地质雷达检测高铁无砟轨道支承层底部脱空离缝

摘 要：无砟轨道支承层底部翻浆冒泥导致支承层底部与基床表层之间出现脱空离缝，文章采用地质雷达检测方法对高速铁路无砟轨道支承层底部脱空离缝病害情况进行检测，为确定翻浆冒泥整治处理方案提供依据；在注浆整治后对处理效果进行检测，通过注浆前后的雷达检测图像对比分析，评价注浆处理效果。经实例验证，该方法可快捷、有效的对支承层底部与基床表层的接触状态进行整体综合评判，应用效果良好，能够为以后同类工程的检测提供参考。

关键词：地质雷达；高速铁路无砟轨道；脱空离缝

引言

我国是世界上高速铁路投入商业运营里程最长的国家，目前高速铁路运营里程已经突破1.6万公里，近7年的高速铁路运营实践表明：由于环境条件变化和列车冲击荷载的反复作用，局部地段已经先后出现了不同程度的路基病害，例如无砟轨道翻浆冒泥，沪宁城际铁路自2011年底开始常规检查以来，共发现有数十公里的路基地段发生了路基翻浆病害，大多数病害发生在混凝土支承层的底部附近，严重影响到列车运行的平稳性和行车的安全性。

无砟轨道出现冒浆的原因主要基床表层材料性质及当地气候有关，当地气候湿润，降水较多，雨水沿着轨道缝隙渗入支承层与基床表面的缝隙内，由于采用的级配碎石透水性差，缝隙进水后，在列车动荷载长期作用下，细颗粒被水冲出，产生冒浆现象。较硬的颗粒在动荷载作用下，相互摩擦形成碎屑在动水压力作用下液化并随着水从裂缝中流出。因此通过检测高速铁路无砟轨道支承层与基床表层脱空、离缝，可以对翻浆冒泥情况进行判断。

地质雷达具有快速、无损、高精度的优点，在工程病害检测领域得到广泛应用。文章以沪宁城际铁路某段无砟轨道翻浆冒泥病害检测为实例，在整治处理前，对无砟轨道翻浆冒泥病害情况进行检测，查明冒浆分布范围与发育程度，为确定整治处理方案提供依据；在整治处理后对注浆处理效果进行检测，通过注浆前后的雷达资料对比分析，评价注浆处理效果。

1 面波探测岩溶路基原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR），是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。

地质雷达勘探是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种物探方法，其工作原理就是利用高频电磁波（主频从数兆至上千兆赫）以宽频带短脉冲的形式，由地表通过发射天线向地下发射电磁波，由接收天线接收电磁波，当电磁波在地下旅行时，遇到具有电性差异的介质时（如空洞、分界面等），电磁波反射回地面由接收天线接收，根据电磁波的旅行时间、波形特征可以确定地下介质（目标体）的空间位置、几何形态等。

图1 地质雷达测试原理及采集示意图

2 工程实例

2.1 工程概况

沪宁城际铁路K245+780～K246+080段为低填浅挖地段，两侧各预留一股道，路堑边坡防护形式拱形截水骨架内植草灌木防护。轨道板为CRTSⅠ型板。该段支承层底部翻浆较严重，主要表现为在路肩上流淌着或堆积着由水与碎石垫层中细颗粒混合而成的泥浆渗出物，严重处渗出物厚度达10～50mm，个别地段泥浆渗出物被抽吸至轨道板表面道心内。

2.2 现场检测工作

测网密度、天线间距和天线移动速度应反映出检测对象的异常。根据高铁无砟轨道现场勘察和试验，一般沿线路纵向布置3～4条测线，分别沿上、下行线内外两侧支承层表面布置。

地质雷达检测使用美国Geophysical Survey Systems Inc生产的双通道SIR-20型地质雷达施测，天线频率900MHz，连续采集数据模式，每秒扫描100道，记录长度25ns，每道采样点数512。

2.3 资料处理流程

资料处理采用RADAN6.5雷达专用软件，采用人机对话的方式处理，其流程见图2：

图2 地质雷达数据处理流程图

2.4 实测资料解释

（1）无砟轨道支承层与基床表层接触良好特征

正常铁路路基一般具有填筑密实、厚度均匀等特点，无砟轨道支承层与基床表层接触良好，其雷达图像表现为波形平缓、规则、无杂乱反射等特征（图3），而有病害的路基的雷达图像则与此有明显不同。

图3 支承层与基床表层接触良好地质雷达时间剖面图

（2）无砟轨道支承层与基床表层脱空异常特征

通过对同相轴连续的追踪，找出振幅稍强的反射波来确定支承层与基床表层的分界面，可确定脱空、离缝的规模及延展范围，判定其严重程度。如图4所示，K245+907～+913支承层与基床表层界面的同相轴反射信号强，三振相明显，推测支承层与基床表层之间存在脱空、离缝。

（3）注浆整治前后对比

针对混凝土支承层与基床表层间的脱空、离缝，目前采取的整治措施为钻孔灌注高聚物化学浆，填充支承层与基床表层之间的空隙，恢复路基支承强度。通过注浆整治前后地质雷达资料的对比，可以对注浆整治效果进行评价。

如图5所示，K245+870～+874在注浆处理前，支承层与基床表层的分界面同相轴反射信号强，三振相明显，推测支承层与基床表层存在脱空、离缝（图5a）；经注浆加固后，K245+870～+872雷达同相轴较连续，且相对较均匀，注浆前存在的脱空、离缝异常区域信号幅度变弱（图5b），说明经注浆处理后，支承层与基床表层耦合情况得到改善，加固效果良好；K245+872～+873.5同相轴反射信号仍然较强，三振相明显，说明注浆充填效果不好，需要进一步补注处理。

a、注浆前 b、注浆后

图5 地质雷达检测无砟轨道脱空时间剖面图

3 结束语

（1）地质雷达能够快速、有效地检测无砟轨道支承层底部与基床表层脱空、离缝，支承层底部与基床表层接触良好的雷达图像表现为波形平缓、规则、无杂乱反射等特征；支承层底部与基床表层存在脱空、离缝，雷达异常表现为同相轴反射信号强，三振相明显。

（2）通过对比分析整治处理前后地质雷达反射波组同相轴连续性和同一异常的振幅变化，可以有效地对支承层底部注浆加固效果进行评价。

（3）本次地质雷达在沪宁城际铁路无砟轨道支承层底部检测中的实际应用，效果显著，可以为以后同类工程检测提供参考。

致谢

本次检测试验与论文编写，得到了中铁第四勘察设计集团有限公司“铁路路基填筑质量检测物探技术研究（2013K98）”科研项目资金的支持，在此表示感谢。

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作者简介：李军（1981-），男，工程师，硕士，地球探测与信息技术专业，从事工程物探与工程检测工作。