綜合物探技術在石膏巖巖溶路基探測中的應用

劉 杰，程遠水，姚建平

(1.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

綜合物探技術在石膏巖巖溶路基探測中的應用

劉 杰1，2，程遠水1，2，姚建平1，2

(1.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

巖溶易引起路基坍塌和下沉，是嚴重危害鐵路運輸安全的路基病害。本文采用探地雷達和多道瞬態面波相結合的綜合地球物理探測方法，對青藏鐵路K1333+000—K1333+660段石膏巖路基進行探測。結果表明，該段路基存在多處巖溶病害及巖溶引起的次級病害。后期的鉆孔結果驗證了本次測試的準確性。采用探地雷達和多道瞬態面波綜合物探技術，能夠較為全面、高效地檢測路基中可能存在的隱患，可為及時采取加固處理措施提供依據。

青藏鐵路 巖溶路基 探地雷達 多道瞬態面波 綜合物探

巖溶是水對可溶性巖石進行化學溶蝕、沖蝕、潛蝕等綜合地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。我國是巖溶多發國家，每年由巖溶引起的損失巨大;同時巖溶災害具有突發性和隱蔽性，因此，在巖溶地區對鐵路干線等重要的建筑物進行巖溶調查是十分必要的。當線路下方存在巖溶洞穴時，在列車振動荷載作用下上覆土體失穩、路基塌陷下沉，嚴重影響列車的運營安全。因此必須采用合理探測手段，準確判定路基巖溶病害規模、分布情況，并及時整治加固，保持線路狀態良好，減少列車運行安全隱患。由于巖溶的發育規模和分布狀況受地質構造、巖性、地形地貌以及地下水影響較大，單一探測方法很難取得滿意的探測效果。本文針對青藏鐵路石膏巖巖溶路基特點，在不干擾線路運行的情況下，采用探地雷達和多道瞬態面波相結合的綜合物探技術對K1333+000—K1333+ 660段進行巖溶探測，為采取加固措施提供依據。

1 基本原理

1)探地雷達原理

探地雷達利用電磁波在地下介質中的傳播、反射機理來實現探測目的。在地下介質中，雷達波的能量方程可表示為

式中:E0為雷達初始能量;j為虛數單位;ω為頻率; t為雷達波傳播時間;α為相位常數;β為衰減系數(吸收系數);r為雷達波傳播距離。

相位常數和衰減常數具有如下關系

式中:μ為磁導率;ε為介質的介電常數;σ為介質的電導。

對于低導介質(σ/ωε＜＜1):

對于高導介質(σ/ωε＞＞1):

通過上述分析可知電磁波在地下介質傳播過程中具有以下特征:

①衰減常數表明電磁在傳播過程中，信號呈指數衰減。頻率ω越高，電導σ越大，衰減量越大。尤其在含水高導地層中高頻衰減很快，探地雷達接收到的信號以低頻為主。

②電磁波在介質中傳播時，各個頻率分量的電磁波以不同的相速度傳播，經過一段距離后，它們相互之間的相位關系發生改變，從而導致信號失真，這種現象叫色散。尤其在高導地層中，色散現象更為明顯。

③電磁波反射波能量僅與分界面兩側介質的介電常數大小有關。當兩側介質的介電常數相同時，反射系數為0，僅有透射而不發生反射。路基基礎的松散至空洞破壞了路基基礎的層面反射信息，反射能量很弱，甚至沒有反射，雷達接收信號以低頻為主。對于含水地層，水的相對介電常數較大，因此電磁波進入含水地層，反射能量較強，而頻率降低。

2)瑞雷面波勘探原理

當在介質表面施加一瞬態激振力時，將產生不同頻率的瑞雷波。在波的傳播方向以相同距離ΔX布設n+1個檢波器，即可接收到nΔX長度范圍內傳播的瑞雷波(如圖1所示)。對采集記錄的任意兩道相鄰的時域信號f1(t)，f2(t)，根據傅里葉變換，其頻譜分別為

且兩者存在下列關系:

式中:VR(ω)為圓頻率為ω的瑞雷波的相速度;f為頻率，且ω=2πf;φ為相鄰兩道信號的相位差。

圖1 多道瞬態瑞雷波測試原理示意

對于同一測點，根據一系列不同頻率fi對應的VRi值，可以繪出一條VR-f頻散曲線。對于存在巖溶異常的區域其頻散曲線也存在很大差異，據此可以判斷巖溶的位置及規模等。

2 工程概況

青藏鐵路是我國西部重要的交通運輸線路，線路運營一段時間后，K1333+260處路基左側發生邊坡塌陷，塌陷深度較深，呈上面小下面大的錐形，在K1333 +670—K1333+770段路基發生沉降。

該段表層角礫土厚16～20 m，下伏石膏巖、砂巖等，節理裂隙發育。石膏巖為易溶性巖石，在未飽和地下水作用下易溶蝕形成溶洞。同時，受晚更新世溫雁斷層構造影響(該斷層源于通天河盆地南緣，為逆沖斷層，伴有左旋走滑性質，向東延伸在雁石坪北約2 km處越過青藏鐵路)，該區域發育多條次生小斷層。斷裂控制了現代地貌，布曲河基本沿該斷層走行。

布曲河位于線路左側，為本段主要河流。地表水主要為附近沖溝中的季節流水，地下水主要發育在石膏巖裂隙及溶洞中，為大氣降水補給，徑流活躍，水量不穩定，為硫酸鹽中等侵蝕性水。地表水與地下水的硫酸根離子含量存在很大差異。地表水屬未飽和水，對于硬石膏巖層具有很強的溶解能力，為巖溶發育提供了有利條件。在上述水文地質因素的控制下，該區域主要地貌單元屬于山前緩坡地帶，地表植被稀疏，地形起伏較大，地表多發育有碟形洼地，局部可見歷史塌陷痕跡。

3 測試設備與方案

本次探測采用美國地球物理勘探公司(GSSI)生產的SIR-3000型探地雷達及100 MHz加強型天線;瞬態面波采用北京水電研究所生產的SWS-Ⅰ型24道面波儀。

為有效查明異常分布情況，在線路左、右路肩及線路中心各布置1條雷達測線。為獲得較深處的地下情況，采樣時窗設為300 ns，采樣點數為1 024，采用自動增益方式。同時，為了保持雷達數據和現場具有更好的對應性，采用5 m打單標，整50 m打雙標的形式在現場做標記。

根據現場情況，在線路中心和線路的左坡腳布置2條面波測線，炮檢距6 m，道間距2 m，采樣時窗1 200 ms，采樣間隔0.5 ms，4道滾動;檢波器的主頻為4 Hz;采用錘擊震源，加大加重錘墊，以便產生更多低頻信號，增加探測深度。

4 探測結果

1)探地雷達結果

通過對探地雷達數據的處理分析，發現在探測區段內存在多處巖溶及路基下沉、不密實等巖溶次級病害，其中較為典型的如圖2和圖3所示。

圖2為K1333+070—K1333+085段雷達探測剖面。在K1333+073—K1333+081，120～290 ns時間范圍內(框內)，存在大量的高能量強反射，且波阻抗不連續，推測該區域路基下方6 m基巖存在大量溶溝或溶蝕牙，且溶溝和溶蝕牙內有水體活動。

圖3為K1333+335—K1333+350段雷達探測剖面。在K1333+345—K1333+350，160～290 ns時間范圍內存在半圓形寬振幅、高能量、低頻強反射。根據反射體的形狀特征，推斷該處存在較大巖溶，后為地質鉆孔所證實。

2)瞬態面波結果

對測區內瞬態面波進行處理，得出各炮點的頻散曲線，反演出測區地層面波速度剖面，如圖4所示。由圖4可見整個測區內K1333+020—K1333+080，K1333+ 270—K1333+395，K1333+425—K1333+445和K1333+500—K1333+582共4段，6～15 m深處面波波速明顯降低，呈漏斗狀，推測為巖溶塌陷造成的路基下沉，結構松散不密實。與探地雷達探測結果基本一致。

圖2 K1333+070—K1333+085雷達剖面

圖3 K1333+335—K1333+350雷達剖面

圖4 K1333+050—K333+582瞬態面波檢測成果

5 結論

1)探地雷達具有較高的分辨率，能夠探測既有線路基內部細微變化，是鐵路路基探測的有效手段。

2)利用多道瞬態面波在非均勻介質中傳播時的頻散特性，不僅能夠檢測地下介質的異常情況，而且還可以反演面波在不同介質中傳播的相速度，很好地評價介質的物理力學指標。

3)采用探地雷達及多道瞬態面波的綜合物探手段，能夠較為準確地探測出青藏鐵路石膏巖地段路基內部存在的溶洞及其引起的次級病害，降低物探方法多解性，提高物探解釋的可靠性，為鐵路運輸安全提供可靠的技術保障。

4)采用探地雷達和多道瞬態面波綜合物探探測技術，能夠使兩者取長補短優勢互補，與其它方法相比這種綜合技術能夠全面、精確、高效地檢測路基中潛在的隱患。

［1］劉爭平.青藏鐵路石膏巖溶路基病害原因分析［J］.中國地質災害與防治學報，2008，19(1):59-61.

［2］陳昌彥，白朝旭，黃昌乾，等.多道瞬態瑞雷波和探地雷達技術綜合評價柔性復合地基加固質量［J］.物探與化探，2006，30(4):361-365.

［3］蔣向軍，韓永琦，李來喜.地震層析法在調查鐵路路基塌陷區中的應用［J］.工程地球物理學報，2007，14(11):37-39.

［4］劉杰，程遠水，姚建平，等.青藏鐵路K1333+000—K1333 +670石膏巖路基探測報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2008.

［5］李大心.探地雷達原理及應用［M］.北京:地質出版社，1993.

［6］楊峰，彭蘇萍.探地雷達探測原理與方法研究［M］.北京:科學出版社，2010.

［7］蔣小珍，雷明堂，顧維芳，等.線性工程路基巖溶土洞(塌陷)檢測技術與方法綜述［J］.中國巖溶，2008，27(11): 172-176.

［8］劉志新，劉樹才，于景邨.綜合礦井物探技術在探測陷落柱中的應用［J］.物探與化探，2008，32(2):212-215.

［9］于海兵，王少欽，王天亮.探地雷達技術在探測墩下隱伏巖溶中的應用［J］.石家莊鐵道學院學報，2008，20(2):69-72.

［10］周先明.鐵路路基巖溶隱伏洞穴的探測和整治方法［J］.路基工程，1999，87(6):55-59.

Application of comprehensive geophysical exploration technology in detecting of karst in gypsum rock subgrade

LIU Jie1，2，CHENG Yuanshui1，2，YAO Jianping1，2
(1.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As one of the major safety concerns in rail transport，karst is prone to trigger subgrade collapse or settlement.Comprehensive geophysical exploration technology was applied，where ground penetrating radar and multi-channel transient surface wave are combined，to detect the gypsum subgrade at K1333+000—K1333+660 section on Qinghai-Tibet railway.The results which are proven consistent to that of the drilling conducted afterwards show that multiple karst defects and secondary karst-induced defects can be found.Therefore，it can be said that the integrated approach applied in this paper is able to locate any possible defect，so as to carry out necessary reinforcement accordingly.

Qinghai-Tibet railway;Karst subgrade;Ground penetrating radar;Multi-channel transient surface wave; Comprehensive geophysical exploration

U416.1+61

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.14

1003-1995(2015)01-0063-04

(責任審編 葛全紅)

2014-08-10;

2014-09-20

鐵道部科技研究開發計劃項目(2012G012-A)

劉杰(1971—)，男，江蘇睢寧人，副研究員，碩士。