瞬态瑞利波技术检测铁路既有线路基基床质量

刘建新

(锦州铁道勘察设计院有限公司,辽宁锦州 121000)

1 概述

目前,我国单线铁路正在全面增建二线进行提速改造,提速铁路面临的首要问题是现有路基能否满足增建二线提速改造的要求,这就需要在提速前对既有线路基有关参数进行测试,给出路基的物理及力学指标,为提速线路的改建设计提供科学的依据。如何正确评价铁路既有线路基及基床的工作状态(包括路基强度及刚度),一直是铁路设计部门讨论研究课题,在既有路基基床评价过程中既要保证既有线的正常运营,又要在尽可能短的时间内完成检测与评价,必须在不破坏路基及轨道结构的基础上进行检测。

2 瑞利波基本特性

(1)在分层介质中,瑞利波在介质表面具有频散特性,即不同频率的波具有不同的传播速度,利用该特性可以进行介质分层。

(2)瑞利波的能量占全部波动能量的2/3,绝大部分能量集中在距震源的第一个半波长之内。当瑞利波的波动传播到一个波长的深度时,能量几乎全部衰减。由半波长理论可知,瑞利波的测试深度为半个波长。

(3)瑞利波的波长不同,其穿透介质的深度也不同。波长越长,穿透的地层深度越大。因此,根据波长与频率的关系,可通过改变激震频率来测定不同深度介质的平均瑞利波速度Vr,当速度不变时,频率越低,测试深度就越大。

(4)从能量衰减特性来看,纵波和横波的振幅反比于波传播的距离,衰减与1/r(r是波的传播距离)成正比,而瑞利波的振幅衰减与成 正比。因此,瑞利波的能量衰减要比横波和纵波慢得多,这是瑞利波测试技术的优越性之一,可以很好的用来识别瑞利波。

(5)瑞利波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。瑞利波传播速度的大小直接反映了地层的“软”、“硬”程度,能方便地划分软弱地层的深度及范围。

由上可知,瑞利波相对纵波、横波而言,具有能量较强、速度较低、频率较低、容易分辨等特点。路基内瑞利波波速的变化直接反映出被测路基填料的物理性质指标大小及力学强度指标的强弱,并且两者之间有着密切的相关关系。

3 道碴与路基二层介质的瞬态瑞利波速检测方法

既有线路基及道碴层质量检测过程中瞬态瑞利波数据的采集方式是在轨枕头部沿线路方向布置,以激振锤作为锤击震源,以两道传感器进行信号采集,,激震源与一号传感器的间距设为X1,两传感器的间距设为X2。检测时,由锤击产生的振动信号同步启动数据采集系统,使采集仪进入工作状态,同时振动信号通过被检测的道碴及路基土层传递至传感器1及传感器2。传感器将采集到的振动信号转换为电模拟信号后,传递至数据采集系统的前置放大部分进行固定增益放大,再传输至主放大器进行可变增益放大。同时,由电子转换开关对两道并行、并经放大的模拟信号进行逐次采样,使其变为一路串行的离散脉冲信号,此脉冲信号被放大到A/D转换器要求的幅度范围内后,经A/D转换器进一步转换为相应的数字信号。这些数字信号由仪器内的单片机统一控制,经逻辑控制电路实现各种功能的选择与控制,这些功能包括数据的存储、显示及处理分析等。存储的数据亦可通过仪器的通讯接口与计算机进行数据传输。由于瑞利波在分层介质传播过程中具有频散特性,即不同频段的瑞利波速将反映不同深度土层的工程特性,因此在数据处理过程中采集仪通过数字滤波技术将检测深度以外的频段滤掉,从而达到检测预定深度土层的目的(如图1所示)。

图1 瞬态瑞利波速检测原理

4 瞬态瑞利波法在既有线质量检测与评价中的应用

为了对既有线路基的质量进行合理的评价,采用上述理论及专用检测仪器,对集宁至通辽铁路线全线铁路路基质量进行了无损检测。现对K273+340～K273+700段铁路路基质量进行了无损检测与评价做简要分析。

4.1 场地特征

集通线既有线提速道伦郭勒至公主埂段K273+340～K273+700主要位于锡林浩特市正蓝旗境内,处于内蒙古高原区,该段风积沙地和沙丘较多,为浑善达克沙地的一部分,地形呈缓波状起伏。该段为填方,路基高约2～3m,道碴厚约40～50cm,路基填料为风积粉细砂,局部为粉质黏土,填料组别为C、D类,属路基病害多发区段。由于路基基床较为软弱,路基沉降变形较大,多年沉降量的累积,使得后期回填的道碴层厚度较大,既有路基的工作状态较差,不能满足增建二线提速改造。为了满足增建二线提速改造的要求,这就需要在提速前对既有线路基有关参数进行测试,给出路基的物理及力学指标,为提速线路的改建设计提供科学的依据。

4.2 数据采集与工作情况

瞬态瑞利波采用国产SWS-Ⅰ型地震仪和美国产S-12浅层地震仪及配套电缆和检波器进行野外数据采集。根据测试段较短,测试点距选用30m,每个测点采用12道4Hz低频检波器接收,道间距0.5m,偏移距为0.5m、3.0m,震源采用18磅大锤和60kg落锤,锤击垫板,单边激发。采样间隔250μs,记录点13个,每测点记录2次。

4.3 资料处理与成果分析

(1)资料处理

瑞利波勘察数据处理是从野外采集的多道地震数据中提取瑞利波的频散数据,再由频散数据进一步反演出地层的瑞利波速等值线断面图。通过对比道碴厚度曲线进行分析,以此评价路基。瑞利波勘察数据处理是利用相关软件进行下列三步处理:(1)由多道地震数据记录文件开始,在时间距离(X-T)域设置面波时距窗口和频率范围。用合适的时距窗口,排除其他干扰波的影响,将多道地震数据转换成频率波数谱。(2)在频率波数(F-K)域的谱图上,圈定基阶面波的能量峰脊,计算出频散数据,组成频散数据文件。(3)用取得的频散数据,在深度速度(Z-V)域,经过人机联作,设置初始地层参数,再优化拟合,得出采集排列下部地层瑞利波速的分层断面。

(2)成果分析

本次成果分析主要通过分析各剖面的瑞利波速等值线断面图和地质雷达检测道碴厚度曲线(图2),从瑞利波速度和道碴厚度变化的角度对基床状态的稳定性进行评价。

图2 瑞利波速等值线断面

针对瑞利波速速度,主要判释原则为:

VR＜130m/s,基床土密实度低,基床状态差;

VR=130～160m/s,基床土密实度稍低,基床状态稍差;

VR=160～190m/s,基床土密实度较高,基床状态一般;

VR=190～250m/s,基床土密实度高,基床状态好;

VR＞250m/s,基床土密实度高,基床状态良好。

针对瑞利波速速度断面形态,主要判释原则为:

①瑞利波速有低速区域,分布较大,表明基床土软弱,密实度低。

②瑞利波速分布杂乱,高低速区域分布无规律。表明基床土密实度分布不均匀。

③存在低速区域延伸至基床深部的情况,表明局部基床土密实度低。

④瑞利波呈近似层状分布,表层局部的低速区域属于正常情况,一般不作为异常。

本段为填方,路基高约2～3m,道碴厚约40～50 cm。此段瑞利波呈高低速交错分布,低速段延伸至底部,波速有一定起伏,表明基床土密实度稍低;基床稳定性稍差。

集通线既有线提速K273+340～K273+700段检测过程,是在对路基基床工作状态完全不了解的情况下进行的,通过对检测数据的判译后,在与集通线白旗工务段沟通后才获悉对应各个检测点处路基基床的工作状态的。经过与其他检测手段获得的技术数据对比,瞬态瑞利波法检测既有线基床比较准确。

5 结论

集通线既有线全线路基基床质量评价,各项检测数据亦表明了以瑞利波速作为检测既有线路基质量及评定路基工作状态的技术指标是可行的,是有着充分的理论和实践依据的。此外,以瞬态瑞利波检测技术进行既有线的路基质量评价,具有检测速度快、仪器轻便、检测时不影响正常行车、不破坏路基及轨道结构的技术优势。检测判定结果与工务段提供的既有路基病害段落基本一致,资料的定性分析及定量解释方法准确合理。为准确的检测出既有线路基基床的强度,既有线路改造以及增建二线提供准确的物理力学指标。

[1]杨成林,等.瑞利波勘探[M].北京:地质出版社,1993:13-30

[2]烟台大学岩土工程研究所.郑徐电化既有线提速路基基床质量检测试验段瑞利波速检测报告[R].烟台:烟台大学岩土工程研究所,2005

[4]铁三院.集通铁路提速段既有工程基床评价物探成果报告[R].天津:铁三院,2008