王晨飞
呼和浩特建设工程质量监督站 内蒙古呼和浩特 010010
摘要：铁路框架箱桥在建设中或建成后，都需要对箱桥混凝土边墙后路基密实度进行检测。传统的检测方法是在建设过程中分层碾压后检测，而箱桥边墙后路基填土不易由大型机械压实，只能采用小型机械进行碾压，碾压不充分常有不密实甚至空洞等情况发生。为消除铁路运输安全隐患，应用地质雷达法，通过正确布置雷达测线，可以准确判断边墙后路基是否存在不密实或空洞等病害，为消除铁路框架箱桥边墙工程回填土质量病害整治工作提供强有力的技术依据。
关键词：地质雷达；框架箱桥；边墙；雷达图谱
1地质雷达检测原理及信号传播机理
1.1检测原理
地质雷达是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种探测方法，当电磁波信号遇到不同的介质界面时产生反射和透射，天线接收到反射回的电磁波信号，根据反射信号到达时间、振幅强度等参数推断出目标物体的位置、结构、形态等形成雷达图谱资料，再应用雷达图谱分析软件进行处理分析后，确定出铁路框架箱桥边墙背后回填土的密实度及空洞位置。
1.2雷达电磁波信号的成像机理
铁路路基由于沿线路纵向、横向材质是均匀的。其地质雷达检测到的雷达图谱特征也应该是基本相同，即雷达图谱同相轴应该是连续、均匀、无突变。当边墙后路基回填土不密实，甚至出现空洞病害时，雷达电磁波信号将会在路基空洞的界面发生变异，病害特征将在雷达图谱上得到显现，通过滤波，反褶积、希尔伯特变换、数据编辑、偏移、地形校正、比例调节、分层解释[3]等步骤分析后，从中可以提取出病害类型、位置、范围、严重程度等信息。
1.3电磁波信号在高导电率材料中的衰减机理
在工程介质中因为有传导电流能量损失，电场与磁场的相位不再同步，磁场落后于电场一个相位，电导率越高，落后的相位越大。衰减常数与电导率成正比。尤其是在金属导体中，电磁波几乎不能传播，它把电磁波的能量几乎全部反射回来，反射系数接近1，反射极强。
2仪器设备及检测方法
2.1仪器设备
仪器采用美国GSSI公司生产的SIR-3000型便携式探地雷达、100MHz和400MHz普通屏蔽天线。100MHz普通屏蔽天线理论检测深度值约10m，400MHz普通屏蔽天线理论检测深度值约3m。采样时窗,400MHz普通屏蔽天线一般设计为25ns～60ns，100MHz普通屏蔽天线为60ns～120ns。
2.2检测方法
本次研究主要从雷达检测测线设计、天线选择、参数设定、检测原理分析、图谱分析、电池波信号影响等方面进行分析和研究，达到准确检测铁路框架箱桥边墙后路基是否存在空洞或不密实等情况的目的。
3工程检测实例
3.1案例一
京包线某框架箱桥后路基空洞检测。工程现场情况为：现场边墙后路基下沉严重，对现场进行了开挖，开挖后发现箱桥边墙后存在一长5m×宽1.2m×高2m的空洞，应用地质雷达法对其边墙后路基空洞进行检测。检测仪器为GSSI探地雷达SIR-3000主机和400MHz普通屏蔽天线，本次雷达法检测测线的设计，雷达测线均匀设计在框架箱桥的混凝土边墙上，从边墙南侧到北侧紧贴边墙面水平向前推进，中间不间断一次性测完为一整条雷达测线，对应一道雷达图谱。
针对此案例，根据地质雷达检测原理及雷达电磁波信号传播机理，查看了该框架箱桥边墙混凝土设计图纸，从设计图纸中得知，该混凝土边墙中配有4排纵向钢筋及水平钢筋，其中直径为16mm的两排钢筋分布于路基土一侧边墙中，直径22mm和8mm的两排钢筋分布于框架箱桥洞内侧边墙中。加上水平分布钢筋，该箱桥混凝土边墙中钢筋配筋率密度较高，导电率很高，信号衰减大，不能形成有效的空洞病害雷达图谱，所以案例一检测中未能检测出框架箱桥边墙后路基空洞。
为了进一步深入分析，从边墙检测中采集到的雷达图谱中截取了一道电磁波。雷达初始信号值设置为90ns（1ns约等于10cm，90ns往返后相当于检测的有效深度为4米），在对信号波分析时发现，雷达信号从11.85ns时进入混凝土边墙表面，此时信号最强。之后，雷达信号逐渐衰弱，到47.03ns时，雷达信号开始失效。雷达图谱真正的有效记录长度为1/2（47.03－11.85）＝17.59ns，即探测深度为1.7米。除去0.95米混凝土墙，还能探测0.75米，而边墙后空洞约1.2米宽，有效信号未能到达空洞界面，电磁波不能形成回波，无法从雷达图谱上获取有效信号来判别空洞缺陷。
通过对案例一分析后得知，雷达测线设计不合理，混凝土边墙中配筋率密度较高时，不宜在边墙上布置雷达测线；因为高导电率的配筋对雷达电磁波信号形成屏蔽墙，雷达信号在穿过高配筋混凝土墙体时发生大幅衰减，无法获得有效信号来判别空洞缺陷。
3.2案例二
呼准复线某框架箱桥（检测时为在建工程）边墙后路基填土空洞检测。为了更加深入研究，明确案例一影响成因，人为模拟案例一框架箱桥现场条件，在边墙处设置了类似于案例一的空洞病害，模拟空洞长3.1m×宽1.1m×高2.2m，与案例一框架箱桥空洞在位置和形状上基本吻合。空洞上方加盖模板，之后在木板上覆盖300mm厚回填土，应用雷达法进行检测。使用仪器为GSSI探地雷达SIR-3000主机、100MHz和400MHz普通屏蔽天线，100MHz普通屏蔽天线采样时窗设置为120ns，400MHz普通屏蔽天线采样时窗设置为60ns。雷达测线分别设置在箱桥边墙上和路基顶面处。边墙雷达测线设计：雷达测线均匀设计在框架箱桥的混凝土边墙上，从边墙东侧到西侧紧贴边墙面水平向前推进，中间不间断一次性测完为一整条雷达测线，对应一道雷达图谱，其次是从边墙顶面到边墙低面每隔0.5米，设置1条测线，从上到下一共设置了4条测线。路基顶面雷达测线设计：雷达测线布置在空洞正上方，由东向西设计2道测线，空洞中心线由东向西设计一道测线，离框架箱桥边墙0.3m处设置一道测线。
通过对雷达图谱分析，发现从边墙施测时，用100MHz和400MHz天线测出的雷达图谱同相轴连续、均匀、无突变，未检出边墙后有空洞，通过查阅图纸，得知案例二中混凝土边墙中配筋率较高，同样形成了高导电率的金属屏蔽墙，产生了屏蔽效应，雷达发射的电磁波被大量吸收和反射，雷达回波信号受到强烈干扰，大幅衰减，不能形成有效空洞信号，因此从边墙布置测线时未检出边墙后空洞。从路基顶面施测时，用100MHz和400MHz天线测出的雷达图谱均出现明显突变情况，突变位置为实际空洞位置，检测出了边墙后有空洞病害。
同样截取案例二中，测线设置在箱桥边墙上所得图谱中具有代表性的一道电磁波进行分析，发现与案例一检测结果一样，有效雷达信号同样发生大幅衰减，不能形成空洞回波，无法从雷达图谱上获取有效信号来判别空洞缺陷。
4 结论
（1）箱桥两侧混凝土边墙构成高导电率的金属屏蔽墙时，雷达发射的电磁波信号将被大量吸收和反射，箱桥边墙后的路基病害反射的雷达回波信号会受到强烈干扰，大幅衰减，无法获得有效信号来判别空洞等缺陷。
（2）应用雷达法检测混凝土边墙后路基空洞时，雷达测线宜布置在路基顶面或路基砟肩处。
（3）对在建或已完成的铁路隧道工程，在不破坏隧道混凝土衬砌结构的前提下，应用地质雷达检测技术可以快速、高效、科学的判断出铁路隧道病害。
参考文献
［1］曾昭发，刘四新，冯晅等编著，探地雷达原理与应用，2010。
［2］高阳，张庆松，原小帅，等．地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用［J］．山东大学学报(工学版)，2009。
［3］白冰，周健．探地雷达测试技术发展概况及其应用现状［J］．岩石力学与工程学报，2001。