基于雷达检测的寒区铁路有砟轨道路基冻害评估技术

李晓光

（中国铁路沈阳局集团有限公司长春高铁基础设施段，吉林长春 130000）

高速铁路的高运行速度、高平顺性和高安全性，对路基的稳定性和耐久性提出了极高的要求［1］。寒区铁路的路基冻害问题会影响路基的平顺性，对冬季铁路的运营安全产生了较大影响。由于路基冻害根治难度大，高速铁路的养护维修工作面临巨大的挑战［2］。

高效的检测手段、科学的评估方法和有效的整治措施对于运营铁路路基冻害的处理尤为重要。目前铁路路基冻害的检测、监测、评估和整治具有以下特点［3-6］：①传统检测与监测方法无法准确反映冻害发展情况，且具有滞后性。现有铁路路基冻害的检测通过静态、动态检查等手段，实行定人、定时、定点的检查制度，但由于冻害的随机性，对于某些地段冻害的发展情况的评价往往是滞后的。②传统评价方法考虑因素单一。现有评估方法主要以冻胀量为指标，尚未考虑形成冻害的各种影响因素，其合理性和有效性有待商榷。③传统的路基冻害整治方法存在盲目性，针对性较差。目前有砟轨道冻害的整治措施主要有疏排水、新挖侧沟、保温等工程措施以及注盐、设置预垫板、高抬道等维修措施，其中注盐法较普遍，但尚缺乏精细化实施和盐分跟踪检测方法，不能掌握冻害整治地段盐分流失规律。此外，各种冻害维护整治方法都存在一定的盲目性。由于不能精确把握冻害地段长度，往往扩大冻害整治地段，造成较大的浪费。应结合冻害地段的评估结果，提出有针对性的整治方法。

本文通过建立雷达检测、轨道动态检测的铁路路基冻害综合检测技术，提高冻害检测与监测技术的有效性、前瞻性，形成基于雷达检测的寒区铁路有砟轨道路基冻害评估技术，为实现铁路路基冻害的大规模维护整治提供有力支撑。

1 雷达检测技术

1.1 雷达系统组成

车载探地雷达系统的结构如图1所示。其主要工作原理为：由中心控制系统下达指令至多普勒信号控制系统，对轨枕进行识别与距离探测，并将所识别的信息反馈到中心控制系统；中心控制系统发出脉冲信号，通过空气耦合天线发出和接收脉冲信号，同时记录环境条件与GPS 位置信息，相关反馈的波形信号可通过电脑终端进行实时显示。

图1 铁路路基信号采集系统工作流程

1.2 数据分析与处理

雷达系统在接收有效信号的同时，也会受到外界的干扰信号，因此对数据的分析和处理提出了较高的要求［7］。数据处理分析的过程：零线的标定→背景去噪→水平滤波→频域垂直带通滤波→增益设置→路基异常病害判识。

铁路路基在环境温度周期性变化的影响下，冬季会出现结冰的情况，其体积增大导致路基冻胀，影响线路的平顺性；而春季气温回升，路基内的冰融化，导致路基融沉。从现场采集的地质雷达剖面的数据处理结果可得到同样的规律性变化，路基冻害的雷达典型剖面见图2。从根本上说，路基冻害的检测主要是检测路基含水率的波动。由于级配碎石、水、冰材料特性的差异，其介电常数具有明显差异，导致雷达波的反射能量与反射振幅不同。

图2 含水率大冻害程度高的雷达典型剖面

1.3 雷达检测和轨道检测的关联性分析

在一寒区铁路探测18 个区间长度约48 km 的线路。将含水率的不同状态进行等级划分，I 级对应含水率大，Ⅱ级对应含水率较大，Ⅲ级对应稍大。当含水率分布里程与轨道不平顺里程存在交叉时，其判定结果记为1，表示在该含水率里程存在轨道不平顺情况，反之则记为0。该寒区铁路综合判定结果见表1。

表1 一寒区铁路判别结果

由表1可知：对于上下行线各含水率等级，路基含水率与轨道不平顺状况的里程分布关联度均在77.92%以上；上行线Ⅰ级、Ⅱ级含水率与轨道不平顺情况里程分布关联度分别在81.13%，68.18%以上；路基含水率与轨道不平顺里程分布存在较高的相关性，且含水率高的地段相关性更强。

2 冻害评估技术

主观评价法和客观评价法是2类常用的综合评价方法。主观评价法以层次分析法为代表，主要用于定性分析。客观评价法按照各指标间的关系来确定指标权重，再进行评价［8］。本文在综合2 种评估方法的基础上，提出适用于寒区铁路的有砟轨道路基冻害评估方法。

2.1 层次分析法

层次分析法主要按照下述步骤进行：①明确复杂问题所包含的全部因素，理清各因素间的逻辑关系；②将复杂问题按照不同层次的要素进行分解，形成带有逻辑关系的层次结构；③将每一层次要素两两比较，建立评判矩阵；④运用特定的数学方法计算评判矩阵最大特征值及其对应的正交特征向量，确定权值；⑤进行一致性检验；⑥计算各指标对复杂问题的权重。对复杂问题的分层一般分为目标层A、准则层B和指标层C，如图3所示［9］。

图3 评价指标结构图

按照下述步骤进行一致性检验：

1）运用和积法求解评判矩阵，将得到的矩阵按行分别相加，结果用向量Wi表示

式中：aij为矩阵元素；N为元素数量为权重向量。

2）将所有得到的向量Wi分别做单位化处理，得到同一准层下所有指标的权重向量。

3）在取得最大特征值后，分别计算评判矩阵的一致性指标CI和一致性比CR。

式中：A为评判矩阵；n为评判矩阵阶数；λmax为评判矩阵最大特征值；RI为平均随机一致性指标。

CI值越小，则表示评判矩阵的一致性越好。通常情况下，3阶以下矩阵不需检验，对于3阶及以上矩阵，当CR＜0.1 时，确定评判矩阵的一致性是合理的；否则需对评判矩阵进行修正，直到检验结果符合要求为止。

2.2 评估体系构建

通过前期大量研究工作，概括总结了寒区铁路路基发生冻害的原因可分为内因和外因。内因主要包括水分迁移、含水率、填料类型、路基类型等，而外因主要包括气温、列车运行荷载、寒冷时降雨水分的补给等。按照层次分析法的计算流程，将寒区铁路路基冻害状况评估划分为雷达检测指标、轨道检测指标和气象地质指标3 类，共选取9 个主要影响因素作为指标层，具体评价指标体系见表2。

表2 评价指标体系

为了判断指标间相对重要性，咨询相关专业人员对指标相对重要性进行判断，得出各评判矩阵，见表3—表5。

表3 A-B评判矩阵

表4 B1-C评判矩阵

表5 B3-C评判矩阵

评判矩阵A-B的最大特征值λmax=3.018 3，其对应的特征向量为W=[0.443 4，0.169 2，0.387 4]Τ，CI=0.009 2，CR=0.009 2/0.58=0.016＜0.1，一致性检验通过。

评判矩阵B1-C的最大特征值λmax=4.031，其对应的特征向量为W=[0.467 3，0.277 2，0.095 4，0.160 1]Τ，CI=0.05，RI=0.90，CR=0.05/0.90=0.056＜0.1，一致性检验通过。

评判矩阵B3-C的最大特征值λmax=4.010 4，其对应的特征向量为W=[0.423 6，0.227，0.227，0.122 4]Τ，CI=0.003 5，RI=0.90，CR=0.003 5/0.90=0.004＜0.1，一致性检验通过。

由此得到路基冻害各指标权重见表6。

表6 评价指标权重

根据计算得到的路基冻害各指标权重值，以权重最低者即道砟污染权重值0.037 为基准，建立指标间相对数值关系，参考铁总运〔2015〕60 号《高速铁路路基修理规则》、铁运〔2006〕146 号《铁路线路修理规则》和TB/T 2818—2016《铁路路基病害分类及评定》规范，结合指标权重，得出评分标准，见表7。

表7 寒区铁路有砟轨道路基冻害评分标准

按照表7 的评分标准，根据寒区铁路有砟轨道路基的实际情况进行打分，在满分100 分的基础上根据不同指标的不同状态进行扣分，最终用得分情况评价区间范围内铁路有砟轨道路基冻害的状态。85（含）～100 分可认为路基处于安全状态，产生冻害的概率较低；60（含）～85分表示路基处于中等风险状态，产生冻害的概率较大，需比对扣分项，有针对性地开展冻害整治；60 分以下的路基处于高风险状态，路基已出现较严重的冻害或有极大的概率会产生冻害，应立即采取处置措施。

3 结语

采用地质雷达对一段寒区铁路路基含水率进行了检测，发现含水率分布里程和冻害处所关联度在77.92%以上，并且Ⅰ级含水率与冻害处所分布的关联度大于Ⅱ级含水率的关联度。结合主观和客观评估方法，建立了适用于寒区铁路有砟轨道路基冻害的评估指标体系、评价指标权重以及评分标准。通过基于雷达检测的寒区铁路有砟轨道路基冻害评估技术，可为将铁路路基冻害的整治由“事后修”转变为“事前修”提供技术支撑，为实现铁路路基冻害的“冬病夏治”奠定基础。