引言：

探地雷达是利用电磁波对地面进行探测的一种仪器，它能在不对地面造成损害的前提下，探测出地下物质的位置、形状、尺寸、深度等。由于其操作简单，效率高，可以进行大范围的连续探测，因此在水文地质，矿山勘探，公路铁路等领域有着广泛的应用前景。在建筑、市政等诸多领域得到了广泛的应用。

1探地雷达概述

1.1原理

探地雷达技术本质为一种高频电磁波的发射与接收技术，利用发射天线向目标介质体发射不同频率的电磁波，反射回来的电磁波被接收天线接收，从而探明目标体结构。不同的介质具有差异的电磁性质，即具有差异的介电常数，这决定了电磁波在不同介质中的传播速度不同。在电磁波在介质中传播的过程中，当遇到具有电差异的介质（如裂纹、非致密区域、空隙、不同材料等）时，会发生反射。处理分析接收到的电磁波，基于波形、强度和双向传播时间等参数来推断介质的空间位置、结构、电特性和几何形状^[1]。一般自然界中每种物质的电磁特性是不同的，即使同一种物质由于其含水量和颗粒孔隙度而具有不同的电磁反射特性。电磁波在地下介质中传播时，会出现连续的反射和透射现象，这取决于目标介质与周围介质的介电属性的差异；同时伴随着不同程度的衰减，它通过波形的特征反映出来。在电磁波“发射－发射－接收”的整个过程中，地下介质可以看作是一组复杂的滤波器。滤波后，发射的电磁波会出现振幅变化、频率下降、相位变化和反射时间变化。最后，通过解释和判断这些反射波形的运动学和动力学特征，可以推断目标物体并建立地下物质的结构模型。探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探测雷达剖面图。根据地质雷达剖面图，排除干扰波的影响，判断和解释目标物体的各种信息，是探地雷达技术的核心工作。

1.2铁路路基的地球物理特征

铁路路基是一种表面为道砟、下层为基床的多层人工填料堆砌而成的结构形式。各层材料的介电常数有差别，其主要特征是波阻抗的不同。路基中存在病害时，其介质均质度发生变化，电磁波在传输过程中遭遇不同介质分界面时，将会出现反射波。给出了地质物理学的先决条件。

1.3仪器设备

车载探地雷达系统主要包括：1台雷达主机，3块400兆赫屏蔽天线；信号显示器，视频记录器，测距仪，信号传送线等。当系统开始工作时，由测距机按照设定的时间间隔向雷达发射脉冲，同时接收路基构造层反射回的雷达波，采集器将其记录下来；该显示系统将检测到的回波作为雷达图象进行实时显示，由此可以得到不同层次的路基状况。

2铁路路基病害的主要类型

2.1翻浆冒泥

目前，路基表面的翻浆冒泥病害多发生于路基表层土体中，且颗粒含量较高。在这种地质条件下，由于列车的作用，土将发生软化和液化，最后形成淤泥。在这种情况下，当列车从枕木上经过时，泥土就会沿着道砟缝隙向上移动，造成道砟污垢、板结等情况，甚至会使道砟下降，失去应有的弹性，从而影响行车的安全和可靠性。

2.2下沉

在铁路的工程建设中，有时候会因为工作人员的忽视而忽略了土壤的密度、土壤的松散度，在铁路通车后，列车的行驶会对路基产生挤压的情况；造成了局部或大范围的变形，然后被雨水一冲，就会下陷。一般来说，该情况的发生会引起施工场地地表的起伏，从而影响行车安全。

2.3挤出变形

已有研究表明：高铁路基土为一种“软塑”状态，在列车荷载下将产生不同程度的剪切损伤，进而引发外部挤压变形。同时，外部挤压现象的发生，也表明了铁路路基在运营期间的强度不高，这对铁路的正常运营和相应的利益都是不利的。

2.4边坡滑坍

路基土质边坡表面因长期处于湿润状态，易发生水分饱和，从而引起坡体稳定性降低，并产生滑坡等灾害。边坡滑塌一般不会对路基的稳定造成影响。

2.5边坡冲刷

所谓边坡冲刷，就是由于路基周围的土质路堑长时间受到风、水的侵蚀，从而使其稳定性逐渐下降。这种情况的发生，将对我国轨道交通行业的发展造成更大的阻碍。根据边坡的特性，边坡冲刷分为坡面冲刷和坡面冲刷两种主要形式。

2.6陷穴

作是一种常见的路基病害，其发生后常使线路处于悬浮状态，造成行车中断，严重时甚至发生倾覆。给社会带来了巨大的经济损失和消极影响。一般来说，陷坑的产生有两种类型：第一种是由地质条件引起的。二是人为原因。

2.7滑坡

所谓滑坡，就是在铁路施工过程中，因地基的稳定性下降，从而引起路基内各种土层的滑移，从而引发大范围的滑坡。一般来说，当山体滑坡发生时，会造成轨道交通的中断。目前，滑坡灾害有三种类型，即边坡滑动、路基滑移和滑坡。

2.8水浸路基

水浸路基是指在强降水条件下，路基周围的积水深度超出设计水位，从而导致路基被淹没的现象。在这种条件下，由于降雨的作用，路基将产生不同程度的沉陷和塌陷，从而对路基的稳定性产生一定的影响和损伤。

2.9冻害

高纬度湿热地区是铁路路基病害的多发部位。该区域低温、土壤含水量高，易产生冻胀，引起路基开裂等病害，对有关利益的获取不利^[2]。根据对铁路路基病害的种类进行了归纳和分析，得出结论：虽然我国的铁路路基在运营期间，病害的表现形式很多，但归纳起来，主要是由于土壤质量差、压实度不够、排水不畅等因素造成的。

3基于探地雷达的铁路路基病害检测应用

3.1数据集建立

基于电磁波在有耗媒质中的传输特性，车载雷达通过天线将高频、宽带的短脉冲电磁波发射到路基上。铁路路基采用级配碎石，空气，路基土；由非均质媒质如水组成，各媒质间的介电特性差异较大。病害路基在含水率、形貌等方面与正常路基有较大差异，并伴随着接触面的混合，从而改变了路基深层结构的介电特性。当电磁波与介质介质有一定的接触时，会产生反射与透射现象，而被反射的电磁波则是由雷达接收天线所接收。在此基础上，传输的电磁波将在路基内部继续传输，并在遇到具有不同介质特性的介质时，将产生反射与透射现象。地面接收天线只需连续接收反射波就能得到一条雷达资料，而车载雷达在沿测线运动过程中，则可以将多条雷达资料进行合并，得到一幅完整的雷达剖面^[3]。利用车载地质雷达对铁路路基进行野外勘测，得到了路基B-scan断面的灰度图像。铁路路基结构复杂，各种病害形态、大小不一，要想准确地辨识出这些病害，就必须依靠经验丰富的专业人员。经专家判读后，对雷达资料作了说明，指出了两种病害：翻浆冒泥、路基下陷。对一些即使是专家也不能正确判定的线路，则把它从数据集中剔除。在此基础上，采用专家评判和手工标注的方法，建立了一套铁路路基病害数据库，共403幅，包括翻浆、冒泥261幅；在279个路基沉降点，抽样总数少于所有其他项目总和，因为一份铁路路基病害分布图中可能包含多种病害^[4]。在图像判释方面，当洞内有大型空腔时，电磁波在衬里界面处将产生强烈的反射信号，其瞬时相位、瞬时幅值和瞬时频率都发生显著变化，洞底仍然存在着强烈的反射界面，相继到达的两套信号之间的时差差异很大。

3.2数据采集

在现场检查时，将天线悬吊固定于随检车的底座上，使其与轨道上表面保持一定的间距，实现了对路基的快速、连续测量。利用测距（或多普勒）的脉冲触发方式进行数据采集，在采集的过程中，每30公里就会一次更换一次名字。每一次采集档案都要打上4-5个标签，在接近整个里程的时候都要标记，并做好工地的记录^[5]。同时，要对探测期间气象条件进行详细的记录，尤其是与降雨天气相关的里程段，为后续资料的预处理、里程的初步修正、资料的判读、资料的备份等工作提供了依据。

3.3测线布置

在测试过程中，在线路中央和枕木的两端设置一条线（与同一条横截面上的三台雷达屏蔽天线相对应），并由左到右测线按左、道、右三条方向排列。

3.4采集参数

在检测过程中，采用了轨道探测专用的400MHz屏蔽天线，取样时间窗口65ns,A/D变换16比特，取样点512，道间距0.113米。测距车轮（或者多普勒）以120公里/小时的最大速度启动。

3.5地质雷达探测数据分析和处理

对检测后的路面病害进行分析与处理，就是对路面上的弱有效反射信号进行采集与提取，并从中提取出有价值的信息^[6]。该方法的基本原理是：在有干扰的情况下，利用高频电磁场的衰减特性，实现对病害的有效检测。在对雷达资料的处理中，对信号进行了数字滤波，剔除了干扰波，突出了有效波，增加了信噪比。

结束语：

总之，地质雷达是一种适合于铁路路基探测的方法。根据行业标准对其进行测试评价，提出了利用地质勘测、探地雷达等方法进行路基安全性评价的方法。针对铁路路基病害，采用探地雷达将电磁波发送到路面下进行探测。

参考文献：

[1]徐海林.公路路基检测中探地雷达的应用及病害处治措施研究[J].交通世界,2023,(Z1):95-97.

[2]宗志刚.地质雷达在加筋土路基病害检测中的应用[J].科学技术创新,2022,(25):98-101.

[3]李长生,杜翠,刘杰,张千里.基于探地雷达的路桥过渡段病害检测识别方法[J].铁道建筑,2022,62(08):19-22.

[4]李耀南,王可刚,刘军,刘恒柏,瞿起明,郑金涛.地质雷达属性分析技术在路基检测中的应用[J].铁路技术创新,2021,(06):56-60.

[5]徐昕军,江波,黄启迪.基于CascadeR-CNN的铁路路基翻浆冒泥病害智能识别方法[J].铁道建筑,2019,59(12):99-104.

[6]陶智亮,熊洪强,昝月稳.既有线路基病害车载GPR检测数据的处理方法[J].高速铁路技术,2018,9(02):14-18.