分界面会发生较强反射.因此,可根据探地雷达剖面图、沿线路探测方向反射波及同相轴变化特征,分析路基结构界面、病害类型、位置、范围等异常区信息.探地雷达工作原理如图1所示[13].图1 探地雷达工作示意图Fig .1 Working schematic diagram of GP R天线中心频率的选取要兼顾探测目标的深度和分辨率及探测场地条件等因素,在满足分辨率和场地条件要求时,可尽量选中心频率低的天线,以满足探测深度的要求.中心频率f 一般可由地层介电常数ε和空间分辨率x /m 初步确定,即f =150x ε. 时窗W 选择主要取决于最大探测深度和地层电磁波波速,时窗选取过小,会导致地层深部数据信号丢失或遗漏;时窗过大,则会造成采集过多冗余数据,从而导致数据信号分辨率降低.一般可以根据最大探测深度d max 和电磁波波速v 确定采样时窗长度,即W =1.32d maxv.使用美国劳雷公司的SIR -2000型地质雷达探测系统,根据雷达信号强度和脉冲频率参数,200M 天线探测深度为1～5m ,400M 天线探测深度为1～2.5m ,900M 天线探测深度为1～1.2m ,考虑到道砟厚度一般在0.5～1.0m 之间,故选用频率为400M 的天线,时窗参数选取50ns .根据试验里程段的长度,在试验区的上行和下行区间平行于线路方向布置6条测线,两轨之间布置一条,轨道外侧约0.5m 处各布置一条,横向测线沿垂直线路方向以5m 间距布置,测线长度按覆盖路基表面确定,如图2所示.36北 京 交 通 大 学 学 报 第37卷图2 测线布置平面图Fig .2 Layout of line1.3 探测试验结果及分析由于路基介质本身的不均匀性及对雷达信号的吸收和反射,铁路沿线通信设备及电缆产生的随机噪声及轨枕产生的强反射,使得雷达信号的波形产生干扰和改变,因此雷达探测数据需要通过数据编辑、滤波、干扰压制等处理步骤,最大限度提高雷达图像剖面上的分辨率,通过分析雷达反射波的波速、波形、同相轴等图像特征进行图像解译.以检测测线1为例(图2),探测图像见图3.图3 路基剖面雷达探测图Fig .3 G PR detection diagram of subg rade 当路基处于良好状况时,由于路基施工期间临近路段路基结构的施工工艺和材料一般比较均匀一致,分层性较好,因此,路基结构的雷达信号波形的同相轴清晰、连续,道碴砟与路基基床土的分层界面明显.1.4 对比试验分析在现场雷达测试的基础上,选取典型地段进行轻型动力触探,将动力触探试验数据换算为基床土力学指标,从而分析评价沿线路方向地层强度变化和地基的均匀程度.以探测剖面1为例,在剖面上轨枕顶部以3m 间距布置触探孔,动力触探贯入深度一般不超过1.2m .根据《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018—2003)和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)中给出的素填土承载力标准值与轻型动力触探试验N 10值的关系,将试验所得的N 10值换算成地基土承载力f k ,见表1[14-15].根据试验结果,在0.3～0.6m 地层深度范围内,N 10的锤击数普遍大于50次,试验孔基床土层承载力多数介于185～250kPa 之间.根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2005)及《大秦线重载铁路路基设计原则与标准》[16]中关于重载铁路路基填筑压实标准的规定,朔黄正线基底地基系数应满足K 30>60MPa /m 或地基承载力f k >150kPa 的要求.由前述可知该试验剖面满足要求,且基床土层内无明显结构层破坏现象,动力触探试验结果和雷达探测结论基本一致.表1 轻型动力触探测试结果T ab .1 Test results of lig ht dynamic penetratio n孔号12345678910111213N 10/次数42285554505673586158807573f k /k Pa165130197.5195185200242.5205212.5205260247.5242.52 典型路基病害的雷达判识特征路基病害按其断面形状可分为路堤病害与路堑病害,按病害发生的部位可分为基床病害、路基本体病害和地基病害3类.近年来,由于受到路基排水不畅、路基填料强度不足、地质条件以及列车运量大幅增加等因素影响,朔黄铁路DK361+905里程段内开始出现多种路基病害,如路基下沉、道砟陷槽、翻浆冒泥及不均匀沉降等(图4～图7),对线路的安全和正常运营带来了不利影响.同时,根据试验测试数据处理和解释结果,结合地勘察质资料,典型路基病害与其雷达波图像特征之间存在如下对应关系.2.1 路基下沉线路运营一段时间后,由于路基排水不畅致使基床土层含水率增加.基床土层由于被水侵蚀及软化,承载力下降并呈稀释泥浆状态,在列车动荷载的频繁作用下,受荷部位基床产生下沉破坏.在路基下沉部位,多种路基填料如砂、土、砟石和水等物质相互混杂,从而导致介质自身介电常数不均衡,并与周围介质差异明显,所以雷达图像反射波呈现出杂乱无序、同相轴高低不平的特征,见图4.2.2 道砟陷槽在道碴陷槽地段,道床石砟在运营列车荷载作用下被压入路基基面,致使路基结构界面破坏和变形,使路基中的不同介质之间互相混合,同时由于道砟陷槽部位一般含水,从而使病害地段介质的介电常数发生改变,与周围相对均匀的介质差异明显.雷达剖面图像表现为紊乱图像,同相轴在道砟和基37第4期 王成亮等:重载铁路既有线路基病害探地雷达无损检测方法图4 路基下沉雷达探测图Fig .4 G PR detectio n diag ram of subg radesubsidence图5 路基陷槽雷达探测图Fig .5 GP R detection diag ram of subg rade intank图6 路基翻浆冒泥雷达探测图Fig .6 GP R detection diagram of subgrade risingsoil图7 路桥过渡段雷达探测图Fig .7 G PR de tection diagram of subg rade -bridge transition section床面发生错断或不连续,在含水部位雷达反射波能量增强,见图5.与路基下沉病害的雷达波形同相轴整体沉降特征相比,道砟陷槽病害的雷达波形同相轴则是凸凹不平或错断.2.3 翻浆冒泥翻浆冒泥是列车在动荷载作用下基床土被软化,形成泥浆沿道床道碴的空隙上涌的一种路基病害.路基在列车动荷载作用下,石砟等路基填料之间相互磨损,风化的石质基面或土质基面被水侵蚀、软化,道床排水效果下降,形成道心积水,在列车动荷载作用下,吸水饱和的淤泥突破砂垫层,挤压冒出,使路基产生变形破坏.根据病害产生的位置不同,翻浆冒泥病害可分为基床翻浆冒泥和道床翻浆冒泥.路基道床翻浆冒泥地段,路基道床填料结构界面破坏,介质相互混合,含水量普遍增大,雷达剖面上层界面不清楚,同相轴杂乱,病害区域反射波衰减强烈,同相轴不连续,图像紊乱,见图6.2.4 路桥过渡段填土不均匀沉降在桥头两侧的路桥过渡地段,由于施工次序不一致及施工场地受限等原因,导致过渡段填土压实度不均一.此外,受到路基与台背接合处雨水下渗等因素影响,线路运营一段时间后,路桥过渡段不均匀沉降经常发生.在路桥过渡部位,其雷达图像道碴界面分层明显,同相轴整体下沉,并向靠近桥台沉降量呈现增加趋势,见图7.3 结论1)探地雷达具有快速、高效的特点,比较适合既有线路的路基病害检测,探地雷达无损检测不需要钻孔开挖,不破坏既有线路,占用线路时间短,不影响线路运营.2)路基道床界面处,雷达剖面同相轴清晰、连续,路基下沉阶段则呈现出凸凹不平;道砟陷槽病害地段雷达信号波形杂乱,同相轴发生错断或不连续;翻浆冒泥病害地段,雷达图像层界面不清楚,同相轴杂乱,路基病害区域反射波衰减强烈;而在路桥过渡段,道床呈现整体下沉,越靠近桥台沉降量越大.3)通过现场轻型动力触探试验,试验区内基床土层内无明显结构层破坏现象,基床土层承载力多数介于185～250kPa 之间,满足重载铁路对承载力的要求,探地雷达检测和轻型动力触探分析结果基本符合,能够实际反映路基内部结构的实际状况.参考文献(References ):[1]和民锁,李亮,聂志红.客运专线路基压实检测指标的试验研究[J ].铁道科学与工程学报,2009,6(6):27-32.HE M insuo ,L I Liang ,N I E Zhihong .A nalysis of com -paction standards 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地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用和分析
地质雷达在铁路隧道无损检测中的应用和分析摘要：针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题,利用地质雷达术进行隧道工程质量检测。
岩土工程介质的电磁学特性决定了应用地质雷达的效果,介质的电磁学性质可用介电数、磁导率和电导率3 个参数来表征。
地质雷达技术探测是一种利用广谱电磁波确定不同介质分布的探测方法。
针对铁路隧道,给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法,包括测线布置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释。
通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,确定钢筋及钢架的分布位置及数量,查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域。
使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测,实践证明技术方法是切实可行的。
关键词：地质雷达;无损检测;隧道;混凝土衬砌;工程质量地质雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)技术是一种基于电磁波反射原理,用于浅层地质构造探测和工程质量检测的地球物理方法。
地质雷达技术可用于场地勘察[1]和工程质量检测(包括隐蔽工程结构物)两大主要领域[2-4]。
场地勘察包括：工程场地勘察、铁路与公路路基状态探查、基岩风化层探查、地下水探查、地下溶洞和人工洞室探测等。
工程质量检测包括：铁路和公路隧道衬砌、高速公路路面及路基、机场跑道等质量检测和工程结构检测。
针对隧道混凝土衬砌常见的质量问题：衬砌背后回填不密实、衬砌厚度不足、渗漏水、局部裂缝和钢筋布置不足等,利用地质雷达技术进行隧道无损检测,可以达到如下目的：1)探测隧道衬砌背后可能存在的空洞、回填不密实点的位置及范围;2)探测混凝土初衬和二次衬砌厚度;3)探测混凝土衬砌内钢筋及钢格栅的分布;4)探测二次衬砌混凝土内裂缝;5)探测层间积水。
1 探测基本理论1.1 岩土工程介质的电磁学特性雷达探测的基本原理：使用电磁波穿透工程介质,当存在电磁波阻抗差异界面时,电磁波发生反射,根据反射波的走时及介质的电磁学性质确定介质结构。
介质的电磁学性质可用介电常数、磁导率和电导率三个参数来表征。
提高地质雷达对铁路路基和隧道病害检测工作质量的对策分析
提高地质雷达对铁路路基和隧道病害检测工作质量的对策分析作者：杨慧来源：《科技创新导报》 2014年第28期杨慧(呼和浩特铁路局科研所内蒙古呼和浩特 010050)摘要：该文简述了地质雷达检测工作原理，从地质雷达在铁路路基和隧道病害检测的应用实际出发，重点在天线选配、测线设计、参数设置、操作等影响检测结果因素方面进行对策分析，提出提高检测工作质量的建议，并归纳了一些常见特征图谱。
关键词：地质雷达铁路路基隧道病害检测中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)10(a)-0086-04地质雷达无损检测是近年来迅速发展起来的一项高端检测技术，现已应用于铁路、公路、水利、电力、采矿、航空等诸多领域，用来解决场地勘查、工程质量检测、病害诊断和超前预报等问题。
近年来，地质雷达检测技术在铁路工程，特别是在铁路路基病害和隧道质量检测中得到广泛应用和推广，通过分析雷达图谱，可直观反应出道床、基床的几何形态，检查路基下沉、路基翻浆冒泥、隧道衬砌厚度、衬砌背后空洞、衬砌混凝土密实度及钢筋、钢架分布情况等不同类型的病害，判断病害的类型、程度、位置及范围。
地质雷达无损检测技术以其非破坏性探测、抗干扰性强、分辨率高、操作方便、图像直观等优势，已成为排查隐蔽工程安全隐患，确保铁路工程质量的重要手段。
然而，在应用地质雷达进行路基和隧道病害检测的实际工作中，也暴露出测线设计、参数设置、天线选配、操作等因素对检测结果准确性的影响。
本文根据实际工作体会，着重就上述影响因素进行分析，探讨提高地质雷达检测工作质量的对策，并给出一些典型病害图谱。
1 地质雷达检测工作原理及仪器设备简介地质雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分组成。
根据电磁波在有耗介质中的传播特性，地质雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当遇到不均匀体界面时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的[1]。
地质雷达检测技术在铁路建设项目中的应用研究
地质雷达检测技术在铁路建设项目中的应用研究地质雷达是一种常用的非侵入性地质勘探技术，它利用雷达波在地下岩体中的传播和反射原理，获取地下岩体的物理和几何特征。
近年来，地质雷达检测技术在铁路建设项目中得到了广泛应用，用于评估地下岩体结构稳定性、地下水位情况、软弱地层和隧道探测等方面，为铁路设计、施工和维护提供了重要的地质参数和基础数据。
地质雷达在铁路工程中可用于评估地下岩体的结构稳定性。
地质雷达可以快速获取地下岩体的反射强度和反射界面的位置信息，通过分析这些信息可以评估地下岩体的强度、裂隙情况以及可能存在的滑坡和崩塌等地质灾害风险。
这对于铁路线路的选线和隧道掘进工程的安全设计具有重要的指导意义。
地质雷达可以用于评估地下水位情况。
地下水位是铁路建设中重要的地质参数之一，对于铁路的线路设计和水土保持措施的制定具有重要的影响。
地质雷达可以非常精确地探测地下水位的位置和深度，并提供地下水位随时间变化的趋势，为铁路工程中的水利工程设计和防水措施提供重要的参考依据。
地质雷达还可以用于探测软弱地层。
在铁路建设中，软弱地层是一个重要的工程问题，可能导致路基沉降和路基失稳。
地质雷达可以快速精确地探测到地下软弱地层的位置和厚度，并提供软弱地层的物理特性和力学性质的信息，为铁路线路和桥梁的设计以及基础工程的处理提供重要的参考数据。
地质雷达还可以用于隧道探测。
在铁路建设中，隧道是一个重要的工程部分，地质雷达可以帮助工程师快速准确地确定隧道内部的地质情况，包括岩层的分层、断层以及地下水的分布等。
这对于隧道设计和施工的安全性和效率都具有重要的意义。
地质雷达检测技术在铁路建设项目中具有广泛的应用前景。
通过地质雷达的应用，可以获得地下岩体的物理和几何特征，为铁路工程的设计、施工和维护提供重要的地质参数和基础数据。
地质雷达的快速和准确性能，能够大大提高铁路工程的安全性和工作效率。
随着技术的不断发展和改进，地质雷达检测技术将在铁路工程中发挥越来越重要的作用。
地质雷达在道路质量与病害检测中的运用
地质雷达在道路质量与病害检测中的运用摘要：地质雷达可用于评估道路质量，检测道路病害，保证道路建设的安全性与可靠性。
地质雷达能够通过电磁波在媒介交界面反射、折射等特性，完成路面厚度测量、质量检测、基础层检测等工作，可对常见的路面反射裂缝、路面不均匀等病害进行分析，便于了解道路的建设情况，及时发现并处理道路质量不合格或病害问题，为道路交通安全性提供良好的保障。
关键词：地质雷达；道路质量；病害检测在城市道路系统不断完善的背景下，人们对道路质量的要求也在不断提升，应用优质的检测方式开展道路质量与病害检测，可有效提升道路安全稳定，能够为交通体系完善提供有效帮助。
地质雷达是一种常用的无损检测方式，可以对道路质量与病害进行无损探测，能够及时发现道路质量缺陷以及病害情况，便于尽早开展病害治理，保证道路安全。
在具体应用地质雷达技术时，需要关注地质雷达的应用原理、技术特点，并分析其在现场检测中所需的工作流程和条件，更好地发挥其检测作用，提升工作质量。
一、地质雷达技术分析1、地质雷达的应用原理地质雷达技术是通过电磁波进行地质探测的技术，可通过宽频带、高频波速特征对地质结构进行分析。
使用地质雷达设备进行地面探测时，由设备接收地面高频电磁波，并通过不同媒质反射、投射的电磁波特征，能够对媒质的空间分布进行研究，实现高精度、高标准的探测。
雷达天线接收的回波与各介质的介电系数之间存在一定线性关系，差值越大则回波能力越大，雷达计算机可以对其做出精确的数据分析，并完成雷达图像的绘制，进而分析地下的基本情况，能够对各种工程进行无损检测[1]。
2、地质雷达技术特点地质雷达技术具有适用性强、抗干扰性强、定位迅速、灵活性强等特征，能够满足各类探测的需要。
地质雷达探测技术可适用于各类探测活动，能够通过非破坏性探测了解建筑工程、公路工程等工程建设情况，可适用于各类工作环境，得到准确的探测结果。
地质雷达技术具有较强的抗干扰特性，其应用不容易受周边环境影响，不宜受噪音等因素影响，能够更加稳定的完成地质勘探活动。
铁路路基状态检测中探地雷达数据并行处理
Ｓ ｐ ａ ｒ ｋ等 多用 于互 联 网行 业 的数 据 挖 掘 和 推 荐 ｌ ８ ］ ， 在 传统 行业 中应 用较 少 。Ｈａ ｄ ｏ ｏ ｐ和 Ｓ ｐ ａ ｒ ｋ应 用 于 探 地雷 达数 据并 行处 理 时主要存 在几 个 问题 ：①编 程模 型具 有 局 限性 ，对 迭代 算法 支持 较弱 ，并 不适
铁路 路基 状 态检 测评 价是 既有 铁路 养 护维修 的 关键 环节 。从 目前 的检测 评价 技术 手段 来看 ，要 实 现快 速 、无 损 和高 精 度 的检 测 和 评 价 铁 路 路 基 状 态 ，探地 雷 达尤其 是 车载 探地 雷达 是一 种最 为理 想
的检 测方 法 Ｌ 】 ］ 。铁 路 路 基 状 态 周 期 性 检 测 是 未 来
３ ．安徽 理工大学 经济与管理学 院，安徽 淮南
摘
２ ３ ２ ０ ０ １ ）
要 ：为快速处理探地雷达检测铁 路路 基状 态所产 生的 大量检测 数据 ，缩短 检测报 告 的生 成周期 ，采 用
并行计算 技术设计并构建适用于探地 雷达 数据 解析 的并行 处理 平 台，利用计 算机集 群处 理解 析探地 雷达数 据 ；
基于服务 器计 算能力的动态探地雷达数据任务 负载均衡 算法 ，对用 户提 交的探地 雷达数 据解析 任务统 一调度分 发 。采用 实际的铁路路基状态检测雷达数 据对 构建的并行处理平 台进行实验 ，分 析雷达数据并 行处理 的准确性 、 时间消耗 、并 行化加速 比和系统可扩展性 等指 标 。结果 表明 ：在 ８个节 点的集群 并行处 理平 台上进行 探地雷达 数据 的处 理效 率 比用单机版软件 提高 ５ ５ ３ ，处理 时间 比基于 Ｈａ ｄ ｏ ｏ ｐ的探 地雷 达数 据并行 处理方 法缩 短 ５ ０ ％
探地雷达铁路基底病害检测原理
探地雷达铁路基底病害检测原理Ground-penetrating radar (GPR) is a non-destructive testing method used for railway subgrade disease detection. 探地雷达（GPR）是一种无损检测方法，用于铁路基底病害检测。
GPR works by emitting high-frequency electromagnetic pulses into the ground and recording the reflections to create an image of the subsurface. 探地雷达通过向地面发射高频电磁脉冲并记录反射来创建地下结构的图像。
The electromagnetic pulses penetrate the ground and are reflected back from various subsurface materials, such as soil layers, rocks, and any anomalies or defects in the railway subgrade. 电磁脉冲穿透地面并从各种地下物质以及铁路基底中的异常或缺陷反射回来。
One of the key advantages of GPR is its ability to detect subsurface anomalies without the need for excavation, making it an efficient and cost-effective method for railway subgrade disease detection. 探地雷达的一个关键优势是它无需挖掘就能检测地下异常，使其成为一种高效和具有成本效益的铁路基底病害检测方法。
In addition, GPR can provide detailed information about the depth, size, and location of the detected anomalies, allowing engineers and maintenance teams to make informed decisions about repairs or maintenance activities. 此外，探地雷达可以提供有关检测异常的深度、大小和位置的详细信息，使工程师和维护团队能够做出有根据的维修或维护决策。
探地雷达在道路工程检测的应用
探地雷达在道路工程检测的应用道路作为交通运输的重要基础设施，其质量和安全性直接关系到人们的出行和经济的发展。
为了确保道路的良好性能和可靠性，需要采用有效的检测技术对其进行评估和监测。
探地雷达作为一种先进的无损检测技术，在道路工程检测中发挥着越来越重要的作用。
一、探地雷达的工作原理探地雷达是一种利用高频电磁波来探测地下介质分布的设备。
它通过向地下发射高频电磁波脉冲，这些电磁波在地下传播过程中遇到不同电性介质的界面时会发生反射和折射。
探地雷达接收并记录这些反射波的时间、振幅和相位等信息，通过对这些数据的处理和分析，可以推断地下介质的结构、性质和分布情况。
在道路工程检测中，探地雷达通常使用的电磁波频率在几百兆赫兹到数吉赫兹之间。
电磁波在道路结构层中的传播速度取决于介质的电性参数，如介电常数等。
通过测量电磁波在不同层位的传播时间，可以计算出各层的厚度；而反射波的振幅和相位变化则可以反映介质的电性差异，从而判断道路结构层中是否存在缺陷、空洞、含水区域等异常情况。
二、探地雷达在道路工程检测中的应用领域1、道路结构层厚度检测准确测量道路结构层的厚度对于评估道路的承载能力和使用寿命至关重要。
探地雷达可以快速、无损地检测出沥青面层、水泥稳定基层、底基层等各层的厚度，与传统的钻孔取芯检测方法相比，具有效率高、代表性强、不破坏路面等优点。
2、道路病害检测道路在使用过程中可能会出现各种病害，如裂缝、松散、脱空、沉陷等。
探地雷达能够探测到这些病害的位置、形态和大小，为道路的养护和维修提供准确的依据。
例如，对于裂缝病害，探地雷达可以检测出裂缝的深度和走向；对于脱空病害，能够确定脱空区域的范围和程度。
3、道路基层和路基含水量检测含水量是影响道路基层和路基稳定性的重要因素。
探地雷达可以通过测量电磁波在介质中的传播特性来间接推算出含水量的分布情况，帮助工程人员及时发现潜在的水损害问题，并采取相应的措施进行处理。
4、地下管线探测在道路改扩建或维护工程中，需要了解地下管线的分布情况，以避免施工对管线造成破坏。
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触 车载 探地 雷达 系统 是发 展 的趋 势 。
当布设 在上 方 的 探 地 雷 达 系 统 沿 钢 轨 实施 探 测
时， 探测 结果 中 既包含 了来 自基 床 反射 的有效 信息 ， 还
包 含 了来 自钢轨 和轨 枕 的干扰 信息 （ 图 １ 。 见 ）
发射天线
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识， 但探 测 过程 中钢 轨 及对 电磁 信 号 的 干扰 所 导 致 的 实测 剖面探 测 能力 降低使 得该 项技 术 在此领域 的应 用 受到极 大 影响 。研 制具有 屏蔽 天线 的铁 路专用 探 地雷 达系统 来 削弱钢 轨 的 干扰 ， 析 实 测 剖 面 中 信号 的时 分 域分 布特 征并确 定 合 理 的去 噪 技 术 以 削弱 其 影 响 ， 对 于提 高该 项技术 在此 领域 中的应用 程度 和效 果具 有重
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铁
道 建
筑
Ａｕ ｕ ｔ２ ０ ｇ ｓ， ０ ６
Ｒａ ｌ ｙ Ｅｎ ｉ ｅｉ ｇ ｉ ｗａ ｇｎｅ ｒｎ
文 章 编 号 ：０ ３１９ （０６ ０ ．０ ８０ １０ ．９ ５ ２ ０ ）８０６ －３
铁 路路 基 病 害 无 损检 测 的探 地 雷达 信 号分 析 与 处 理
关键 词 ： 路 路 基 铁 病害 检测 探地 雷达 信 号分 析 去 噪
中图分 类号 ： ４６ １ 文献标识 码 ： Ｕ １． Ｂ
铁路 基床 病害 主要 有基 床 翻浆 冒泥 、 碴 陷槽 、 道 下 沉外 挤和 隐蔽性 冲 空 、 穴 等。 这些 病 害的 发 育 程 度 陷 复 杂多样 ， 布具 有 随 机性 。探 测此 类 隐 蔽 病 害 的存 分 在并 及时 处理 ， 保 障铁路 的正 常运 行具有 重要 意义 。 对 传 统铁 路路 基病 害 的检测方 法 以挖探 、 钎探 为 主 ， 成 但 本 高 、 期 长 、 意性 大 ， 易对 被测 线路造 成 损坏 、 工 随 容 信 息 量小 等不 足 ， 其 远不 能 适 应 目前铁 路 路 基 状 况 全 使 面实时 监控 的需要 。近 １ 来 ， 于 电磁波 反 射理 论 ０年 基 的探 地 雷 达 （ ｒ ｎ ｅｅｒ ｉ ａａ ， 称 Ｇ Ｒ） 损 Ｇｏ ｄＰ ｎｔ ｔ ｇＲ ｄ ｒ简 ｕ ａｎ Ｐ 无 检测技 术逐 步被 国外 的学 者应 用于基 床病 害 的连续 检 测并设 计 了专用 的 车载探 地雷 达 。国 内杨新 安等 人也
韩 宇 郭 秀军 ，
（． 南铁路局 淄博工务段 ， 东 淄博 １济 山 ２５０ ；２ 中 国 海 洋 大 学 ， 东 青 岛 ５００ ． 山 ２６０ ） ６０ ３
摘 要 ： 消除钢轨 和轨 枕 对铁路 路基 病 害检 测的探 地 雷达信 号 的影 响 ， 高 实测 剖 面的检 测 能 力 ， 于 为 提 基
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２０ ０６年第 ８期
铁路 路 基 病 害 无 损 检 测 的 探 地 雷 达 信 号 分 析 与 处 理
要意 义。
＋ ＋ ＋ ＋
誉
＼ ＋原 始地基 ＋
图 ｌ 铁 路 雷 达 现 场 探 测 示 意 图
１ 适 用 于 铁 路 路 基 病 害 检 测 的 探 地 雷 达 探 测
信 号 分 析
探地 雷达 是将 高频 电磁 波 以短 脉 冲形式 通过 发射 图 ２为沿 山东胶济 铁 路 某试 验 段 路 基将 ５ ０ Ｍ ｚ ０ Ｈ 发 、 一体 屏蔽 天线 分 别 置 于道 床 正上 方 和 路 肩进 行 接 探测所 得 到 的雷达 剖面 。从 实测 剖面 上可 以看 到从浅
用普通 的探 地雷 达 开展 了相关探 测并 取得 了一 定 的认
天线 之 间还会 形成 多次 反 射 波 ， 这些 信 号都 会 形 成 对
地下 介 质有效 信 号的 干扰 。为满 足 我 国逐 步增 多 的快
速、 高速铁 路线 的 检 测 要 求 ， 究 路 基 病 害 的分 布 特 研
天线 向地层 中发射 ， 地 层 中传 播 的 电磁 波 遇 到不 同 在
岩土层 的 物性 变化 界面 （ 电常数 ） 介 便会 发生 反射 等现 象 ， 中反 射 到地 面 的 电磁 信 号 被 天线 所 接 收 。 根据 其 接受 电磁 信号 的能 量和 相位 变化 以及 反射走 时便 可确 定地 下介 质 的存在 和分 布特 征 。如果天 线周 围 的 目标 体能 够接 受 到发射 天 线 发射 的信 号 ， 会 有 反 射 信 号 也 返 回接受 天线 ， 同时 有 强 反 射 界 面存 在 时 在 反 射 面 和
到深雷 达 波的 同相 轴 序列 明显 ， 比路 基 的 结 构层 分 对
布可确 定其 依 次 为空气直 达 波 、 碴表 层 、 床 土界 面 道 基 和原 始地 层界 面 的反映 。不 同物性 层 的探地 雷 达剖 面 特征 不 同 ， 从道 床上 方 和 路 肩 采集 得 到 的雷 达 剖 面差 异可 以看 到 ， 道床 正上 方 测量时 ， 枕形 成 的多次反 在 轨 射信 号对 剖 面产生 了 巨大 的 影 响 ， 至掩 盖 了不 同物 甚 性层 的反 射有效 信息 ， 大大 降 低 了剖 面 的 信 噪 比。 由
对 两种干扰 源 在 实测 剖 面上 的时频 分 布特征 分析 ， 过 改进 探 地 雷达 天 线 的方 式 实 现 了对 钢轨 反 射 信 通 号 的屏 蔽 ， 用预测 反褶 积和 带通 滤 波相 结 合 的方 式 ， 采 消除 了轨 枕 形 成 的 多 次反 射 波 对 有 效信 号 的干 扰 。去噪 处理后 的 实测 剖 面可清 楚显 示翻 浆 冒泥等路 基病 害在 基床 、 道碴 层 中的空 间分布 。