探地雷达在南昆铁路挡土墙完整性评价中的应用 王天亮，朱兴权，岳祖润 （石家庄铁道学院土木工程分院，河北石家庄０５００４３） 摘要：介绍了探地雷达技术检测挡土墙完整性的基本原理。并结合工程实际，采用追踪识 别法对所测探地雷达图像进行分析解释。分析结果表明，探地雷达这种无损检测技术能够较准 确的完成挡土墙病害预报任务，包括厚度、含水量、裂缝、空洞等多种病害。 关键词：探地雷达；挡土墙；追踪识别法；无损检测 中图分类号：ＴＵ４７６．４文献标识码：Ａ文章编号：１００６—３２２６（２００６）０２—００９８—０４ １ 引言 铁路挡土墙分为路堑式挡土墙和路堤式挡土墙，其结构组成一般为墙身砌体、反滤层、回填物、岩石 （土）体等四层，厚度介于０．５～３．０ ｉｎ之间。在山区，路堑式挡土墙是铁路线路的主体工程，路堑挡土墙 工程所占比重较大，其对线路质量和行车安全影响也越来越重要。挡土墙因砌筑质量问题和外界条件等 因素的变化，而引发护墙坍塌、路基病害、造成严重威胁运营安全的例子很多，工务检修使用钻孔取样、挖 探破肚等有损检查方法，其速度慢、成本高、操作复杂、效率低、随机性大、损坏墙体和代表性不强，不能全 面反映挡墙的真实情况和难以给出客观、合理评估等缺点，所以人们一直在探寻一种高效、无损的能够对 挡土墙质量进行全面快速的检测方法，使挡土墙工程的隐患和病害能够及时得到治理。地质雷达这一新 的检测手段正是解决这一难题的有效方法。它采用高科技手段，以其高分辨率、高准确率和快速、连续且 高效的无损检测方法得到人们的认可。地质雷达对隧道衬砌质量的检测已被迅速推广和应用，已有一套 完整的检测系统和质量评价标准。但对铁路路堑挡土墙这个领域，鉴于挡土墙构造物自身的特殊性，引 入无损检测方法才刚刚开始。 通过对南昆线（百色段）挡土墙检测的应用，并在工程实践基础上进行了详细、系统分析和经验总结， 现已形成一套针对路基挡土墙质量检测与评估的办法和量化标准，势必将会受到各工程建设和监管单位 的普遍关注和青睐。 ２探地雷达无损检测技术的基本原理 探地雷达是利用发射天线将高超频电磁脉冲波以宽频带短脉冲形式送入结构物内部来检测结构物 介质分布的一种勘探仪器，由发射天线、接收天线、仪器和计算机等四部分组成。高超频电磁脉冲波由发 射天线送入结构物内部，在结构物内部传播的过程中，遇到相对介电常数不同的交界面时，发生反射和透 射，反射回来的脉冲波由接收天线接收，该反射波所携带的界面信息由仪器和计算机接收，并在计算机中 存储每一个测点上的波形序列的振幅及波的旅行时间（ｔ），然后，根据电磁波在介质中的传播速度（ ） 及波的旅行时间，通过公式Ｄ＝ｖｔ／２求出反射界面处的深度，即可确定测点处的墙体厚度和墙体异常情 况。上述是检测单点的结果，若将发射天线沿墙面测线匀速移动，便可获得测线上无数测点相应的波形 序列，形成一整条测线的雷达剖面记录。最后，利用ＲＡＤＡＮ４．０图像分析软件对剖面记录进行分析和比 较，可有效的完成对挡土墙的完整性评价。 在雷达检测过程中，高超频电磁波被近似为均匀平面波，在挡土墙介质中传播时，其传播速度 主要 取决于墙体介质的相对介电常数，即 ＝ 。其中，ｃ＝０．３ ｍ／ｎｓ为电磁波在空气中的传播速度； 为墙体介质的相对介电常数。 ， 同时，电磁波反射信号的强弱与界面的反射系数及穿透介质时对电磁波的吸收能力有关，电磁波在 遇到介质界面时，其反射系数Ⅳ＝（ 一４Ｋ￣／（ ＋ ）。其中， 。和 为两种不同介质的相对 介电常数。 由上述原理可知，电磁波传播速度及在界面处的反射系数主要取决于相对介电常数，两种介质的相 对介电常数差异越大，反射系数越大，反射信号越强，反映在雷达图像上越清晰。挡土墙墙体、背后岩土 体、回填层、水的相对介电常数差异均较大，均满足雷达检测的要求。 ３ 工程实例 南昆线（百色段）铁路挡土墙位于环境恶劣的山区地段，由于挡土墙病害没有得到及时治理，使得一 段挡土墙发生坍塌事故，严重影响了铁路行车安全。因此，快速、高效地完成对该段挡土墙的完整性评估 势在必行。由于探地雷达技术具有高分辨率、高准确率和快速、连续且高效无损的特性，在此次检测中， 为了确保病害预测的准确性，采用以探地雷达技术为主、声波检测技术和局部现场开挖为辅的勘测方法， 从而准确检测挡土墙的病害情况，为铁路部门治理病害提供重要的资料。 本工程中所采用的追踪识别法即结合现场勘察记录，从大量的探地雷达图像中挑选出具有代表性的 雷达图像，即标志性图像，认真分析、解释挡土墙的病害与雷达图像的内在联系，总结出挡土墙的病害在 雷达图像中的反映情况。然后，将这些标志性图像与其它一般性图像进行分析和比较，从而更加有效和 准确地解释一般性图像，最终达到对整个挡土墙的 完整性评价。 ３．１标志性雷达图像 （１）符合完整性条件的探地雷达图像。图１为 符合完整性要求的Ｙ４２０＋１１０断面雷达图像，在声 波检测中该断面的声波完整性系数大于１．０。根据 探地雷达检测挡土墙的基本原理，浆砌片石体与岩 石（土）的分界面在雷达图像上反映为一组图像均 匀、连续性好、能量较强的反射波。这是检测挡土墙 厚度及其背后岩体状态的重要依据。下面对该图像 逐层进行分析： ０．０ ｍ处雷达图像清晰连续，为雷达初始信号与 图１符合完整性条件的雷达图像 墙体表面的耦合层，这是量测挡土墙厚度的起始点。 ０．０～０．７ ｍ范围内为挡土墙砌体在雷达图像 上的反映。判定依据是该区段的反射波波形稳定、 形状规则、呈现比较宽粗的水平层状。且雷达图像 反射界面清晰，与下层的图像差异较大，故可判定 该挡土墙墙体密实，砌筑质量较好。 ０．７ ｍ处的标注线为挡土墙墙体与其背后岩体 的分界线。判定依据是挡土墙砌体密实、砂浆饱 满、粘结良好、整体性好，相对介电常数较小；而其 背后岩体多为强风化层，颗粒均匀、粒径较小、整体 性差，相对介电常数较大。由此可见，两者的相对 介电常数差异较大，反映在雷达图像上是一条较明 显的分界线。背后岩体层的雷达图像显示为多组 图２墙后含水量较高的雷达图像 近似平行、形状规则的短条带。 （２）墙体背后含水量较高的雷达图像。图２为墙体背后含水量较高的Ｙｌｌ２＋３１０断面雷达图像。由 于水的相对介电常数远大于浆砌石墙体和岩土体，反射系数很大。因此，含水较多的岩土体反映在雷达 图像上是很强的反射信号，容易辨别。同时，也可使浆砌片石墙体的含水量较高，具体原因是由于排水孔 堵塞，墙体背后的水不能及时排出所造成的。现场勘察中该处挡土墙有水不断渗出，而且，该段声波检测 完整性系数小于０．８５，可判断含水量较高。 （３）墙体背后有回填层的雷达图像。图３为墙 体背后有回填层的Ｚ４２６＋８４０断面雷达图像，图３ 中０．６～１．１ Ｉｌｌ范围内为回填层，即图３中的Ａ区 域。其主要判定依据是回填物组成成份不同、形状 大小不一、空隙度大，且回填物之间、回填物与空气 之间的相对介电常数差异大小不一，从而反映在雷 达图像上呈现反射层位零乱、起伏变化大、形状不 规则、连续性差等特征。在雷达图像的指导下对墙 ｍ＼肿一＼ｎ ｍ 劢一０ 仰一Ｌ 轴一Ｌ 帅 己 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 体相应位置进行局部开挖，发现有大量回填物。 （４）墙体或岩体中存在裂缝的雷达图像。图４ 为墙体和岩体中含有裂缝带的Ｙｌｌ０＋７５０断面雷 达图像。由于裂缝的存在，裂缝中的水、空气与临 图３墙后有回填层的雷达图像 近墙体的相对介电常数差异较大，从而形成较强的 反射信号，反映在雷达图像上是几条零乱不连续的 反射波信号，如图中所示的竖线即为裂缝区。现场 勘测中可以看到该段墙体表面有微小裂缝存在，且 长有植物，且该段声波检测完整性系数小于０．７０， 故可证明雷达图像的正确性。 ３．２一般性雷达图像 采用追踪识别法，根据上述标志性图像所代表 的挡土墙病害来分析和评价一般性雷达图像所反 映的挡土墙完整性情况。下面通过对断面Ｚ１０５＋ ４１０的雷达图像（如图５所示）进行分析来说明此 方法。 与图１相比较，０．０～０．６５ ｉｎ范围内图像大体 呈现宽粗的水平层状，个别处图像层位凌乱，故可判 定该挡土墙墙体较密实。与图２相比较，墙体背后 上侧有较强的反射信号，但范围不大，所以岩体含水 量不高，略含水。同时，该断面的声波完整性系数大 于１．０。综合上述，可判定该处的挡土墙基本符合 完整性评价的要求。 ４南昆铁路挡土墙检测概况 南昆线铁路百色段１５０多ｋｍ范围内，共检测 挡专 ！ｋｍ，探地雷达剖面图１ ５ １ｍ）５９幅。该段挡土墙均为路 １２ 一７爪、 ．长。 ３ １．、，３７ ６ 图５一般性图像 …… 堑式挡墙，墙体大部分为Ｍ７．５浆砌片石砌筑，极少数为钢筋混凝土墙体。为防止挡墙滑坡，部分墙体背 后布有抗滑桩。 （下转第１２３页） 此次所检测的１２７个挡土墙中共有５２处存在厚度与设计不符、墙体裂缝、高含水量的病害情况，须采 取整治措施。另外，此次挡土墙检测中还特别采用声波检测技术和局部现场开挖辅助，声波检测和开挖 结果与探地雷达检测结果符合，很好地完成了南昆线（百色段）挡土墙的完整性评价。。 。５ 结束语 通过分析和结合工程实际情况，可以看出探地雷达技术可以比较充分地评定挡土墙的完整性，包括 墙体厚度、墙体裂缝、排水情况、墙体内空洞、回填层等多方面。 如墙体表面病害、地层岩性、排水孔是否堵塞等，较全面完成病害预报工作。 探地雷达技术具有无损、高效、不影响正常施工和运营等优点。随着探地雷达检测技术和方法的不 断完善，必将在铁路挡土墙完整性评价中的到广泛的应用。 ’ 同时，探地雷达检测挡土墙完整性时应结合现场记录、地质勘察资料和其它检测技术（声波检测），例 参 考 文 献 ［１］李大心．探地雷达方法及应用［Ｍ］．北京：地质出版社，１９９４ ［２］李志顺．地质雷达探测技术在铁路工程质量检测中的应用［Ｊ］．铁道勘察，２００４，３０（１）：６３～６４ ［３］刘成军．铁路路基挡土墙质量无损检测的研究［Ｊ］．铁道工程学报，２００１（４）：２０—２３ ［４］夏才初，潘国荣．土木工程检测技术［Ｍ］．北京：中国建筑工、Ｉ 出版社，２００１ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ ｔｏ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｌｉｔｙ ｏｆ Ｒｅｔａｉｎｉｎｇ Ｗａｌｌｓ ｉｎ Ｎａｎｋｕｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｗａｎｇ Ｔｉａｎｌｉａｎｇ， Ｚｈｕ Ｘｉｎｇｑｕａｎ， Ｙｕｅ Ｚｕｒｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌｓ ｉｎｔｅｇｒａｌｉｔｙ ｂｙ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅ－ ｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ ｖｉｒｔｕｅ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｐｉｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａ－ ｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈ－ ｎｉｑｕｅ ｃａｎ ｅｘａｃｔｌｙ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌｓ ｉｎ ｔｉｍｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗａｔｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｆｒａｃｔｕｒｅｓ，ｈｏｌｅｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ；ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌｓ；ｔｒａｃｉｎｇ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ；ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃ－ ｔｉｏｎ
