冲击回波声频法在京唐铁路CRTSⅢ型轨道板脱空检测中的研究

马超

（铁正检测科技有限公司，山东济南 250000）

0 引言

CRTSIII 型轨道板结构，主要由隔离层结构（土工布材料构成）、预制构件（轨道板为预制构件）、钢结构承载轨道、扣件、挡台等部分构成。

在铁路运营过程中，轨道板的层间紧密性与结合度是评价其质量可靠性的主要指标。但在实际工程中，层间结构经常会出现脱空、起泡等问题。尤其在铁路建成投入使用后，轨道板结构会受到外界环境因素的影响（包括温度分布、受力分布等），出现脱空现象，从而增加轨道车辆在高速行驶中的安全隐患[1]。为解决此方面问题，保证我国交通行业的可持续发展，亟须采取有效的措施或辅助使用现代化检测技术与手段，进行轨道板脱空问题的检测，及时发现结构中存在的安全隐患。

但在深入此项工作研究时发现，CRTSIII 型轨道板在2011年年初才被正式应用到铁路施工建设中，因此，与之相关的研究成果较少，相应的其检测的研究成果更是无法在市场内投入使用。尽管部分技术人员已尝试了基于雷达探测、弹性波等角度，进行轨道板的脱空检测，但现有的检测技术在应用中几乎都存在一定的局限[2]。

基于此，本文将引进冲击回波声频法，以京唐铁路CRTSIII 型轨道板为例，采用一种全新的脱空检测方法应于轨道板检测，以此种方式，为铁道的全面运营提供安全保障。

1 基于冲击回波声频法的京唐铁路CRTSIII 型轨道板脱空检测方法

1.1 基于冲击回波声频法的缺陷应力波响应特征提取

为实现对轨道板脱空问题的精准检测，提高铁路交通在高速行驶中的安全性，引进冲击回波声频法，进行CRTSIII型轨道板缺陷应力波响应特征的提取[3]。检测前，根据引进技术的使用需求，设计特征提取过程。

获取冲击回波声频法反馈信号，明确在反馈信号的激振点边缘，当轨道结构存在脱空问题时，反馈信号将存在卓越振幅，将此振幅作为缺陷应力波响应特征，对其进行提取。此过程计算可用公式（1）表示。

式（1）中：T表示信号频率深度；β表示缺陷应力波形状系数；C表示CRTSIII型轨道板标准应力，计算中取值为常数；f表示反馈信号频率。按照上述计算公式，对特征信号进行提取。

1.2 基于迁移学习的CRTSIII 型轨道板脱空标注

完成研究后，引进迁移学习技术，进行CRTSIII 型轨道板脱空标注。在此过程中，检测的CRTSIII 型轨道板需要通过图像分析识别，因此，在获取基础图像后，采用卷积神经网络，进行CRTSIII型轨道板运行信息的自定义[4]。在此基础上，将目标检测区域迁移到卷积神经网络中，对所检测区域进行训练与迭代。可将此过程表示为公式（2）所示的过程。

式（2）中：R表示CRTSⅢ型轨道板脱空检测区域训练数据的迭代处理；Z2表示迁移数据组；Z1表示原始数据组；i表示迭代行为的发生次数；α 表示第i次迭代行为的标注。按照方式（2），对待测试区域进行迭代处理，根据迭代处理的顺序，进行存在缺陷CRTSIII型轨道板的脱空标注[5]。

1.3 脱空类型划分与检测结果主动标识

完成上述设计后，对脱空类型进行划分。将脱空类型划分为：超厚、强度不足、欠厚、密实度不足等几种类型。将标注结果与缺陷应力波响应特征进行匹配，匹配时，采用非极大值抑制法进行缺陷的迭代，通过反复迭代，可以有效避免在一个相同检测区域内出现单点重复检测的问题。按照标准化的迭代处理方法，进行单点检测结果的标识，完成标识后，辅助使用精灵标注助手，进行缺陷结果的输出，将输出的结果导入xml 文件，采用十折交叉验证的方式，对检测结果进行一次校验，将通过校验的数据集中后输出，以此种方式，实现对检测结果的主动标识。综上所述，完成基于冲击回波声频法的脱空检测方法设计。

2 对比实验

上面从三个方面，完成了基于冲击回波声频法的检测方法理论设计，为证明此次研究设计的方法在实际应用中具有较强的实用性，可以为铁路工程质检单位的运营管理相关工作实施提供进一步的指导与技术帮助。下述将以新建北京至唐山铁路JTZQ-6 标段工程为例，对所设计的检测方法的可行性进行检验。确保本次实验的真实性与实验结果数据的可靠性，需要在开展测试实验前，安排技术人员与施工单位进行技术对接，并采用实地勘查的方式，获取新建项目的相关工程信息，对现已知的工程信息进行整理与统计。

新建北京至唐山铁路JTZQ-6 标段正线长度25.80km，计划投资17.5 亿元，该项目在2017年9月正式开建，预期该项目在48 个月内完成施工。根据项目建设方要求，此项目在施工中的路基长度约为0.315km，施工场地中包括1 座长度约为1.786km 的工段，根据工程施工方统计，施工段的土方量与路基土方量约为840000m2。施工段中的软基处理结构为φ40.0cm-CFG 桩，此桩体结构的延长米数约为368641m，其中包括5 座涵洞，涵洞的有效延长约为258.59m。除上述内容外，施工段还途经2 座特大桥建筑，桥长约为23.696km，此桥梁的支撑结构为桩基，根据工程方统计，桩基结构共有7118 根、承台726个、墩身726 个；预制、架设右线箱梁695 孔，支架现浇梁6 孔，其中轨道板预制40990 块。

掌握新建北京至唐山铁路JTZQ-6 标段工程项目相关信息后，在已完成的施工段布置此次实验。根据工程项目的特点与工程施工需求，选择“32+48+32”段与“40+56+40”段作为此次实验研究的测试段，通过技术部门的集中分析可知，所选的测试段均为预应力混凝土箱梁连续施工段，即所选的测试段符合此次实验需求。

为确保实验结果具有对比性，选择基于超声横波成像法的检测方法作为传统方法，并根据实验需求，在测试现场布置本文要求的实验装置。基于冲击回波声频法的检测方法现场结构布置参照图1。

图1 基于冲击回波声频法的检测方法现场结构布置图

图1 中：（1）（3）分别表示拾音器1 与拾音器2；（2）表示激振器。完成对施工设备的综合部署后，在标段中的不同里程位置进行测试点的布置，采用脱空现象测试点布置方式，测线区间分为五个区，每个测线区间分布11 个测试点。

现已知测线区间2 中的一个测点存在轨道板脱空问题，但具体脱空位置未知，为实现对此位置的检测，按照本文所设计的方法与传统方法，对测点区域2 中布置的10 个测点进行检测。获取冲击回波声频法测试结果的反馈信号与雷达检测法反馈的信号，将信号使用传感器进行传输，将其呈现在检测终端的计算机屏幕上。通过此种方式，得到如图2所示的轨道板脱空检测结果（此次检测采用测点顺序检测的方式进行，即先进行距离最近的测点1 检测，再进行测点2 检测，以此类推）。

从图2所示的实验结果中可以看出，本文方法可以精准检测到10 个测点中的第8 个测点反馈信号存在异常，说明本文设计的检测方法在实际应用中可以实现对轨道板脱空现象的精准检测。在此基础上，对基于雷达技术的传统检测方法的可行性进行分析，发现此方法识别到测点区间2 中共存在两个呈现脱空现象的轨道板，对应的轨道板位置为第3 个测点与第8个测点，其中第8 个测点与本文检测方法得到的结果相同。但根据已知信息可知，在测点区间2 中的10 个测点中，只有一个未知的脱空轨道板。因此，可以在完成上述实验后，得出此次实验的结论：相比基于雷达技术的传统检测方法，此次研究所设计的基于冲击回波声频法的检测技术，可以实现对脱空轨道板的精准检测，尽管传统检测方法也可以对脱空轨道板的检测，但检测结果与真实结果存在误差。

图2 各检测方法对轨道板脱空现象的检测结果

在此基础上，增加测线区间的测点数量，分别使用本文方法与传统方法对区间内的测点进行检测。统计真实结果与检测结果，如表1所示。

表1 脱空检测结果对比

从上表1所示的实验结果中可以看出，基于冲击回波声频法的检测方法检测结果与脱空轨道板数量完全相同，而基于雷达技术的检测方法检测结果与脱空轨道板数量存在部分差异。由此可以证明本文此次研究所设计的检测方法，在真实场景中应用，具有更精准的检测效果，可以实现对所有出现脱空问题的轨道板进行精准检测，保证为工程施工方提供更高技术层面的指导与帮助，即所测结果真实性与可靠性程度更高。

3 结语

本文研究的冲击回波声频法又被称为IAE 检测法，主要是指在待检测结构部分，通过激发空气振动的方式，产生反馈声音。反馈的声音将被多种频域装置主动接收，接收后的信号通过差分处理与计算的方式，提取信号在传播中的加速度参数，考虑到计算得到的加速度结果与被测结果表层加速度具有较为紧密的联系，因此可以采用对加速度进行计算分析的方式，精准掌握并了解被测结果的内部情况。相比常规的接触检测方法，此种检测方法可以实现在提高检测结果精度的同时，提升检测效率。为实现对此项技术的推广，本文从缺陷应力波响应特征提取、基于迁移学习的CRTSIII 型轨道板脱空标注、脱空类型划分与检测结果主动标识三个方面，引进冲击回波声频法，以京唐铁路CRTSIII 型轨道板为例，采用一种全新的脱空检测方法,并在完成对方法的理论设计后，以新建北京至唐山铁路JTZQ-6 标段工程为例，对所设计的检测方法可行性进行检验。实验结果证明，本文此次采用的检测方法，在真实场景中应用，具有更精准的检测效果，可以实现对所有出现脱空问题的轨道板进行精准检测。