GPR技术在北同蒲线路基塌陷探测中的应用

胡在良 刘欢 杜翠

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁科检测有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京 100083

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）技术是基础设施成像中最常用的近地表地球物理方法之一。该技术在铁路路基勘察中的应用研究主要集中在道砟脏污、铁路沿线的翻浆冒泥分布［1］、结构面起伏以及车载探地雷达领域［2-3］。GPR技术数据采集快速，现场反馈及时，能有效地识别结构的内部变化。根据GPR系统带宽的不同，其图像分辨率能达到厘米量级。铁路路基塌陷探测手段有多种方法，如探地雷达法、瞬态面波法、高密度电阻率法、轻型动力触探法、土工试验法、挖探法［4］等，但是在铁路路基塌陷抢险中要求探测手段不能破坏路基结构且需及时提供探测结果，所以GPR技术作为一种高效快速无损检测方法常应用在铁路路基抢险探测中。本次探测段线路位于北同蒲线忻州—太原区间，近两年间线路K299+950—K325+051区间内发生塌陷，均为道路工人巡检过程发现，具体的地下塌陷范围不详。为保证通车正常，几处塌陷均采用了道砟充填的方式应急处理。

1 GPR技术原理及测线布置

探地雷达信号是电磁波，以波的形式通过物质内部。构成材料的土壤、岩石、混凝土通常是由多种成分混合而成，被认为是有损耗的介质。路基土壤中含有矿物颗粒、空气、水以及生物，其中的电荷迁移率是可变的，但由于受到限制从而会产生极化行为，定义了整体物质的介电性能和电导率。道砟底面裂损时，空隙里含有空气或水，而空气、水与基床土、地基土、基岩的介电常数存在较大的差异［5］。GPR 系统通常在0.01 ～ 2 GHz 频率内工作。在0.01 ～ 0.1 GHz 内的GPR 天线适合于对几十米深度的地下物体进行成像；在0.1～1 GHz 内的GPR 天线适用于道路与铁路的路基的检测；1～2 GHz内的GPR天线适用于隧道衬砌和建筑结构的厘米级的评估。

本次检测区段为上下行线共线，在铁路沿线左右砟肩及道心各布置了1 条测线，路肩布置1 条测线，共布置8条测线。

2 GPR数据处理与解释

GPR 数据是通过脉冲电磁波的反射回波得到的，由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对电磁波不同程度的吸收和反射，以及介质的不均匀性等因素，使得GPR 脉冲返回接收天线时波幅减少，反射波波形也与发射波形有较大变化。此外，不同程度的干扰波和随机噪声也会降低实测数据的信噪比。因此，通过压制干扰突出有用信号来改善数据质量，为最终异常缺陷的解释提供清晰的探地雷达图像。本次GPR 数据采用专业的探地雷达处理分析系统软件进行资料处理、分析和解释。数据流程为：数据输入→删除坏道→标记分割→背景滤波→带通滤波→增益→时深转换→图形编辑→输出剖面图。

探地雷达反射波反射系数的大小由相应介质相对介电常数的差异决定。介电常数的差异越大反射系数越大，探测效果越好。

根据探地雷达图像中反射波的强弱、波形等特征判断地下空洞、不密实、含水区域等情况。当路基完好时，在GPR 图像上基床顶反射面信号较强、同相轴连续；当路基出现空洞时，雷达图像上有明显的绕射波；当路基中有道碴陷槽时，在雷达图像上反射波强烈，与周围具有明显差异，同相轴连续、层次分明；当路基中有溶蚀破碎时，在雷达图像上不仅反射信号较强，而且同向轴不连续，层次错乱；当路基中有节理发育时，在雷达图像上反映为反射信号较强，且同相轴连续、层次分明；当路基含水时，含水区域在雷达图像上反映为反射信号较强，频率较低且连续性强［10］。

3 异常结果分析

3.1 K299+945—K299+961区段检测异常分析

该段区间分别在上行线路肩、上行线道心、上行线左右砟肩以及下行线路肩、下行线道心、下行线左右砟肩布设了测线。上行线涵洞里程为K299+946—K299+954，下行线涵洞里程为K299+952—K299+960。上行线右砟肩里程K299+945—K299+961 雷达剖面见图1。可知，道砟厚度约为0.7 cm，K299+956—K299+957 范围深度1.1 m 位置出现雷达波形结构较为杂乱、不规则，反射信号能量有变化，同相轴不连续，推测路基本体可能出现不密实情况。K299+945—K299+961 下行线路肩雷达剖面见图2。可知，涵洞下方深度在30 cm 开始，同相轴从小里程到大里程方向下沉，是由涵洞基础质量较差导致的。K299+945—K299+961下行线右砟肩雷达剖面见图3。可知，涵洞两侧K299+950 及K299+956 位置深度同相轴在70 cm 出现严重下沉，下沉量达60 cm。主要由于季节性降雨较大且土质不良的因素严重影响了路基的质量与稳定性。

图1 K299+945—K299+961上行线右砟肩GPR剖面

图2 K299+945—K299+961下行线路肩GPR剖面

图3 K299+945—K299+961下行线右砟肩GPR剖面

3.2 K307+272—K307+291区段检测异常分析

该段区间在上行线路肩布设了1 条测线，上行线涵洞里程为K307+280—K307+285。K307+272—K307+291上行线路肩雷达剖面见图4。可知，道砟厚度约为0.7 cm，上行线涵洞两侧路涵连接处K307+280及K307+285位置同相轴断裂，原因为涵背回填土压实质量较差，随着列车反复荷载作用，路基越来越软，填料在雨水作用下被冲走，出现空洞。

3.3 K324+260—K324+280区段检测异常分析

该段区间在下行线道心、下行线左右砟肩、下行线路肩以及上行线路肩共布设了5条测线。

K324+260—K324+280 下行线路肩雷达剖面见图5。可知，下行线路肩里程从K324+268开始同相轴下沉明显，向小里程方向浅部与深部均出现不均匀沉降现象，K324+264 为下沉最大位置，推测K324+270位置路基土向K324+264 位置流失，从而导致出现路基塌陷现象。

图5 K324+260—K324+280下行线路肩GPR剖面

3.4 K325+011—K325+051区段检测异常分析

该段区间在上行线道心以及左右砟肩共布设了3条测线。K325+011—K325+051 上行线左砟肩雷达剖面见图6。可知，道砟厚度约为0.7 cm，上行线线路中心里程K325+042 深度1.2 m 位置出现雷达反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化出现明显异常，边界伴随绕射现象，疑似为黄土陷穴。

图6 K325+011—K325+051上行线左砟肩GPR剖面

4 结语

此次检测四个区段，道砟厚度普遍在0.6～0.7 m；K299+945—K299+961 路涵连接处出现严重下沉，涵洞基础质量较差；K307+272—K307+291 路涵连接处出现肉眼可见的空洞，与回填土压实质量较差有关；K324+260—K324+280 下行线路肩浅部与深部出现不均匀沉降，推测K324+270位置路基土向K324+264位置流失，导致路基塌陷；K325+011—K325+051 区段上行线路中心里程K325+042 下方疑似有黄土陷穴。GPR 技术在北同蒲线路基塌陷抢险中发挥了重要作用，该技术在路基病害快速检测探测方面的应用前景广阔。