重载铁路既有线路基病害探地雷达无损检测方法

2022-09-11

1、前言

重载铁路以朔黄铁路为例, 其所处的山形和地势复杂, 且负责由西向东输送煤炭资源的任务, 还担任着国家干线铁路、电气化重载铁路的角色。近几年, 由于重载铁路的运输需求量急剧增加, 加上雨水增多和排水不畅, 以及本来的路基填土质量水平不高或施工工艺不足等, 路基病害开始显现和加重, 如路桥过渡段填土不均匀沉降、路基沉降变形等等, 给重载铁路的正常运行和安全带来巨大隐患。对此, 我们必须采取有效的、无损的检测方法进行病害及严重程度检测, 再针对性进行修护。

2、探测实验原理与方案

铁路路基的结构由上到下, 依次为道砟层、基床填土、地基土等。水平方向, 一般材质均匀, 因此, 雷达图像特征统一。但竖直方向, 不同的结构层, 具有明显的介电常数差异, 雷达波不同, 且在分界面的反射作用较强。据此, 雷达的剖面图可反映深度的路基结构、介质分界面及缺陷, 有利于发现路基病害及其特征, 便于技术人员采取预防措施、修护措施。

探地雷达检测技术, 是近几年发展起来的, 具有高效和无损的特点。它的原理在于利用高频电磁波在具有差异的介电常数的介质界面中传播时, 会产生反射现象。其发射天线以脉冲发射电磁波, 在向下传播过程中, 如遇不同电性的介质, 产生反射并由接收电线接收。此时, 雷达主机屏幕会反映整个过程的信号, 反映其波形、幅度、图谱等特征。[1]方便技术人员分析, 并推测出地下地质条件、异常规模、位置区域等。

3、常见路基病害及雷达判识特征

路基病害除了由于自身的填料强度不足、地质条件较差以外, 还可能受到多方因素影响, 如排水能力较弱、运输频率过高、运量大幅增加等。路基病害也可分为多种类型, 以下主要介绍四种常见路基病害及其雷达判识特征。

3.1 路基下沉

造成路基下沉的原因主要在于局部含水量过多。在线路投入使用后, 如果出现雨水量急剧增加, 而排水能力不能满足路基排水需求时, 很容易导致基床土层吸水渗水过多, 含水率剧增。从而导致土层受到水的侵蚀、浸泡和软化, 将其稀释并呈现泥浆状态, 大大降低局部或某一段线路的承载力。再加上列车的持续运作和动荷载作用, 进一步导致受荷部位基床被破坏和产生下沉。而在下沉后, 极易导致路基填料的混杂, 如砟石、沙、土等, 产生混合且介电常数发生变化, 形成与周围介质较大差异的介电常数, 容易被雷达检测出来。所以, 路基下沉的雷达图像反射波一般呈现杂乱无序、同相轴高低不一的形态。[2]

3.2 道砟陷槽

道砟陷槽是指由于列车通过, 其载荷作用使道床石砟被压入和陷入路基基面, 导致路基中介质混合, 从而导致路基自身结构、界面受到变形和破坏。同时, 由于大量水分存在, 改变了该地段的介电常数, 且与周围介质的差异明显。因此, 雷达剖面呈现紊乱的图像, 其同相轴在道砟部位、基床床面, 表现为不连续或断续的特点。[3]此外, 还有在含水部位, 雷达反射波的能量明显增强。综上, 道砟陷槽的雷达波形不同于路基下沉病害中的同相轴整体下沉, 而是表现为错断的波形

3.3 翻浆冒泥

翻浆冒泥是指由于列车的动载荷作用, 基床土层被软化并形成了泥浆, 从道床道碴的空隙向上涌出、冒出, 最终导致路基变形破坏。[4]具体来说, 由于列车的运行压力和动载荷作用, 路基填料之间产生较多较大的磨损作用。此时, 如果基面被雨水侵蚀软化, 道床的整体排水效果下降时, 容易形成道心积水。一旦有列车通过, 极易造成已经饱和的淤泥被挤压和冒出地面, 持续作用下, 路基填料溢出并导致路基变形。同时, 翻浆冒泥由其发生位置可分为道床翻浆冒泥和基床翻浆冒泥。最后, 从其形成过程可知, 翻浆冒泥会导致路基填料的结构受到不确定性改变, 介质容易出现混杂状态, 且含水量较高。因此, 雷达的上层剖面图像会呈现模糊紊乱, 同相轴杂乱且不连续的特点。[5]

3.4 不均匀沉降

不均匀沉降一般指路桥过渡段填土的不均匀沉降。发生原因一般有两种:一是先前的施工问题。即在对桥头两侧的路桥过渡地段的施工过程中, 由于场地受限、施工次序问题或其他问题, 导致投入使用前, 过渡段的填土均匀度、厚实度不一, 存在不均匀沉降的先天隐患。其次, 就是后天条件。同样, 多由于雨水下渗问题, 主要发生在路基与台背的接合处, 缝隙较大, 雨水下渗严重, 再加上列车运行的压力, 加速和恶化了过渡段的不均匀沉降。对于发生不均匀沉降的路桥过渡段的雷达图像, 一般表现为道碴界面分层明显, 同相轴整体下沉, 越靠近桥台, 沉降量呈现增加趋势。[6]

4、探究发现

4.1探地雷达相比于常规的探究手段, 最主要的特点就在于速度快、精度高, 对于已经规定线路的路基病害有较好的检测前景, 而且采用雷达进行检测也不需要对地面进行破坏钻洞, 占用路线的时间不长, 也可以将破坏降到最低, 对于整条线路的运用起到了较好的维护作用。

4.2路基道床界面处, 利用雷达产生的图像比较清晰联系, 路基下沉出一般会表现为上下起伏的状态;道砟陷槽病害地段, 此处雷达的信号波往往比较混乱, 同相轴一般会出现中断或者连续性不强的现象;翻浆冒泥病害地段, 雷达所显示的图面一般比较混乱复杂, 同相轴杂乱, 在路基受到损害比较严重的地方, 反射波的强度反而会减弱;而在路桥过渡段, 路基整体呈现出一个下降的大趋势, 越靠近桥台处这个趋势就显得越明显。

4.3通过对现场的检测和勘探, 我们发现, 在基床土层内无没有出现结构断层或者严重破坏的问题, 基床土层承载力多数介于185~250k Pa之间, 已经达到了国家标准, 探地雷达检测和轻型动力触探分析结果基本符合, 可以比较好的反应地下实际情况。

5、结束语

综上所述, 路基病害对于重载铁路是一大隐患, 不仅可能对其正常运行产生影响, 还可能影响到列车的安全。对此, 我们必须积极采用无损路基结构的探地雷达检测技术, 对路基结构进行定期、有效检查, 及时发现问题并采取调整和维护方案, 将隐患消除, 最终保证列车的正常运行和经济效益。而针对典型的路基病害, 如路基下沉、道砟陷槽、翻浆冒泥和不均匀沉降等等, 应当积极分析其产生原因和形成过程, 并依据其雷达图像特征, 对其进行深入研究和防范方案的制定, 以此来大大降低路基病害的发生几率, 保障路基结构稳定。

摘要：随着重载铁路的发展, 其铁路线路的路基质量越来越受到广泛关注。然而, 由于施工条件、地质条件、雨水环境、排水条件等等, 重载铁路线路常常出现路基病害, 并导致路基变形破坏严重的情况时有发生。对此, 我们只有应用先进有效技术, 对路基进行定期有效的检查, 并保证不损坏路基结构, 以采取及时调整和维护措施, 防范路基病害的产生和恶化。对此, 文章主要研究了探地雷达无损检测技术的探测实验原理与方案, 以及四种常见的路基病害及其雷达判识特征。

关键词：重载铁路,路基病害,探地雷达,无损检测