运营高速铁路路基基床检测研究.pdf

·线路／路基·收稿日期：２０１６０９１２基金项目：中国铁路总公司科技研究开发重点课题（２０１２Ｇ００９Ａ线）运营高速铁路路基基床检测研究朱先锋（中铁十一局集团有限公司勘察设计院　湖北武汉　４３００６４）摘　要　如何在保持线路运营条件下，对路基性能进行综合无损检测，对其服役状态进行评估，对病害的成因机理、发展趋势作出分析和诊断，并据此开展维护修复工作，从而保证我国路基工程的良好性状，已成为我国高速铁路必须面对和亟待解决的问题。本文通过对地质雷达、瞬态面波、冲击弹性波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应检测方法的研究，提出了一套适用于运营高速铁路路基基床的综合检测方法技术，并综合概括出了运营高速铁路路基基床检测与质量评价标准。关键词　高速铁路　路基基床　病害　地质雷达　瞬态面波　冲击弹性波　冲击回波　板冲击瞬态脉冲响应中图分类号　Ｕ２１３．１；　　Ｕ２１６．３文献标识码　　　Ａ文章编号　１００９４５３９　（２０１６）１２００５９０５　　　　　　　　　　’“’”“ⅡⅢ≥Ⅲ≥“’ ’’ⅢⅡ ·’’ⅡⅡ≥’“ⅡⅢ≥　　ＺｈｕＸｉａｎｆｅｎｇ（　　　　　　　　ＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１１ｔｈ　　ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，　ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　　　　　　　　Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｋｅｅｐｉｎｇｔｈｅｌｉｎｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，　　　　　　　ｈｏｗｔｏｃｏｎｄｕｃｔｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅ　ｒｏａｄｂｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　　　　ｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｓｅｒｖｉｃｅ，　　　　　　　　　　ｍａｋｅｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｔｈｅｄｉｓｅａｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｄｅｖｅｌ线　ｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄ，　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｒｅｐａｉｒｗｏｒｋｔｏｋｅｅｐｔｈｅｇｏｏｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｏａｄｂｅｄｅｎ线ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　　　　　　　　　ｈａｓｂｅｅｎａｂｕｒｎｉｎｇｉｓｓｕｅｗａｉｔｉｎｇｆｏｒｓｏｌｖｉｎｇｉｎＣｈｉｎａ’　　　　　　　Ⅱ ·’’Ⅱ“Ⅱ≥ “’’“’”“ⅡⅢ≥’“ⅢⅢ　“’ ’ⅢⅢ Ⅱ”ｒａｄａｒ，　　“≥Ⅱ’≥“”’’，　　ｉｍｐａｃｔｅｌａｓｔｉｃｗａｖｅ，ｉｍｐａｃｔ　　　ｅｃｈｏａｎｄｐｌａｔｅｉｍｐａｃｔ基９金期铁稿／期基　ｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ，　　　　　　　　　　　　　　　　　“Ⅱ’ⅢⅢ’’“Ⅲ”Ⅲ’’≥Ⅱ’“’”≥ⅢⅢ Ⅱ’Ⅱ“’Ⅲ’“’”“Ⅱ≥  ’’ⅢⅡ ·’’ⅡⅡ≥Ⅲ’·　　　　　　　　　　　　　　　　“ⅡⅢ≥≥Ⅱ’“’’“’”“ⅡⅢ≥≥Ⅱ“’“ⅡⅢ≥”Ⅱ“’ⅡⅢ ’’ⅢⅡ ·’’ⅡⅡ≥Ⅲ’“ⅡⅢ≥　’Ⅲ　　ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ线；　 ’’；ｄｉｓｅａｓｅ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒａｄａｒ；基９金期铁稿／期基　”’’；ｉｍｐａｃｔ　ｅｌａｓｔｉｃｗａｖｅ；　ｉｍｐａｃｔｅｃｈｏ；　　　　ｐｌａｔｅｉｍｐａｃｔｔｒａｎｓｉｅｎｔｉｍｐｕｌｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅ　　１引言我国是世界上高速铁路投入运营里程最长的国家，路基工程分布我国华东、华南、中部、东北、东南、西北等地区，所属气象水文、地质条件存在明显差异。如何在保持线路运营条件下，对路基性能进行综合无损检测，对其服役状态进行评估，对病害的成因机理、发展趋势作出分析和诊断，并据此开展维护修复工作，从而保证我国路基工程的良好性状，已成为我国高速铁路必须正视和急需解决的问题［１］。对既有路基基床病害和填筑质量检测方面，中“国海洋大学郭秀军等人曾开展过铁路路基病害无”损检测车载探地雷达系统研制及应用方面的研“”究，铁科院史存林研究员也在六次大提速中开展“过类似研究及应用，烟台大学范云教授开展过瞬态瑞利波技术在既有线路基基床质量评价中的应”用研究等。从总体研究情况，两种方法在有砟轨道条件下均可定性反应路基整体质量和缺陷异常，但在整板式无砟轨道条件下无损物探检测技术尚未见文献报道［２］。本文通过工程实例研究了一套适用于运营高速铁路路基检测方法技术，提出了运营高速铁路路基基床检测与质量评价标准。９５铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（　１２）万方数据·线路／路基·　２检测方法　　２．１地质雷达法既有铁路路基道碴层、孤立的地质异常体（如路堤中存在压实系数不够、局部含水量大等）、路基病害（道碴凹陷、基床土局部软化）、基床土等之间的物理特性差异大，道碴层介电常数在　　４～８　之间，孤立的地质异常体、路基病害介电常数　＞１０、基床土介电常数在　　８～１０　之间。由此，地质雷达拥有了探测既有铁路路基基床的地球物理前提［３］。在一定段落内，路基基床填筑时采用的路基填料与施工工艺基本相同，因而沿线路纵向、横向材质可当作均匀的，其雷达图像特征也应基本相同，即雷达图像同相轴应是连续的。当路基中存在病害时，由于路基基床结构受到破坏，各种介质相互混杂，导致病害区段介质介电常数与周围明显不同，地质雷达波在病害区段传播规律与良好段差异明显，表现为地质雷达剖面图像出现紊乱，同相轴不连续。综上，通过分析沿线路纵、横向地质雷达剖面图像同相轴连续性和图像紊乱程度，得出路基病害类型、位置、范围、严重程度等相关信息。　２．２瞬态面波法瞬态面波技术是基于瞬态面波运动学特征和动力学特征，利用它的频散特性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行土层划分、研究岩土的工程性质的一种物理勘探方法［４］。根据瞬态面波在层状介质的传播特性，同一波长的瞬态面波的传播特性体现了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长体现了不同深度的地质条件。因此，可利用瞬态面波这些特性进行勘探和检测工作。由于不同区域地层性质存在一定的差异性，因此在确定面波波速临界参考值时，需对现场不同填料的合格路基分别进行面波检测并得出有效值范围［５］。现场无合格路基做参考时，可考虑对不同填料段路基进行动力触探试验，从而将面波速度和动力触探结果建立起数学模型，以获取不同分层条件下的面波速度范围信息，为合理解释检测数据提供准确依据［　６－７］。　２．３冲击弹性波法冲击弹性波用锤或其他激振装置冲击产生，能够直接反映材料的力学特性，具有激振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点［８］。对于无砟轨道支承层的脱空检测，由于构件厚度一般可知，因此在对应的反射时刻附近焦点扫描，根据反射信号的强弱即可推断脱空的有无。冲击弹性波检测支撑体状况，主要通过分析冲击弹性波的波形与频谱特征，对于支承层与基床表层接触良好，测试的波形呈单峰模式，完整有规律，对于支承层底部存在孔洞、裂缝等缺陷，波形及频谱表现为波形拉长、周期加大，频谱向低频方向移动。　２．４冲击回波冲击回波检测支撑体状况，主要通过分析冲击回波的波形与频谱特征，对于状况良好的支承层，测试的波形完整有规律，按阻尼震荡形式衰减，频谱图中只出现一个明显的波峰。对于波形出现叠加，且频谱出现多个波峰，波形与频谱均不规则、不完整的测试，可初步判定该支承层底部截面不平整或有离缝等多种缺陷。　２．５板冲击瞬态脉冲响应法板冲击瞬态响应系统利用一个测量小锤敲击路面或结构表面，后用放置在附近的地震检波器（速度传感器）记录结构的振动反应信号，能够确定孔洞／支撑较差的区域和混凝土的内部缺陷状况，主要用于评估板状混凝土的支撑条件。支撑体状况检测通常包括　２　个评价参数：一个是平均导纳值，另一个是导纳斜率。平均导纳值与测试物的密度、弹性模量以及厚度有直接关系，取值区间为　　　１００～８００Ｈｚ。混凝土内的裂缝或蜂窝会降低物体坚固性，从而增加其导纳值。导纳值越大，表明支撑体的状态越差。导纳斜率，是移动变化曲线图上的初始频率部分（　　０～１００Ｈｚ）的导纳峰值与　　　１００～８００Ｈｚ　处的导纳平均值的比值。比值越大，表明支撑体的状况越差。由于路面孔洞的密实度降低，反应曲线也变得更没有规律，并且孔洞与状况良好的支撑体状况间对比的平均导纳值变大。导纳曲线图中，如果显示出高振幅，低频率信号值时，其显示的是存在孔洞状况情况。　３应用实例某城际铁路自开通以来，通过常规检查共发现０６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（　１２）万方数据·线路／路基·多处路基病害，大多数病害产生在混凝土支承层的端部附近，特别是在铺设框架轨道板的地段尤其严重。路基病害主要表现为：在路肩上流淌或堆积着由水和垫层中细颗粒物混合而成的泥浆渗出物，严重地段渗出物厚度达几十毫米，个别处泥浆渗出物被抽吸至轨道板表面道心内。从动检车添乘检查记录发现，在路基病害地段，出现多处高低不平，且垂直加速度达到Ⅱ级甚至Ⅲ级超限，已严重影响到动车运行的平稳性和安全性［９］。采用地质雷达、冲击弹性波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应法进行检测。　　３．１地质雷达通过对同相轴连续的追踪，通过振幅稍强的反射波来确定支承层与基床表层的分界面，可确定脱空、离缝的规模及延展范围，判断其严重程度。Ｋ２５２＋０７０．５　附近支承层与基床表层界面的同相轴反射信号强，三振相明显，底部存在多次反射波，推测支承层与基床表层存在脱空、离缝，如图　１　所示［１０］。图　　　　　　１Ｋ２５２＋０７０～Ｋ２５２＋０７５　基床表层与支承层脱空缝隙地质雷达时间剖面图　３．２冲击弹性波冲击弹性波检测支承层底部状况，主要通过分析冲击弹性波的波形与频谱特征，　Ｋ２５２＋０７０　的ＦＦＴ　与　ＭＥＭ波形及频谱均表现为波形拉长、周期加大，频谱向低频方向移动，推测支承层底部存在孔洞、离缝等缺陷（见图　　２～４）。图　　　　２Ｋ２５２＋０７０．５～＋０７５　异常段　　　冲击弹性波　ＦＦＴ　频谱　　图　　　　３Ｋ２５２＋０７０．５～＋０７５　异常段　　　冲击弹性波　ＭＥＭ频谱　　图　　　　４Ｋ２５２＋０７０．５～＋０７５　异常段　冲击弹性波　ＭＥＭ频谱等值线　　３．３冲击回波如图　５　所示，　Ｋ２５２＋０７５　在低频　６．３ｋＨｚ　处有一振幅峰值，在高频处仅有一些小的振幅峰值，比低频处的振幅值小很多，测试的波形完整而规律，按阻尼震荡形式衰减，这表明该测点混凝土支承层质量较均匀，成型质量较好，可以判定内部无缺陷，混凝土支承层与基床表层接触良好，基本无缺陷。图　　　５Ｋ２５２＋０７５　状态良好冲击回波波形与频谱　如图　６　所示，　Ｋ２５２＋０７０．５　波形出现叠加，且频谱出现多个波峰，波形、频谱均不规则、不完整，可初步判定该支承层底部截面不平整或有孔洞，离缝等缺陷。图　　　６Ｋ２５２＋０７０．５　异常段冲击回波波形与频谱　　３．４板冲击瞬态脉冲响应从图　７　的导纳曲线图上可以看出，　Ｋ２５２＋０７５１６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（　１２）万方数据·线路／路基·测点平均导纳值较小，导纳曲线较平缓，导纳曲线初始斜率较低（动刚度较小），并且导纳比值（初始频率部分（　　０～１００Ｈｚ）的导纳峰值与　　　１００～８００Ｈｚ处的导纳平均值的比值）较小，说明支承层底部支撑条件优良，支承层与基床表层间接触良好。图　　　７Ｋ２５２＋０７５　基床表层与支承层接触良好导纳曲线　如图　８　所示，　Ｋ２５２＋０７０．５　测点平均导纳值较高，导纳曲线不平缓，导纳曲线初始斜率较大（动刚度较大），并且导纳比值（初始频率部分（　　０～１００Ｈｚ）的导纳峰值与　　　１００～８００Ｈｚ　处的导纳平均值的比值）较大，说明支承层底部支撑条件不佳，支承层与基床表层间可能存在缝隙情况。图　　　８Ｋ２５２＋０７０．５　基床表层与支承层脱空导纳曲线　４评价标准综上研究结果，分别从基床填筑质量、无砟轨道支承层与基层接触状态两方面评估基床质量，并提出适用于基床的检测方法，根据检测方法的评价参数，建立基床检测与质量评价标准［１１］，见表　１。表　　　１基床检测方法与评价标准　　序号检测内容检测方法质量评价方法良好较差１基床填筑质量瞬态面波定性：（１）频散点多而连续，频散曲线光滑；（２）整体速度分布比较均匀，没有明显的低速带；定量：面波速度值≥　　３００ｍ／ｓ定性：（１“”）频散曲线有明显的拐弯或如之字形错断现象；（２）速度分布不均匀，存在低速带；定量：面波速度值　　＜３００ｍ／ｓ　地质雷达波形平缓、规则、无杂乱反射等特征同相轴反射信号强，三振相明显；同相轴发生了显著的下降，偏离了正常的层面位置；反射波同相轴扭曲错动、不连续，零乱的团块状或条带状的强反射或多次反射异常；双曲线形态，在双曲线的顶部反射能量最强２无砟轨道支承层与基层接触状态　地质雷达波形平缓、规则、无杂乱反射等特征同相轴反射信号强，三振相明显冲击弹性波波形完整有规律，对于支承层底部存在孔洞、裂缝等缺陷波形及频谱表现为波形拉长、周期加大，频谱向低频方向移动冲击回波波形完整有规律，按阻尼震荡形式衰减，频谱图中只出现一个明显的波峰对于波形出现叠加，且频谱出现多个波峰，波形与频谱均不规则、不完整板冲击瞬态脉冲响应（１）平均导纳值较高，导纳曲线不平缓，变化较大；（２）导纳曲线初始斜率较大（动刚度较大）；（３）导纳比值较大（１）平均导纳值较高，导纳曲线不平缓，变化较大；（２）导纳曲线初始斜率较大（动刚度较大）；（３）导纳比值较大　５结论（１）冲击弹性波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应测试方法适应用于无砟轨道支承层与基床表层接触状态检测，利用冲击弹性波的波形和频谱特征能够检测无砟轨道支承层与基床表层接触状态。（２）对于无砟轨道支承层与基床表层接触状态检测，建议采取地质雷达结合冲击弹性波的检测方法。（３）对于基床质量检测，建议采用地质雷达、瞬态面波为主，动力触探为辅的检测方法［１２］。（４）根据研究结果，总结建立基床检测与质量评价标准。参考文献［１］　杨新安，孟凡江，孙经川．路基检测技术综述［Ｊ］．铁道建筑技术，２００６（４）：　５６－６０．［２］　谢纫秋．既有铁路提速与路基基床的技术改造［Ｊ］．路基工程，２００３（５）：　１－４．［３］　李志华，潘瑞林．路基稳定性无损检测方法技术研究２６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（　１２）万方数据·线路／路基·［Ｊ］．铁道工程学报，２００７（２）：　２８－３１．［４］　陈洪杰．面波技术在高铁临近既有铁路路基检测中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２０１２（１）：　１７－２０．［５］　何智杰．多道瞬态面波在路基填筑质量评价中的应用［Ｊ］．铁道勘察，２０１３（３）：　３５－３７．［６］　武涛，李瑞锋．某国外铁路路基基床测试及评价［Ｊ］．铁道勘察，２０１５（１）：　５４－５７．［７］　赵凤林，张健．既有线铁路路基基床评价与测试研究［Ｊ］．铁道工程学报，２０１１（４）：　１５－２１．［８］　罗利华．混凝土板厚度测试中几何形状系数的研究［Ｊ］．北方交通，２０１５（１０）：　１１０－１１２．［９］　李军．地质雷达检测高铁无砟轨道支承层底部脱空离缝［Ｊ］．科技创新与应用，２０１５（１８）：　２２４－２２５．［１０］潘振华．沪宁城际铁路路基翻浆原因分析及整治措施研究［Ｊ］．铁道建筑，２０１４（３）：　７４－７７．［１１］中铁第四勘察设计院集团有限公司．高速铁路地质路基关键性技术研究报告［Ｒ］．武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，２０１４：　３９－１０１．［１２］孙嘉良．既有线铁路路基密实状态检测方法研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１）：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪　１－３．　　（上接第　５８　页）（３）混凝土浇筑过程中，截止阀旁边严禁站人。（４）现场道路应平整畅通，确保混凝土输送泵和运输车平稳运行。（５）混凝土运输车浇灌结束后应将混凝土下料斗清理干净，防止有混凝土滴落，同时应经洗车台洗车后方可离场。（６）清洗运输车的污水应经集水坑和沉淀池后，方可排入市政污水管线或回收用于洒水降尘［１１］。　３．７应用效果通过本工法的应用，Ｙ　型钢结构柱采用泵送顶升法浇筑钢管柱内混凝土，待混凝土顶升浇筑完成后，用敲击钢管壁的方式检查柱内混凝土的密实性，如未发现管内空洞现象，继续对铸钢构件位置进行超声波检测，如仍未发现空洞和收缩的现象，证明混凝土灌筑符合要求，混凝土施工质量完全满足相关规范规定。每根钢管柱混凝土的浇筑时间在　　　１５～２０ｍｉｎ，每施工周期可连续浇筑　４～６　根　Ｙ　型钢结构柱，与传统高抛法施工相比缩短工期　３０ｄ，为土建工程施工节省了大量的时间，有力地保证了新华大街站主体结构提前封顶，取得了显著的经济效益和社会效益［１２］。　４结论北京地铁　６　号线二期新华大街站，通过科学地控制混凝土配比，安全合理的泵送方式，确保了顶升的连续性，对新华大街站　２８　根　Ｙ　型钢结构柱均采用顶升混凝土施工。运用该工艺可以减少施工工序环节，降低劳动力作业强度，并加快了施工进度。在确保铸钢结构柱内混凝土顶升施工作业过程的同时，获得了大量的关于顶升混凝土的现场施工数据［１３］，为今后类似的工程施工积累了经验。参考文献［１］　张耀康．浦东国际机场　Ｔ２　航站楼钢屋盖　Ｙ　型柱整体稳定性研究［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（Ｓ１）：　２２－２６．［２］　宁佐利，徐正良，刘洪波．上海轨道交通　７　号线龙阳路站的中庭结构设计［Ｊ］．城市轨道交通研究，２００７（５）：　３５－３７．［３］　高敏．深圳地铁　１　号线科技园站中庭方案研究［Ｊ］．铁道标准设计，２００６（５）：　７９－８１．［４］　李盛荣．钢管砼拱桥泵送顶升混凝土施工技术探讨［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（１）：　７５－７８．［５］　杨辉．大空间钢结构住宅关键技术探索［Ｊ］．铁道建筑技术，２００４（３）：　５４－５６．［６］　鲍广鲣．钢结构施工技术与实例［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５．［７］　刘子祥．戴为志．国家体育场（鸟巢）钢结构工程施工技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１１．［８］　赵巨海，张凤敏．钢管混凝土柱泵送顶升混凝土施工技术［Ｊ］．建筑技术，２０１１（２）：　８９－９０．［９］　余成行．Ｃ６０　泵送顶升自密实钢管混凝土的配置与施工［Ｊ］．混凝土，２０１０，２５２（１０）：　１０２－１０６．［１０］郭卫旗．自密实混凝土在株洲体育场工程的应用［Ｊ］．广东建材，２００７（８）：　４０－４４．［１１］周卫平．无站台柱雨棚钢管柱泵送混凝土顶升施工技术［Ｊ］．铁道科学与工程学报，２００８，５（２）：　７１－７４．［１２］邵波，胡金旭　．６３ｍ　高钢管混凝土柱综合施工技术［Ｊ］．建筑施工，２００４，２６（１）：　３１－３４．［１３］张贵义．钢管混凝土顶升技术应用研究［Ｊ］．建设科技，２０１０（７）：　５０－５１．３６铁道建筑技术　　　　　ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６　（　１２）万方数据