CN202599370U - 铁路隧道衬砌全断面车载检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种铁路隧道衬砌全断面车载检测方法与装置，属于铁路隧道检查技术领域。要解决的技术问题是避免探地雷达天线与接触网及其支座相碰，检测速度为列车正常运行速度；全断面检测各天线之间不相互干扰；在检测过程中自动定位，并且只采集记录隧道内探地雷达信号；改进隧道检测中探地雷达信号处理和分析方法。这种车载设备包含六通道高速扫描探地雷达部分、定位部分、激光测距部分。探地雷达脉冲重复频率3MHz；每个通道的脉冲重复频率500kHz，扫描速率为976scan/s。TEM短喇叭空气耦合天线，每组天线为两发一收，中心频率为300MHz。探地雷达天线安装在客车连接体外，天线辐射面分别指向拱顶、拱脚和边墙。主要用于铁路隧道衬砌检查自动化检测。

Description

铁路隧道衬砌全断面车载检测装置

技术领域

本实用新型属于铁路工务系统检测技术领域，特别涉及隧道衬砌质量和病害检测的专用装置。 

背景技术

据不完全统计，截止到2009年底，我国建成的铁路隧道总长度已经超过7000km，在建铁路隧道约2500座，总长约4600km，到2020年前规划建设5000座隧道，长度超过9000km。我国铁路隧道建设的总量已经远远超过世界其他国家。我国新建铁路隧道衬砌质量检测方法是采用人工手持探地雷达天线紧贴隧道壁的方式检测衬砌和完整性，由于成本较高，规范只要求抽检5％，也就是说95％的隧道衬砌的质量没有进行检测。 

即便在交付运营前是合格的隧道，运营后隧道围岩在长期铁路荷载震动、地质、水文等共同作用下，也会发生隧道病害。1997年我国铁路工务部门进行的全国铁路隧道技术状态统计显示，全路运营隧道5000余座计2500km，其中发生病害影响运营的达1502座，占隧道总数的30％左右。据铁道部秋检资料统计，近年来我国铁路失格隧道比例一直保持在60％以上。一般发现隧道病害后，在维修天窗时间内，停电后，人站在升降车上手持探地雷达天线进行检测，比较长的隧道一个维修天窗时间也只能测一条测线，全断面测完需要五个维修天窗时间。 

国外已有用于铁路、公路隧道衬砌质量和病害检测的探地雷达车。它们是用液压系统支撑探地雷达天线与隧道壁紧贴，或者天线辐射面距隧道壁距离在25cm以内。这种车比人工方法进了一大步，它可以一次全断面检测，效率比人工提高了五倍，检测时人身安全提高，劳动强度降低。但是这种方式在电气化铁路上检测时，遇到接触网固定杆，必须降下天线，由于液压系统的反应速度比人的反应速度还慢，因而测试速度低于5km/h。另外这种紧贴方式必须要求在天窗时间内停电作业，严重影响铁路运输，而且效率很低。目前我国铁路电气化区段占很大的比重，截止到2009年底，我国电气化铁路总里程已达到3.2万km，电气化铁路改造还在进行。而我国既有线电气化区段铁路隧道检测 都是在停电的情况下，人站在小车或平板车上，手持雷达天线与隧道壁紧贴的情况下检测，每次只能测一个纵剖面，效率非常低，而且很不安全。 

我国铁道科学研究院也正在购置国外探地雷达，研制类似国外铁路、公路隧道衬砌检测车，仍然采用液压系统支撑探地雷达天线，使天线辐射面距隧道壁有小于25cm间隙。但是这种方式检测电气化区段隧道衬砌时，还是无法克服接触网固定杆阻挡，检测车行走速度比人手持天线车的行走速度还慢，由于它是全断面测量，效率是人工方式的5倍。但仍然需要在维修天窗时间内停电作业。 

本实用新型是针对我国既有线电气化区段铁路隧道检测受接触网及其固定杆的限制因而检测速度很低的情况进行的一项技术革新。本实用新型要解决的技术问题是避免探地雷达天线与接触网及其支座相碰，并且能在不停电的条件下工作；检测速度提高到列车正常运行速度；全断面检测各天线之间不相互干扰；在检测过程中自动定位，并且只采集记录隧道内探地雷达信号；改进隧道检测中探地雷达信号处理和分析方法。它要求车载探地雷达在远距离的条件下全断面连续检测隧道衬砌，从而实现我国既有线铁路隧道病害的普查。 

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，针对我国既有线铁路隧道状况和我国铁路繁忙的情况，避免目前既有线铁路隧道人工方式和国外液压系统支撑探地雷达天线方式检测存在着接触网结构阻挡而使检测速度降低的缺点，提出一种既有线电气化区段铁路隧道衬砌车载探地雷达远距离测量方法，在不停电的条件下，检测车挂在列车的尾部，不增加车次，不影响正常的铁路运输，以列车正常运行速度对隧道衬砌进行检测，实现铁路隧道病害的普查。 

本实用新型的目的是由以下技术方案来实现的，一种铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，包括探地雷达、数据采集和数据后处理，其结构特点是：六通道探地雷达的六个天线盒安装在客车联结体外，其中车体顶部天线盒和天线盒，辐射面朝上分别与接触网对称；天线盒和天线盒辐射面分别朝向两边拱脚上50cm处；天线盒和天线盒分别朝向两边边墙，所有天线盒的辐射面都在铁 路机车界限以内，GPS系统的天线位于客车的顶上，里程编码器安装在车轴上，激光传感器和激光传感器分别安装在检测边墙的探地雷达天线盒和天线盒内；多通道探地雷达主机及工控计算机、GPS系统接收设备、工控计算机放在车内测试台上，六个探地雷达天线盒和里程编码器与多通道探地雷达主机用同轴电缆相连；多通道探地雷达主机与工控计算机相连；GPS系统的天线与GPS接收机及工控计算机相连；激光传感器和激光传感器也与工控计算机相连；工控计算机与工控计算机相连。 

六组探地雷达天线安装在客车连接体外中部和上部，天线辐射面不超过车辆界限，以80-175km/h的速度运行，采集隧道衬砌结构与围岩结构的雷达回波信号，组成隧道全断面雷达回波图像。根据雷达回波图像判断隧道衬砌的厚度、完整性、衬砌后面是否有空洞以及围岩的地质结构等隧道衬砌质量与病害。 

解决避免探地雷达天线与接触网及其支座相碰，并且在不停电的条件下工作的技术方案是探地雷达的天线必须安装在车辆界限以内。天线限制在车辆界限以内，天线离隧道壁的距离1.5m～2m之间。而目前国内外用于隧道衬砌检测的探地雷达天线都是地面耦合天线，离隧道壁的距离0cm～20cm之间，如果离隧道壁距离超过这个范围，由于耦合很差，接收不到有效信号，因此必须采用空气耦合天线。实际上天线离隧道壁的距离越大，入射到隧道壁内的电磁波强度就越小，为了补偿因天线离隧道壁远而造成的电磁波强度衰减，本实用新型增加一个发射天线，在每个天线盒内组成两发一收的方式，使回波信号幅度增加一倍。 

提高检测速度的技术方案是提高探地雷达的扫描速率。隧道衬砌检测，要求测点距离不能超过5cm。目前一般绿皮列车速度为80km/h左右，要在列车正常运行速度条件下检测，就要求探地雷达每个通道的扫描速率在444scan/s(每个扫描线由512个点组成)以上。目前国内探地雷达一般为单通道探地雷达，扫描速率128scan/s，国外多通道探地雷达系统只使用一个单通道时最高扫描速率为540scan/s，同时使用两个通道时每个通道的扫描速率为270scan/s。所以要在列车正常运行速度条件下检测，必须采用专门的高速扫描探地雷达系统。 

解决全断面检测的技术方案是增加探地雷达的通道数和天线对数。隧道衬砌检测规范要求布置五条测线，拱顶一条，两边拱腰各一条，两边边墙各一条。所以全断面检测要求探地雷达通道数和天线对数五个，与上述五条测线位置相对应。由于拱顶正下方有承力索和接触网，要避开它们，在接触网的两边各布置一条测线，所以全断面检测就要求探地雷达通道数和天线对数是六个，即需要六通道高速扫描探地雷达系统。六个通道探地雷达系统如果六对天线同时发射，同时接收的话，各通道之间相互干扰，如第一通道向隧道壁发射的电磁波有可能通过隧道衬砌结构，返回到附近的二、三、四、五、六通道内。消除通道之间相互干扰的方法是靠通道之间发射时间延迟来实现的，即第一通道发射天线发射电磁波，第一通道接收天线接收壁后回波，其它通道关闭不接收；接下来第二通道发射天线发射电磁波，第二通道接收天线接收壁后回波，其它通道关闭不接收；再接下来第三通道发射天线发射电磁波，第三通道接收天线接收壁后回波，其它通道关闭不接收；……，依次到第六通道发射天线发射电磁波，第六通道接收天线接收壁后回波，其它通道关闭不接收。完成第一个循环，然后再次循环。 

解决在检测过程中自动定位的技术方案是用轴上里程编码器测距和GPS里程校正系统相结合的定位方法。铁路隧道衬砌探地雷达检测车载在运行过程中，探地雷达一边采集衬砌内和衬砌后围岩的反射信号，一边采集里程信号，同时将两种信号写入记录，即探地雷达记录的开始部分是里程，然后是反射信号。定位部分的功能就是在检测过程中将隧道的里程适时地输入给计算机，写入雷达记录中。探地雷达数据经过后处理软件处理后，在雷达剖面图上发现异常时，就可以根据雷达剖面图上标明的里程，到现场找到异常对应的位置。现有的隧道衬砌探地雷达检测车在检测隧道时，在待检隧道入口停下来，给出初始里程值，然后开始检测，边测边打标记或边输入里程。而在正常列车运行速度条件下检测，尤其是两隧道间距很小时，特别在夜间运行，这种定位方法根本来不及，人工无法确定里程。因此提出一种用轴上里程编码器测距和GPS里程校正系统相结合的定位方法。在距待测隧道前，GPS里程校正系统在整公里标处得到该标的里程数，然后靠里程编码器脉冲信号来计算出检测车在隧道内 的实时里程。 

解决只采集记录隧道内探地雷达信号，减少检测数据量的技术方案是用激光水平测距信号来控制计算机只存储隧道内探地雷达数据.如果测点距离5cm，用六个通道采集数据，2G的数据文件只能保存8km的探地雷达数据。如果不区分隧道，连续采集数据，800km的线路将保存100个2G的文件，这个数据量是巨大的，数据分析将要很长的时间。因此在正常列车运行速度条件下要自动识别隧道，只采集记录隧道内探地雷达信号，减少数据量是需要解决的一个问题。解决的方法是在列车外侧边墙的位置两边各安置一个水平测距激光传感器，当激光传感器刚好进入待测隧道时，激光传感器的电流或电压超过设定的阀值，发出进入隧道信号给控制系统，探地雷达系统就开始记录数据。当检测车驶出待测隧道时，激光传感器的电流或电压低于设定的阀值，发出驶出隧道信号给控制系统，探地雷达系统就准备停止记录数据，为了信号处理的需要，再继续采集100个对空扫描信号作为背景信号，然后这两类数据一起保存一个文件，达到一个隧道一个数据文件，不采多余的数据。 

探地雷达信号处理中的去背景方法是探地雷达信号处理的关键技术。因为从发射天线直接进入接收天线的直达波(背景信号)和接触网结构的反射波都非常强，而来自隧道衬砌内和衬砌后以及围岩内的反射波都很弱。所以微弱的有效信号往往淹没在非常强的背景信号中，只有将背景值信号去除以后才能看到有效信号。常用的背景值方法有平均道去背景方法.参考道去背景方法和去直达波的方法。平均道去背景方法，将一定数量的数据道信号叠加后平均，作为背景道，然后让每道信号减去背景道，这样有异常的信号就突出来，它的缺点是如果所选用的平均道含有异常，则将有用的异常也去掉了，还有一个隧道断面变化很大时，平均的背景道与实际的背景相差就很大。参考道去背景方法，在同一隧道，隧道结构和围岩基本相同，以没有隧道病害处选择几道平均后作为参考道，然后让每道信号减去参考道，这样病害段与正常段的差异就显示出来，这种方法要求解释者对检测的隧道地质结构很熟悉才行。去掉直达波的方法是在空旷的地方将天线朝上，天线接收的信号仅为直达波，然后将直达波文 件存盘，处理信号时将每道信号都减去直达波，这样可以保留原有的隧道地质结构。本实用新型采用去掉直达波的方法去背景，但是不是整个一条铁路线采集一个对空直达波道信号，而是为了消除探地雷达系统内的随机噪声和长时间造成的温度飘移，每个隧道采集一次，这样采集的直达波能够反映当时的直达波信号，背景才去的干净。 

考虑到本实用新型雷达天线离隧道壁较远，在检测过程中也无法随时调整天线的角度，让天线辐射面与对应点隧道壁平面平行，所以有时入射波与隧道壁不垂直，实测隧道衬砌厚度会有一些误差，可用专用的分析软件来校正。 

本实用新型与现有技术相比的有益效果在于：可用于既有铁路线隧道衬砌质量和隧道病害普查。对于电气化铁路，不需要停电、不占用铁路维修天窗、不影响正常的铁路运输。本实用新型使检测速度大幅度提高，按我国目前慢行列车速度(80km/h)计算，与现有的检测车相比，效率提高了16倍；如果按最高检测速度(175km/h)计算，与现有的检测车相比，效率提高了35倍。 

附图说明

图1为本实用新型雷达天线布置图。 

图2为本实用新型正视图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。 

本实用新型铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，包括探地雷达部分、定位部分、激光测距部分。 

探地雷达部分由六个天线盒、六条十米长的五芯同轴电缆及电缆两端联接器、探地雷达主机、工控计算机以及电源组成。六通道探地雷达主机脉冲重复频率3MHz；每个通道的脉冲重复频率500kHz，扫描速率为976scan/s，每个扫描线由512个点组成。天线为TEM短喇叭空气耦合天线，中心频率为300MHz，每个天线盒内有三个天线，排成一字形，两边为发射天线，中间为接收天线。天线盒只有一个辐射面为绝缘材料，其他面为金属材料作为屏蔽。每个天线盒内装有两个发射机与两个发射天线，一个信号接收机与接收天线。发射机用来发射脉冲波，经整形、功率放大后加载到发射天线，发射天线向隧道壁发射电磁 波，在同一天线盒内的接收天线接收来自隧道衬砌内和衬砌后的反射波信号，并将反射波信号传给接收机，接收机经过采样保持、放大，再通过同轴电缆传送到探地雷达主机。探地雷达主机包含了以下部分：由220伏交流电转换为供给发射机和接收机、里程编码器、隧道激光传感器等所需的各种电压的直流电源；整个系统的同步信号、各通道发射机、接收机采样单元的触发信号和A/D转换单元的触发信号；A/D转换单元和计算机接口；里程处理显示模块；各种接口、连接器座。定位部分由列车轴上的里程编码器(距离测量传感器)和GPS校正系统组成。测距部分由激光传感器组成。测距部分的功能是通过激光传感器发射激光和接收障碍物反射回来的信号来感知检测系统是否在隧道内。 

按照图1将六个探地雷达盒分别安装客车联结体外，其中车体顶部有天线盒1和天线盒2，辐射面朝上分别与接触网对称；天线盒3和天线盒4辐射面分别朝向两边拱脚上50cm处；天线盒5和天线盒6分别朝向两边边墙，所有天线盒的长轴与线路方向一致，辐射面必须在机车车辆限界以内； 

在图2中，探地雷达主机9和用于探地雷达数据采集和记录的工控计算机10放在客车内的测试台上；将六个天线盒分别用六根十米长的五芯同轴电缆及联接器与探地雷达主机9相连；将列车轴上的里程编码器11也与探地雷达主机9相连；GPS天线12安装在车顶上与车内装GPS接收机13以及与装有GPS里程校正系统的工控计算机14相连。激光传感器7和激光传感器8分别安装在边墙天线盒5和边墙天线盒6内，其连接线与工控计算机10相连。 

探地雷达每个通道的工作过程如下：探地雷达主机9发出触发信号，通过同轴电缆发送给天线盒内的两个发射机，发射机发射电磁脉冲到发射天线，发射天线将电磁波发射出去，向隧道衬砌内传播，遇到电磁阻抗界面产生电磁回波，接收天线接收来自衬砌内和衬砌后的电磁回波，送入接收机采样后通过同轴电缆输入给探地雷达主机9内A/D转换电路，然后输入计算机10显示、存储。六个通道的工作过程如下：即第一通道发射信号，第一通道接收回过波信号；接下来第二通道发射信号，第二通道接收回波信号；再接下来第三通道发射信号，第三通道接收回波信号，……，直到第六通道发射信号，第六通道接收回波信号，完成第一个循环，然后依次循环。 

数据采集软件功能是接收里程编码器信号、激光传感器信号、采集与显示探地雷达信号，并根据激光传感器信号判断是否存储数据。数据采集过程由采集软件中的程序指令控制，检测车运行后，里程编码器11开始工作，探地雷达系统开启并设置参数，程序指令控制工控计算机10只抽道(每隔64个扫描线抽取一个扫描线)显示数据但不记录数据。在距待测隧道前，GPS里程校正系统在整公里标处得到该标的里程数，然后发送给用于工控计算机10，工控计算机10执行程序指令，在该里程数上累计里程编码器发来的脉冲数，计算出检测车瞬时里程。当刚好进入待测隧道时，激光传感器7和激光传感器8发出遇到隧道信号输入给计算机10。一般车载探地雷达在检测结束后采集对空背景信号，在长达数小时或数十小时的检测过程中，由于探地雷达系统的稳定性和电子元件温度飘逸以及随机噪声的影响，空气背景信号变化很大，用最后采集的空气背景信号去背景会造成大量的假异常。为了克服上述缺点，本实用新型在每个隧道检测结束后，立即采集对空背景信号，去背景后可以大幅度提高图像的质量。 

目前一般绿皮列车速度为80km/h左右，由于本例探地雷达每个通道的扫描速率为976scan/s，是444scan/s的两倍还多，在采集过程中由程序指令将两道信号叠加成一道，可使信噪比提高1.4倍。 

Claims (3)

1.一种铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，包括探地雷达、数据采集和数据后处理，其特征在于：六通道探地雷达的六个天线盒安装在客车联结体外，其中车体顶部天线盒(1)和天线盒(2)，辐射面朝上分别与接触网对称；天线盒(3)和天线盒(4)辐射面分别朝向两边拱脚上50cm处；天线盒(5)和天线盒(6)分别朝向两边边墙，所有天线盒的辐射面都在铁路机车界限以内，GPS系统的天线(12)位于客车的顶上，里程编码器(11)安装在车轴上，激光传感器(7)和激光传感器(8)分别安装在检测边墙的探地雷达天线盒(5)和天线盒(6)内；多通道探地雷达主机(9)及工控计算机(10)、GPS系统接收设备(13)、工控计算机(14)放在车内测试台上，六个探地雷达天线盒和里程编码器(11)与多通道探地雷达主机(9)用同轴电缆相连；多通道探地雷达主机(9)与工控计算机(10)相连；GPS系统的天线(12)与GPS接收机(13)及工控计算机(14)相连；激光传感器(7)和激光传感器(8)也与工控计算机(10)相连；工控计算机(14)与工控计算机(10)相连。

2.如权利要求1所述铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，其特征在于：六通道探地雷达脉冲重复频率3MHz，每个通道的脉冲重复频率500kHz，扫描速率为976scan/s，每个扫描线由512个点组成。

3.如权利要求1所述铁路隧道衬砌全断面车载检测装置，其特征在于：天线为中心频率为300MHz的TEM喇叭空气耦合天线，每个天线盒内有三个天线，排成一字形，两边为发射天线，中间为接收天线，天线盒只有一个辐射面为绝缘材料，其他面为金属材料。 

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