CN105155504B - 铁路路基侧向地震波透射无损检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路路基侧向地震波透射无损检测系统，包括设置在铁路路基一侧的大锤和地震信号触发器以及设置在铁路路基另一侧的地震检波器和地震记录仪，在大锤一侧的路基上，沿路基延伸方向成列布置有多个炮点；大锤用于逐个炮点激发地震信号；地震信号触发器设置在所述大锤的锤柄上，并通过通讯电缆与所述地震记录仪连接，用于提示地震记录仪何时开始接收地震信号；地震检波器设有多个且沿路基的延伸方向布置成多列，一连接电缆按顺序将各地震检波器串联，且连接电缆的末端与地震记录仪连接。本发明还公开了利用该系统进行无损检测的方法。该方法施测方便、成果直观、分辨率高。

Description

铁路路基侧向地震波透射无损检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及铁路工程无损检测技术领域，特别是涉及一种铁路路基侧向地震波透射无损检测系统及检测方法。

背景技术

目前，铁路路基无损检测多采用探地雷达在路基顶部扫描，在应用中经常遇到如下两个问题：(1)遇到高宽路基时扫描深度不够：目前探地雷达一般能探测2-3米深度，遇到高宽路基难以探测到路基深部；(2)对于高速铁路轨道板来说，探地雷达难以穿透：目前高速铁路路基顶部多采用轨道板铺设，轨道板内包含密度较大的钢筋层，探地雷达发射的电磁波无法穿过这层钢筋层，因此难以工作。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种不受高宽路基和轨道板影响、施测方便的铁路路基侧向地震波透射无损检测系统。

本发明的另一目的是提供一种利用上述铁路路基侧向地震波透射无损检测系统进行检测的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铁路路基侧向地震波透射无损检测系统，包括设置在铁路路基一侧的大锤和地震信号触发器以及设置在铁路路基另一侧的地震检波器和地震记录仪，在所述大锤一侧的路基上，沿路基延伸方向成列布置有多个炮点；所述大锤用于逐个炮点激发地震信号；所述地震信号触发器设置在所述大锤的锤柄上，并通过通讯电缆与所述地震记录仪连接，用于提示所述地震记录仪何时开始接收地震信号；所述地震检波器设有多个，且沿路基的延伸方向布置成多行，一连接电缆按顺序将各地震检波器串联，且所述连接电缆的末端与地震记录仪连接。

所述炮点依据目的体大小，即分辨率的要求，按设计点距、线距布设。

所述连接电缆由上至下沿铁路路基水平方向逐行将所述地震检波器按蛇形依次串联。

一种铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，包括以下步骤：

S₁、路基侧向检测观测系统布置：

在路基两侧按需要间距逐点进行地震检波器和炮点的布设，利用连接电缆将多个地震检波器逐个连接，并将连接电缆的端头与地震记录仪连接，然后将地震信号触发器固定在大锤的锤柄上，再通过通讯电缆连接所述地震信号触发器和地震记录仪；

S₂、大锤激发地震信号，数据采集：

利用大锤逐个炮点进行信号激发，路基另一侧的地震检波器接收地震信号，大锤每激发一次，地震记录仪记录一个地震信号数据；

S₃、构建路基弹性波速度模型：

依据不同的路基结构，建立整个路基的弹性波速度模型v＝v₀+δv，其中δv为介质弹性波速度的修正量；

S₄、对地震信号数据进行反演：

在S₃建立的弹性波速度模型基础上对S₂中采集的地震信号数据进行反演，获取路基横波和纵波速度分布情况；

S₅、输出路基横波和纵波及弹性力学参数分布图像：

依据S₄中路基横波和纵波速度分布数据计算动泊松比、动弹性模量和压缩模量，然后进行路基横波及纵波速度、动泊松比、动弹性模量和压缩模量分布图像的绘制；

S₆、依据多成果图像进行路基状态评价：

依据S₅中绘制的横纵波速度分布、动弹性力学参数分布图像进行路基内部结构及病害情况的评价。

其中，在S₁中，在路基的一侧利用测量设备进行布点测量，然后按点位成排地布设地震检波器，形成多条测线；在路基另一侧按设计点距、线距逐点进行炮点的布设。

在S₂中，所述地震记录仪依据采集的地震信号读取初至时间数据t_m，最终形成初至时间数据文件。

在S₄中，对地震信号数据进行反演的方法为：

(1)基于S₃中构建的弹性波速度模型进行正演计算，计算射线路径和旅行时t_c；

(2)利用所述初至时间数据t_m和步骤(1)计算的旅行时t_c建立旅行时反演方程组Aδν＝δt，其中：

δv是介质弹性波速度的修正量，

δt为拾取的旅行时与计算的旅行时之差，单位为s，δt＝t_m-t_c；

A为雅克比矩阵，单位为s²/m，雅克比矩阵的元素为一条射线的旅行时对某个网格节点速度的偏导数；

(3)求解所述旅行时反演方程组，并判断是否收敛，如收敛则进入S₅，输出场地弹性波速度值v，如不收敛，则返回S₃修正速度模型，然后再次反演计算，直至δt满足条件。

在S₃中，构建路基弹性波速度模型的方法为：

将被检测路基离散成一系列矩形单元，所述矩形单元的弹性波速度通过节点速度值的双线性插值函数来描述，所述节点速度值依据路基设计及填筑情况确定。

在S₅中，输出路基横纵波及弹性力学参数分布图像的方法为：

(1)基于S₄中反演后获得的路基横纵波速度分布数据进行动泊松比、动弹性模量和压缩模量等动弹性力学参数的计算，计算公式如下：

和

其中：

ρ为介质密度，单位为g/cm³；

V_p为介质纵波速度，单位为m/s；

V_s为介质横波速度，单位为m/s；

μ为动泊松比，无量纲；

Ed为动弹性模量，单位为N/m²；

K为压缩模量，单位为N/m²；

(2)基于S4获得的横纵波速度和S5获得的各弹性力学参数进行路基横纵波速度及动弹性力学各参数分布图像的绘制。

本发明具有的优点和有益效果如下：

1、本发明从路基两侧利用弹性波层析成像法对路基进行横向扫描，可以躲避路基表面的轨道板、绕过钢筋电磁屏蔽层，根据探测需要从路基顶部到底板分层探测，现场数据采集在路基两侧即可开展，无需上道，施测方便；

2、基于弹性波的透射成像，对于十几米宽的路基使用常用的20磅大锤即可，震源能量足够穿透路基；

3、横向透射扫描采用一发多收的模式，在多次激震之后，地震波射线将以高密度的形态覆盖整个观测剖面，形成三维图像，其成果直观、分辨率高；

4、基于横、纵波成果数据可进一步计算得到动泊松比、动弹性模量和压缩模量等弹性力学参数；

5、可依据横纵波速度分布图像、各弹性力学参数分布图像来多参数地综合判断路基内部的病害及软弱状况，成果丰富、图像直观，可为路基无损检测提供有效帮助。

附图说明

图1是本发明的铁路路基侧向地震波透射无损检测系统的连接结构示意图；

图2是本发明的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法的流程图。

其中：

1：地震记录仪 2：连接电缆

3：地震检波器 4：地震波信号

5：地震波传播路径 6：通讯电缆

7：地震信号触发器 8：大锤

9：炮点

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的铁路路基侧向地震波透射无损检测系统和检测方法做进一步说明。下述各实例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

首先参见图1，本发明的铁路路基侧向地震波透射无损检测系统包括：设置在铁路路基一侧的大锤8和地震信号触发器7以及设置在铁路路基另一侧的地震检波器3和地震记录仪1。在大锤8一侧的路基上，沿路基延伸方向成列布置有多个炮点，大锤8用于逐个炮点激发地震信号4。地震信号触发器7设置在大锤8的锤柄上，并通过通讯电缆6与地震记录仪1连接，用于提示地震记录仪1何时开始接收地震信号。地震检波器3设有多个，且沿路基的延伸方向布置成多列，连接电缆2按顺序将各地震检波器3串联，且所述连接电缆2的末端与地震记录仪1连接。

具体地说，所述炮点依据目的体大小，即分辨率的要求，按设计点距、线距布设。地震检波器3沿路基走向布置且沿路基由上至下设置多行，形成多条测线；连接电缆2由上至下沿铁路路基水平方向(图1中由右到左)逐行将所述地震检波器3按蛇形/S形依次串联。

本发明的具体实现思路如下：①在路基左右两侧，分别布置炮点和检波点，测线长度和地震检波器间距可根据勘察目的和现场需求配置；②采用横波和纵波两种方式逐炮点利用大锤激震，采用一点激发多点接收的模式，另一侧检波点接收地震波，最终形成一个矩形剖面；③在获取到横、纵波的多炮激发数据后，利用走时射线追踪算法进行弹性波层析成像反演，分别得到路基水平方向上的横、纵波分布图像，可以判定路基本体在该剖面内的软弱程度及病害情况，同时利用横、纵波两种成果数据可进一步计算得到动泊松比、动弹性模量和压缩模量等弹性力学参数，最终，可依据速度分布图像、各弹性力学参数分布图像综合判断路基内部的病害及软弱状况。

图2是本发明的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法的流程图。如图2所示，该方法包括：路基侧向检测观测系统布置、大锤激发地震信号数据采集、构建路基弹性波速度模型、对地震信号数据进行反演、输出路基横纵波及弹性力学参数分布图像和依据多成果图像进行路基状态评价。具体步骤如下：

S₁、路基侧向检测观测系统布置：

到达待检路基场地后，首先在路基的一侧利用测量设备进行布点测量，然后按点位成排地布设地震检波器3，形成多条测线，利用连接电缆2将多个地震检波器3逐个连接，例如：将每个检波器的连接头扣至连接电缆上，并将连接电缆2的端头与地震记录仪1连接；

在路基另一侧按设计点距、线距逐点进行炮点(即大锤敲击的点)的布设。用胶布将地震信号触发器7固定于大锤8的锤柄之上，再通过通讯电缆6连接所述地震信号触发器7和地震记录仪1，以提示地震记录仪1何时开始接收地震信号。

S₂、大锤激发地震信号，数据采集：

利用大锤8逐个炮点进行信号激发，产生地震波，利用地震信号触发器计时，路基另一侧的地震检波器3接收地震信号，大锤8每激发一次，地震记录仪记录一个地震信号数据。炮点的激发无顺序要求，但现场要将各个点编号，以便记录。

所述地震记录仪依据采集的地震信号读取初至时间数据t_m，最终形成初至时间数据文件。

S₃、构建路基弹性波速度模型：

依据不同的路基结构，建立整个路基的弹性波速度模型v＝v₀+δv，其中δv为是介质弹性波速度的修正量。将被检测路基离散成一系列矩形单元，所述矩形单元的弹性波速度通过节点速度值的双线性插值函数来描述，所述节点速度值依据路基设计及填筑情况确定及反演自动修正。

S₄、对地震信号数据进行反演：

在S₃建立的弹性波速度模型基础上对S₂中采集的地震信号数据进行反演，获取路基横波和纵波速度分布情况。

对地震信号数据进行反演的具体方法如下：

(1)基于S₃中构建的弹性波速度模型进行正演计算，计算射线路径和旅行时t_c；

(2)利用所述初至时间数据t_m和步骤(1)计算的旅行时t_c建立旅行时反演方程组Aδν＝δt，其中：

δv是介质弹性波速度的修正量，

δt为拾取的旅行时与计算的旅行时之差，单位为s，δt＝t_m-t_c；

A为雅克比矩阵，单位为s²/m，雅克比矩阵的元素为一条射线的旅行时对某个网格节点速度的偏导数；

(3)求解所述旅行时反演方程组，并判断反演是否收敛，如收敛则进入S₅，输出场地弹性波速度值v，如不收敛，则返回S₃修正速度模型，然后再次反演计算，直至δt满足条件。

S₅、输出路基横波和纵波及弹性力学参数分布图像：

依据S₄中路基横波和纵波速度分布数据计算动泊松比、动弹性模量和压缩模量，然后进行路基横波和纵波速度及动泊松比、动弹性模量和压缩模量分布图像的绘制，添加工程名称、里程等工程信息。具体如下：

(1)基于S₄中反演后获得的路基横纵波速度分布数据进行动泊松比、动弹性模量和压缩模量等动弹性力学参数的计算，计算公式如下：

和

其中：

ρ为介质密度，单位为g/cm³；

V_p为介质纵波速度，单位为m/s；

V_s为介质横波速度，单位为m/s；

μ为动泊松比，无量纲；

Ed为动弹性模量，单位为N/m²；

K为压缩模量，单位为N/m²；

(2)基于S4获得的横纵波速度和S5获得的各弹性力学参数进行路基横纵波速度及动弹性力学各参数分布图像的绘制。

依据路基弹性波速度数据和动弹性力学参数分布数据绘制场地弹性波速度图像，添加工程名称、里程等工程信息，包括二维切片图像和路基三维图像，并添加工程名称、坐标、高程等信息。

依据生成的路基弹性波速度和动弹性力学参数分布图像进行路基分层、软弱冒泥等不良问题的圈定。

S₆、依据多成果图像进行路基状态评价：

依据S₅中绘制的横纵波速度分布、动弹性力学参数分布图像进行路基内部结构及病害情况的评价。

Claims (5)

1.一种铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S₁、路基侧向检测观测系统布置：

在路基两侧按需要间距逐点进行地震检波器(3)和炮点的布设，利用连接电缆(2)将多个地震检波器(3)逐个连接，并将连接电缆(2)的端头与地震记录仪(1)连接，然后将地震信号触发器(7)固定在大锤(8)的锤柄上，再通过通讯电缆(6)连接所述地震信号触发器(7)和地震记录仪(1)；

S₂、大锤激发地震信号，数据采集：

利用大锤(8)逐个炮点进行信号激发，路基另一侧的地震检波器(3)接收地震信号，大锤(8)每激发一次，地震记录仪记录一个地震信号数据；

S₃、构建路基弹性波速度模型：

依据不同的路基结构，建立整个路基的弹性波速度模型v＝v₀+δv，其中δv为是介质弹性波速度的修正量；

S₄、对地震信号数据进行反演：

在S₃建立的弹性波速度模型基础上对S₂中采集的地震信号数据进行反演，获取路基横波和纵波速度分布情况；

S₅、输出路基横波和纵波及弹性力学参数分布图像：

依据S₄中路基横波和纵波速度分布数据计算动泊松比、动弹性模量和压缩模量，然后进行路基横波及纵波速度、动泊松比、动弹性模量和压缩模量分布图像的绘制，具体为：

(1)基于S₄中反演后获得的路基横纵波速度分布数据进行动泊松比、动弹性模量和压缩模量这三个动弹性力学参数的计算，计算公式如下：

和

其中：

ρ为介质密度，单位为g/cm³；

V_p为介质纵波速度，单位为m/s；

V_s为介质横波速度，单位为m/s；

μ为动泊松比，无量纲；

Ed为动弹性模量，单位为N/m²；

K为压缩模量，单位为N/m²；

(2)基于S4获得的横纵波速度和S5获得的各弹性力学参数进行路基横纵波速度及动弹性力学各参数分布图像的绘制；

S₆、依据多成果图像进行路基状态评价：

依据S₅中绘制的横纵波速度分布、动弹性力学参数分布图像进行路基内部结构及病害情况的评价。

2.根据权利要求1所述的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，其特征在于：在S₁中，在路基的一侧利用测量设备进行布点测量，然后按点位成排地布设地震检波器，形成多条测线；在路基另一侧按设计点距、线距逐点进行炮点的布设。

3.根据权利要求1所述的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，其特征在于：在S₂中，所述地震记录仪依据采集的地震信号读取初至时间数据t_m，最终形成初至时间数据文件。

4.根据权利要求3所述的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，其特征在于，在S₄中，对地震信号数据进行反演的方法为：

(1)基于S₃中构建的弹性波速度模型进行正演计算，计算射线路径和旅行时t_c；

(2)利用所述初至时间数据t_m和步骤(1)计算的旅行时t_c建立旅行时反演方程组Aδν＝δt，其中：

δv是介质弹性波速度的修正量，

δt为拾取的旅行时与计算的旅行时之差，单位为s，δt＝t_m-t_c；

A为雅克比矩阵，单位为s²/m，雅克比矩阵的元素为一条射线的旅行时对某个网格节点速度的偏导数；

(3)求解所述旅行时反演方程组，并判断是否收敛，如收敛则进入S₅，输出场地弹性波速度值v，如不收敛，则返回S₃修正速度模型，然后再次反演计算，直至δt满足条件。

5.根据权利要求1所述的铁路路基侧向地震波透射无损检测方法，其特征在于，在S₃中，构建路基弹性波速度模型的方法为：

将被检测路基离散成一系列矩形单元，所述矩形单元的弹性波速度通过节点速度值的双线性插值函数来描述，所述节点速度值依据路基设计及填筑情况确定。