李邦旭，劉 亮，孫 坤

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

離縫是板式無砟軌道的主要病害形式之一，主要存在于軌道板、CA砂漿(或自密實混凝土)、底座板與路基結構之間[1-2]。我國高速鐵路自開通運營后，部分板式無砟軌道已經(jīng)出現(xiàn)大量的離縫，嚴重影響高速鐵路行車安全。目前板式無砟軌道離縫傷損的現(xiàn)場檢測維修主要采用目測、鋼尺插入量測和現(xiàn)場揭板的方法。目測及鋼尺插入量測無法檢測中間局部離縫及離縫的準確分布情況，而揭板方法僅適用于在建鐵路，且費用高昂，效率低下，僅能反應該板離縫情況。提出適用于板式無砟軌道離縫傷損的快速、經(jīng)濟的無損檢測技術，對在建鐵路的施工控制和既有線路的病害檢測與維護具有重要的現(xiàn)實意義。

板式無砟軌道離縫無損檢測技術有2方面關鍵技術難點：①檢測手段需穿透無砟軌道板密層鋼筋混凝土結構；②檢測精度要滿足對存在離縫傷損進行判識的要求(離縫寬度在0.5～3.0 mm[3])。

國內許多學者對板式無砟軌道離縫病害的無損檢測方法進行了研究。魏祥龍等提出采用地質雷達法檢測無砟軌道路基病害，并結合具體檢測實例給出地質雷達法檢測的典型圖像[4]；胡志鵬針對無砟軌道CA 砂漿的傷損，建立軌道板-CA砂漿模型，利用有限元軟件對系統(tǒng)進行振動模態(tài)分析，通過計算分析得到軌道板的曲率模態(tài)，并結合高斯曲率確定CA 砂漿的傷損及傷損位置[5]；李軍利用地質雷達對滬寧城際鐵路無砟軌道支撐層底部脫空離縫進行檢測，同時給出了雷達時域剖面圖，并對缺陷注漿前后效果進行對比[6]；姜子清等對CRTSⅡ型板式無砟軌道離縫檢測手段(地質雷達法、超聲波檢測法、沖擊彈性波法)進行了對比研究[3]。但目前針對板式無砟軌道離縫病害的無損檢測技術仍缺少系統(tǒng)的理論及試驗研究。

本文以CRTSⅢ型板式無砟軌道為研究對象，通過等比例試驗模型，采用瞬態(tài)瑞雷面波法、地震映像法、地質雷達法、沖擊回波法4種無損檢測方法進行大量對比試驗研究，分析上述檢測方法針對板式無砟軌道離縫檢測的適用性與影響因素，為該領域研究提供借鑒與經(jīng)驗積累。

1 檢測原理

1.1 瞬態(tài)瑞雷面波法基本原理

由于質點間的慣性和彈性相互作用，慣性力和彈性力使體波產(chǎn)生全反射和干涉作用，并在介質表面和層內傳播，就形成或派生出面波。面波能量占全部激振能量的2/3，因此利用面波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。面波在多層介質中傳播時，瑞雷波沿地表傳播，其穿透深度約為1個波長，不同波長的瑞雷波具有不同的穿透深度，其速度會隨著頻率的不同而有所變化，這種現(xiàn)象稱為面波傳播的頻散。面波的頻散特性是進行面波測試及分析的主要依據(jù)[7]。檢測原理如圖1所示。在瑞雷面波勘探發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)面波法、面波譜分析法和多道瞬態(tài)面波法，本次試驗選取最新的多道瞬態(tài)面波法。

圖1 面波檢測原理示意

1.2 地震映像法基本原理

地震映像法又稱高密度地震勘探和地震多波勘探，是固定偏移距不變且沿剖面采集地震數(shù)據(jù)的一種勘探方法，是基于反射波法中的最佳偏移距技術發(fā)展起來的一種常用淺層地震勘探方法。

地震映像法與反射波地震勘探有明顯區(qū)別，它是一種采用等偏移距進行激發(fā)和接收，記錄來自反射界面近法線反射信號的振幅和走時的淺層地震反射法。在地面布置的測線上安置檢波器，測量波的旅行時間以及與地面各接收點間的位置關系，通過縱波速度計算出地層的埋深。地震映像技術觀測系統(tǒng)如圖2所示。

注：O-震源點; S-檢波點; A-地下界面(R)的反射點圖2 地震映像觀測系統(tǒng)

1.3 地質雷達法基本原理

地質雷達利用發(fā)射天線向目標物體內發(fā)射高頻電磁波，當電磁波到達檢測體中2種不同介質分界面時(如襯砌與圍巖分界面)，上下介質的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射和折射，入射波、反射波和折射波的傳播規(guī)律遵循反射定律。地質雷達探測原理如圖3所示。把野外采集的地質雷達數(shù)據(jù)通過軟件處理，可得到地質雷達時間剖面圖，通過時深轉換可得到深度剖面。圖像再經(jīng)濾波等處理，可使不同反射層面清晰地顯示出來，同時根據(jù)波形特征可分析存在的缺陷和目標物的類型[8]。

圖3 地質雷達探測原理示意

1.4 沖擊回波法基本原理

沖擊回波是由彈性沖擊產(chǎn)生的瞬時應力波。采用鋼球敲擊混凝土表面，產(chǎn)生低頻應力波，該應力波進入結構內部傳播，并在缺陷或其他界面處發(fā)生反射。應力波反射引起的結構表面位移由附近的傳感器記錄下來，產(chǎn)生電壓-時間信號，經(jīng)過傅里葉變換到頻域，得到振幅-頻率圖。頻譜峰值的主頻可以計算結構的厚度或缺陷的深度[9]。沖擊回波法原理如圖4所示。

注： a-偏移距; h-結構厚度圖4 沖擊回波法原理示意

2 試驗測試

采用上述檢測方法對CRTSⅢ型板式無砟軌道進行檢測，根據(jù)無砟軌道結構特點及測試精度要求，現(xiàn)場布線方式如圖5所示，其中沖擊回波法還進行了空板(未澆筑自密實混凝土)測試試驗，檢測方法儀器及參數(shù)設置見表1。

圖5 測線布置示意

檢測方法儀器參數(shù)設置測線號瞬態(tài)瑞雷面波法Geode輕便多道地震采集系統(tǒng)、寬頻速度檢波器采樣間隔20.833μs,采樣長度0.05s;12道檢波器采集,點距0.1m,偏移距0.1m,道間距0.1m20#,22#地震映像法Geode輕便多道地震采集系統(tǒng)、寬頻速度檢波器偏移距0.05m,采樣率20.833μs,記錄長度0.01s1#～4#地質雷達法SIR4000型探地雷達、1.6G天線介電常數(shù)7.9,記錄長度8ns1#～22#沖擊回波法IEI沖擊回波儀、加速度傳感器1#～18#

3 測試結果分析與比對

3.1 瞬態(tài)瑞雷面波法測試結果分析

圖6 瞬態(tài)瑞雷面波頻散譜

對試驗數(shù)據(jù)進行頻散曲線提取，典型頻散譜如圖6 所示，可知，基階面波與高階面波能量較為集中，但不能有效分離，較難提取頻散曲線，且目前多道瞬態(tài)瑞雷面波分析軟件最大計算頻率一般在 3 000 Hz 以內，無法滿足離縫檢測的精度要求，該方法不適用于板式無砟軌道離縫傷損檢測。

3.2 地震映像法測試結果分析

對地震映像數(shù)據(jù)進行處理，得到地震映像法時域剖面彩色密度圖，如圖7所示，可知，地震映像波列同向軸較為連續(xù)，振幅較為一致，視周期較小，表現(xiàn)出較強的一致性，無法對無砟軌道結構層面進行辨識。

圖7 地震映像法時域剖面彩色密度圖

3.3 地質雷達法測試結果分析

對地質雷達數(shù)據(jù)進行文件編輯、歸一化、數(shù)字濾波、能量均衡、時深轉換、圖形編輯等處理后，得到如圖8 所示的雷達時域剖面圖譜。可見，軌道板雙層鋼筋信號反應強烈，能夠清晰辨識，但電磁波能量衰減較快，受到雙層鋼筋信號干擾，軌道板與填充層界面反應較弱，無法有效辨識。

圖8 雷達時域剖面圖譜

3.4 沖擊回波法測試結果分析

3.4.1 震源激震方式

為提高激震頻率，得到穩(wěn)定集中的激震能量，采用多種激震方式進行試驗對比，以篩選最優(yōu)激震方式，具體震源激震試驗參數(shù)見表2。

試驗發(fā)現(xiàn)，采用檢波器觸發(fā)方式無法觸發(fā)。對短路觸發(fā)方式采集的大量數(shù)據(jù)進行頻譜分析，經(jīng)快速傅里葉變換得到頻率-振幅圖，對比分析可得最優(yōu)激震方式為采用17 mm鋼球直接短促敲擊軌道板面，該激震方式所得頻率-振幅圖能量集中，波形穩(wěn)定，且主頻得到極大提高，時域圖直達波振幅明顯，反射信號能夠進行有效分離，各測點波形一致性較好。沖擊回波時域譜和頻域譜如圖9所示。

表2 震源激震對比試驗參數(shù)

圖9 沖擊回波圖譜

圖10 沖擊回波法沖擊響應強度分布曲線

3.4.2 測試結果分析

對測線1#，2#及空板橫向測線計算沖擊響應強度，如圖10所示，可知測線1#和測線2#沖擊響應強度一致性較強，與空板測線沖擊響應強度有顯著區(qū)別。試驗結果表明，在空板沖擊回波測試中，由于軌道板下方未澆筑自密實混凝土，相當于軌道板下方離縫全發(fā)育，空氣和軌道板聲阻抗存在較大差異，當彈性波傳播到離縫區(qū)域時會產(chǎn)生全反射，而沒有離縫的位置反射信號則較微弱，其沖擊響應強度、主頻明顯高于施工完成后軌道板模型，如圖11、圖12所示。此外，首尾測點的沖擊強度明顯高于中間測點的強度，根據(jù)頻譜分析，判斷為邊界效應所致。通過本次CRTSⅢ型板式無砟軌道測試數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計，沖擊回波的邊界效應影響范圍為20～30 cm。

圖11 測線2#典型頻域譜

圖12 空板測線典型頻域譜

4 結論

采用上述4種無損檢測方法對CRTSⅢ型板式無砟軌道離縫進行測試，結果表明：

1)多道瞬態(tài)瑞雷面波法與地震映像法檢測精度難以滿足對板式無砟軌道離縫傷損檢測要求。

2)地質雷達法受軌道板密集鋼筋屏蔽干擾，電磁波能量衰減較快，軌道板與填充層界面反應較弱，無法有效辨識。

3)沖擊回波對介質阻抗差異反應靈敏，當軌道板下方有離縫發(fā)育時，會在軌道板與離縫界面發(fā)生較強反射反應，可以通過沖擊響應強度與主頻來表征，適用于板式無砟軌道離縫傷損檢測。

[1]ESVELD C.Modern Railway Track[M].Zaltbommel:MRT-Production，2001:28-35.

[2]劉少飛.CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫原因分析[J].鐵道建筑，2017,57(4):106-109.

[3]姜子清，施成，趙坪銳.CRTS Ⅱ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢查及傷損限值研究[J]鐵道建筑，2016,56(1):53-58.

[4]魏祥龍，張智慧.高速鐵路無砟軌道主要病害(缺陷)分析與無損檢測[J].鐵道標準設計，2011，55(3):38-40.

[5]胡志鵬.基于模態(tài)曲率和沖擊回波法識別無砟軌道混凝土結構內部傷損[D].成都:西南交通大學，2015.

[6]李軍.地質雷達檢測高鐵無砟軌道支承層底部脫空離縫[J].路橋科技，2015(18)：224-225.

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