Диагностика балластного слоя георадиолокационным методом

В.Б. ВОРОБЬЕВ, В.И. КОЛЕСНИКОВ, А.В. МОРОЗОВ, В.Л. ШАПОВАЛОВ, В.А. ЯВНА
В Стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г., утвержденных 31 августа 2007 г., повышение эффективности перевозочного процесса рассматривается как приоритетная задача. Ее успешное решение во многом связано с использованием грузового подвижного состава нового поколения, создающего нагрузки до 30 тс/ось.
Для безопасного движения поездов в таких условиях эксплуатации объектов инфраструктуры необходима надежная конструкция железнодорожного пути, базирующаяся на современных инновационных инженерных решениях и высоком качестве ремонтов, что отметила расширенная выездная секция «Путевое хозяйство» НТС ОАО «РЖД» (г. Анапа, 17 декабря 2010 г.). Материально-техническое обеспечение этого вида работ связано с освоением больших финансовых ресурсов, что делает актуальным получение максимального экономического эффекта от их выполнения.
Решение этой задачи стимулирует развитие методов диагностики [1], включая скоростные, которые позволяют получать непрерывную информацию о фактическом состоянии балласта и земляного полотна на протяженных участках железнодорожного пути [2].
На сети железных дорог существует большое количество объектов (примерно 6 % общей протяженности пути) с дефектами и деформациями, которые требуют качественной диагностики и разработки обоснованных мероприятий по стабилизации пути. При этом изыскательские работы, базирующиеся в основном на визуальных осмотрах и точечном бурении скважин, зачастую не обеспечивают достаточную точность оценки состояния балластного слоя, подбалластной зоны и объектов земляного полотна.
Систематические наблюдения за состоянием объектов инфраструктуры железных дорог скоростными методами позволят выявлять деформации на ранних стадиях зарождения, контролировать их развитие, анализировать погодные и сезонные изменения основных физико-механических характеристик элементов пути. Такая информация необходима для уточнения заданий на проектирование ремонтов и реконструкции железнодорожного пути, повышения качества проектов за счет разработки мер по устранению зарождающихся деформаций, что приведет к уменьшению затрат на текущее содержание пути.
Среди скоростных методов диагностики в последние годы наиболее интенсивно развивается метод георадиолокации [3]. На железных дорогах мира используются различные георадиолокационные системы (см. www.zeticarail.com,www.idsaustralasia.com,www.saferailsystem.com, www.fugro-aperio.com). При всем разнообразии использованных технических решений, они имеют много общего:
размещение оборудования на специально предназначенных подвижных единицах;
использование многоканальных георадаров, обеспечивающих высокую скорость обработки информации;
оснащение комплекса оборудованием глобального позиционирования и системами управления видеопотоками.
Получаемая георадиолокационная, видео- и спутниковая информация обрабатывается специализированными программами, подавляющими помехи, обусловленные особенностями георадарных систем, наличием шпал и рельсов.
Программные комплексы позволяют профилировать слои, определять загрязненность, фракционный состав балластного материала, влажность и степень деформативности грунтовых слоев, учитывать результаты натурных измерений, привязывать получаемую информацию к применяемым на железных дорогах системам координат.
Данная статья посвящена созданию программно-аппаратного комплекса (ПАК) для скоростной диагностики состояния балластной призмы. В зависимости от характера решаемых задач разработанный ПАК можно использовать в составе подвижных средств — вагонов, диагностических комплексов, мотодрезин и др.
ПАК включает коротковолновые антенные блоки (1000—1700 МГц) для обследования балластного слоя, устройства спутниковой навигации и видеонаблюдения. Работа отдельных вычислителей ПАК синхронизирована по локальной сети. В состав ПАК в настоящее время входят программные продукты, реализующие обработку георадиолокационной информации в режимах реального времени и камеральной обработки, управление видеопотоками и подготовку отчетных форм документов.
ПАК обеспечивает выявление аномальных мест при обследовании пути в скоростном режиме для последующей детальной диагностики комплексами геофизических методов [4]. В качестве критериев выбора таких участков используют загрязненность, толщину балластного слоя, его однородность (число наблюдаемых слоев в балластной призме) и степень деформативности (крутизну слоев в балластных углублениях).
При скоростной диагностике пути принципиально важной задачей является привязка георадиолокационных трасс к железнодорожной пикетной системе координат. При размещении ПАК на подвижных единицах, не оборудованных собственными системами позиционирования, используют ГЛOHACC/GPS-технологии и электронную карту пути.
Алгоритм действий ПАК по привязке георадиолокационной информации к пикетной системе координат следующий:
из информации, формируемой при регистрации георадиолокационной трассы, выделяется время Т ее создания;
по данным, полученным со спутника, определяются глобальные географические координаты положения комплекса (фи — широта, v — долгота) в момент времени Т. Эта информация позволяет привязать радарограммы к глобальным координатам;
используя электронные карты пути, содержащие глобальные координаты ср и и пикетных железнодорожных столбов и объектов инфраструктуры, несложно получить положение трассы в принятой на железных дорогах системе отсчета.
На рис. 1 приведен фрагмент радарограммы, полученный при обследовании участка Сочи—Туапсе после применения выше описанного алгоритма. Вертикальными линиями отмечены километр/пикет в проектной системе отсчета.
Чтобы зафиксировать обнаруженные оператором особенности железнодорожного пути при движении георадарного комплекса (в режиме реального времени), алгоритм позволяет отметить тот участок радарограммы, который требует особого внимания при камеральной обработке.
При проведении георадиолокационных работ в составе комплексов, имеющих собственную систему синхронизации и позиционирования данных в железнодорожной системе координат (например, диагностический комплекс «ИНТЕГРАЛ» ЗАО «Фирма ТВЕМА»), ПАК использует данные привязки этой системы или выполняет выше описанный алгоритм.
Помимо положения километровых/пикетных столбов на приведенной радарограмме отмечены искусственные сооружения, оси которых содержатся в электронной карте пути, а также усредненные характеристики балласта: «Загрязненность», «Толщина балластного слоя», «Однородность балластного слоя» и «Степень деформативности».

14Геофизические методы составляют основу современной системы диагностики земляного полотна, базируются на изучении закономерностей изменения различных физических полей в грунтах земляного полотна в зависимости от их сложения, свойств и состояния. Физические поля в земляном полотне могут возникать от направленных воздействий постоянного или переменного электрического тока через забитые в грунт электроды (электрометрический метод); от воздействия ударных нагрузок (например, молотом) по грунту (сейсмический метод); от движущегося поезда (вибрационный метод); от излучения электромагнитных высокочастотных зондирующих сигналов (радиолокационный метод). Принципиальная схема применения геофизических методов состоит в следующем: возбуждение физических полей в земляном полотне — прием и преобразование ответных сигналов (отклик системы) — регистрация сигналов измерительной аппаратурой — автоматизированная система обработки полученной информации — интерпретация и инженерно-геологическое истолкование результатов диагностики. Геофизические методы, как правило, применяются в комплексе с небольшим объемом контрольного бурения (обычно 10-15 % от общего объема бурения, выполняемого при традиционном обследовании), что необходимо для более достоверной интерпретации и инженерно-геологического истолкования полученных данных. Ниже приведена краткая характеристика геофизических методов, которые применяются при диагностике земляного полотна.
Электрометрический метод с использованием профилирования, вертикального зондирования позволяет обнаруживать деформации основной площадки в виде балластных углублений и увлажненных зон грунта; определять карстовые полости; оценивать величину осадки насыпи на болотах; выявлять границы мерзлых грунтов в теле насыпей и их основании, а также решать ряд других задач. Наряду с электрическими измерениями по методикам профилирования и зондирования, когда измерения проводятся на поверхности земляного полотна, разработана модификация электрометрического метода — электродинамическое зондирование (ЭДЗ). Сущность ЭДЗ состоит в том, что в массив грунта на исследуемую глубину забивается ударами эталонного груза металлический зонд, состоящий из нескольких соединенных между собой труб. По мере погружения зонда в земляное полотно через определенные интервалы по глубине измеряется сила тока, пропускаемого в грунт через электроды, находящиеся на конце зонда. Метод ЭДЗ позволяет получать не только литологический разрез земляного полотна, но и данные о прочностных характеристиках песчано-глинистых грунтов до глубины порядка 5-7 м.
Сейсмический метод в модификации профилирования, продольного (вдоль пути) и кругового (на откосах насыпей) зондирования, просвечивания (сейсмотомогра-фии) тела насыпи с противоположных откосов позволяет решать подавляющее большинство задач, которые встречаются при всех видах диагностических исследований земляного полотна. Среди них детальные исследования внутреннего строения земляного полотна, определение водонасыщенных зон в насыпях и уровня грунтовых вод в их основании; оценка показателей свойств грунта и определение ослабленных по прочности зон в насыпях и их основании; обследование земляного полотна, эксплуатируемого в сложных инженерно-геологических условиях.
Вибрационный метод разработан для диагностики насыпей, которые рассматриваются в виде системы, преобразующей входное динамическое воздействие в виде поездной нагрузки в выходную реакцию (отклик системы), например в изменяющиеся во времени колебательные процессы. Определенному состоянию эксплуатируемой насыпи соответствует группа признаков, проявляющихся в виде различных параметров колебаний. В результате исследований на эталонных объектах земляного полотна разработана классификация диагностических признаков для различных видов деформаций. Существенным преимуществом такого метода является возможность оценивать динамическое состояние насыпи во время ее функционирования, то есть в процессе воздействия подвижного состава. Вибрационный метод применяется при рекогносцировочной диагностике насыпей с выделением аномальных объектов; при мониторинге состояния насыпей в процессе эксплуатации ж.-д. пути в круглогодичном цикле с целью прогнозирования их состояния, в том числе при организации скоростного движения пассажирских поездов; для обнаружения насыпей, предрасположенных к внезапным аварийным деформациям в процессе следования подвижного состава.
Радиолокационный метод основан на использовании излучаемых радиопередатчиком коротких электромагнитных сигналов, проникающих в грунт через передающую антенну. Отражаясь от слоев грунта, имеющих различные электромагнитные свойства, сигналы с информацией о состоянии среды улавливаются приемной антенной. По времени запаздывания между зондирующим и отраженным сигналами (О и скорости распространения радиоволн (v) определяется эхо-глубина залегания отражающего контакта: h = v-t/2. Скорость распространения радиоволн зависит от диэлектрической проницаемости грунтов (е). Различие величин е для разных грунтов позволяет определять границы между слоями грунта в земляном полотне и обнаруживать различные неоднородности. Радиолокационный метод характеризуется большой разрешающей способностью, технологичностью и высокими технико-экономическими показателями. Это объясняется возможностью непрерывных бесконтактных измерений с использованием транспортного средства. Для обследования сравнительно небольших по протяженности участков используется перемещающийся по рельсовому пути радиолокационный комплекс «Геодефектоскоп», созданный на базе георадара (транспортного средства типа дефектоскопной тележки) и другого вспомогательного оборудования. Измерительный комплекс «Геодефектоскоп» предназначен для оценки состояния верхней части земляного полотна на глубинах 1,5-2 м с привязкой к конкретным пикетам. Решаемые задачи: выявление балластных углублений в основной площадке, определение границ промерзания и оттаивания грунта, выделение участков с балластными выплесками и др. Измерения выполняются непрерывно по длине пути со скоростью передвижения оператора 3-4 км/ч. Принципиально возможно размещение георадиолокационной системы в вагоне-путеизмерителе и получение комплексной информации о диагностируемых параметрах верхнего строения пути и земляного полотна.