地质雷达在铁路路基中的应用及其数据分析研究

摘 要：地质雷达技术因其快速、准确、无损等优点，近年在我国高速公路和铁路领域得到广泛运用。本文简要介绍了地质雷达的原理，闡述了地质雷达在铁路路基压实效果无损检测中的应用情况，通过对地质雷达现场典型谱图分析研究，得出利用地质雷达检测路基压实质量的分析方法与技术。

关键词：地质雷达；铁路路基；检测；地质雷达图谱

The Application of GPR in Railway Earh Structure Engineering and Research on Data Analysis of GPR

DENG Guo-bing

（Construction Company of China Railway No.8 Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu611731，China ）

Abstract：Because of its fast， accurate， non-destructive and other advantages， GPR has been widely used in the field of highway and railway in China in recent years.This paper briefly introduces the principle of GPR ， expounds the application of GPR in non-destructive testing of the compaction effect of railway earh structure engineering， and through the analysis and research on the typical spectrum of GPR ， obtains the analysis method and technology of detecting the compaction quality of earh structure engineering by using GPR .

Key words：GPR，Railway earh structure engineering，Testing，Geological radar map

前言

路基工程是铁路建设的关键工程之一，路基压实质量是保障铁路平稳性以及运营安全性的关键控制因素。无论是铁路的基床表层、基床底层和路堤本体，还是公路的路基、基层、底基层以及面层都对压实系数均有严格的要求，为保证路基具有承载满足一定静动荷载的能力，使路基沉降量满足设计规范要求，铁路线具有良好的路基填筑质量是必不可少的安全控制要求。随着高速铁路建设的发展，铁路运行速度的提高，对路基压实质量提出了更高的要求。传统的检测路基方法一般采用局部检测结果代替整体路基压实质量，具有局限性，检测过程易受天气环境影响，操作费力、费时，检测周期长。利用地质雷达法检测铁路路基，是一种快速、简便、无损的检测方法，实践证明，此项技术能满足工程质量检测的实际要求。

1.检测原理

地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探仪器，技术上属于电磁波法的范畴，它是一种新型的使用天线发射高频无线电波来探测地下介质结构和埋于地下目标结构物的无损方法。

地质雷达由发射天线、接收天线、信号接收系统和处理系统组成。地质雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体（面）时，产生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。在微机中对信号依照幅度大小进行分析处理，并以彩图或灰度图和电磁波形图的方式显示出来，以此判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。

2.检测参数设置

在进行地质雷达探测任务前，都需要对探测环境以及探测目标体特性进行初步的了解和剖析。探测参数的选择也关系到探测的效果，探测参数包含天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射及接受天线间距。测试前必须设置好参数，以期达到最好的检测效果。

2.1 地质雷达天线中心频率选择

根据需要检测路基厚度及检测要求选择合适频率的天线。频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高，精度较高，能量衰减较快，探测深度较浅；频率低的天线发射雷达波主频低、分辨率低，精度较低，能量衰减较慢，探测深度较深。

天线中心频率要综合考虑空间分辨率、非均匀体干扰以及探测深度后进行选择。分析每一个因素后都会得出一个中心频率计算公式。

a） 在满足分辨率且场地条件下，应尽量使用较低的中心频率天线：

式中： —天线中心频率（MHz）；x—空间分辨率（m）；εr —围岩相对介电常数。

b） 在现场检测时，多受到非均匀体的干扰，频率越高时干扰程度越大，适当降低频率，可提高较大目标体的响应，减少非均匀体干扰。此时，天线中心频率应满足：

式中：△L —非均匀体尺寸（m）。

c） 在考虑探测深度时，天线中心频率为：

式中：D—探测深度（m）。

2.2 地质雷达时窗选择

时窗的大小主要由最大探测深度和介质层电磁波速度决定，则时窗W计算公式如下：

式中：hmax —最大探测深度（m）；v —介质层电磁波波速（m/ns）；

为给介质层速度和目标深度的变化留出余量，时窗的选值在上式的基础上增加30%。

2.3 地质雷达采样率选择

采样率指记录反射波采样点之间的时间间隔。采样率由奈奎斯特采样定律控制，即采样率至少应到达记录的反射波中最高頻率的2倍，当天线中心频率为f（MHz）时，采样率△t为：

2.4 地质雷达测量点距选择

在离散测量时，测点点距选择由天线中心频率与地下介质的介电特性所决定。为保证介质的响应在空间上不重叠，也遵循奈奎斯特定律，采样间隔nx（m）：

2.5 地质雷达天线间距选择

适当选取发射和接受天线的距离，可使分离式天线接收到的目标体回波信号增强。天线间距S：

式中：Dmax —为目标体最大深度。

3.地质雷达现场检测

实施地质雷达检测前应对仪器设备进行检查，性能正常方可使用。检测过程中作好现场记录，对能干扰采集图谱的物体做好详细描述，例如检测车的金属平台、压路机等路基施工机具，及其与发射天线的距离。检测中雷达天线始终与检测面贴合密实，天线沿检测线方向的移动速度一般取5～8km/h。

4.地质雷达数据分析处理与图谱识别

通过对实测连续地质雷达图像的分析，可以得出路基土体分布性质，进而得到路基在碾压填筑后的质量情况。对地质雷达图像进行分析时，首先要对原始图谱消除干扰数据，干扰数据主要来自地形的干扰、天线上方物体的干扰以及天线耦合差的干扰等。然后编辑数据块、距离归一化、颜色表的选择、背景消除、区标记与里程的确定以及区域增益等等。

本文重点研究了铁路路基中常见的无缺陷区域、不密实区域、空洞区域、大块石区域、软弱夹层区域以、细颗粒区域以及粗颗粒区域等不同类型图谱及电磁波的传播特征，给出各种类型地质雷达图谱的识别技术与判定标准。

4.1 无缺陷区域地质雷达图谱的识别技术

在无缺陷区域扫描的地质雷达深度剖面图如图1所示，经分析总结，该无缺陷区地质雷达特征为：雷达波的同相轴连续，相对平整，波宽振幅变化较小，反射波能量比较均匀，反射波层分布较为分明清晰，反映了压实土层较为密实，成层填筑效果较好。

4.2 大块石区域地质雷达图谱的识别技术

在大块石区域扫描的地质雷达深度剖面图如图2所示，经分析总结，该无大块石区地质雷达特征为：雷达波呈现出双曲线反射弧特征，因为大块石和周围填料介质电性差异较大，该区域的反射比较强烈，反射波振幅较大。大块石缺陷与空洞缺陷在波形图中有着显著的区别：当电磁波途径空洞缺陷，波形振相成为反向，而大块石缺陷的波形振相没有反向，仅是波幅变大。

4.3 细颗粒区域地质雷达图谱的识别技术

在细颗粒区域扫描的地质雷达深度剖面图如图3所示，经分析总结，该细颗粒区地质雷达特征为：雷达深度剖面图中有明显的反射界面，反射波呈现团块状。

4.4 空洞区域地质雷达图谱的识别技术

在空洞区域扫描的地质雷达深度剖面图如图4所示，经分析总结，该空洞异常区地质雷达特征为：雷达波呈现双曲线波形特征，且双曲线顶部能量比较多，反射比较强烈，电磁波反射遇到空洞后出现强反射，波形变得杂乱，并出现相位相反的情况。

4.5 粗颗粒区域地质雷达图谱的识别技术

在粗颗粒区域扫描的地质雷达深度剖面图如图5所示，经分析总结，该粗颗粒区地质雷达特征为：该异常区的粗颗粒与路基填料较为相近，因此在雷达剖面图中没有明显的异常反射现象。

4.6软弱夹层区域地质雷达图谱的识别技术

在软弱夹层区域扫描的地质雷达深度剖面图如图6所示，经分析总结，该软弱夹层区地质雷达特征为：雷达波反射强烈，与正常填筑层界面清晰，反射波并没严重的错乱、间断现象，因反射强烈，反射波显得较为突出；电磁波在软弱层中被吸收严重，电磁波衰减程度较大，下部反射能量被严重削减，所以雷达图像中软弱夹层下部分辨率下降，比较模糊。

4.7 不密实区域地质雷达图谱的识别技术

通过分析该区域地质雷达深度剖面灰度图和电磁波波形图，该不密实区地质雷达特征为：雷达反射波同相轴错乱，出现间断，而且有很多分支且无规则，该区域的波宽变窄，出现了错乱的团块状或条带状雷达波反射，反射也较为强烈。电磁波反射在遇到不密实区反射突然变得强烈，振幅变大。

5结语

通过地质雷达在铁路路基检测的应用与分析研究，有以下几点体会：

1、地质雷达技术是一种快速、精确和安全无损的检测技术，它可以对铁路路基施工质量做出精确、客观的评价，在工程建设中具有广阔的应用前景。

2、根据检测的目标体选择合适的天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射及接受天线间距等技术参数至关重要，相关参数的设置准确与否将直接影响原始数据，并且能在数据分析判定中减少误差。

3、地质雷达检测能够准确识别铁路路基填筑中的各种缺陷（如：不密实、空洞、粗细颗粒堆积、软弱夹层等），将为现场施工把好质量关。

4、本文初步给出了7类铁路路基典型缺陷的地质雷达图谱识别技术，其他情况下地质雷达图像的解析与判定，仍需积累大量的实践经验。

作者简介：

邓国兵（1979-），男，广西桂林人。高级工程师，本科，主要从事工程试验研究与测试工作。