瞬態面波法在崗山隧道明洞巖溶探測中的應用

摘要：我國巖溶地質比較發育，類型之多為世界罕見。工程施工中，經常采用各種探測手段對施工區域巖溶進行探測，如地質雷達法、高密度電法等。文章結合高鐵巖溶隧道工程施工實例，論述了瞬態面波法的原理及工作方法，分析其優缺點，為同類施工提供參考。

關鍵詞：隧道工程；瞬態面波法；巖溶地質；溶洞；地質雷達法；高密度電法 文獻標識碼：A

中圖分類號：P631 文章編號：1009-2374（2016）12-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.065

巖溶是可溶性巖層（包括碳酸鹽、硫酸鹽、巖鹽等，如石灰巖、白云巖、白云質灰巖、石膏等）受具有溶解能力的水進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的長期作用而成的。隧道施工中遇到情況各異的溶洞，都會給施工帶來一定的困難，對隧道的危害也是多方面，因此了解與施工有密切關系的溶洞就顯得至關重要。除了熟悉設計提供

的溶洞里程、規模及類型外，必須在隧道施工中掌握更為詳細的資料，如溶洞位置、溶洞大小、填充情況、發育程度、儲水及補給等，以便于對溶洞進行處理，確保施工安全。

1 工程概況

新建合福鐵路DK202+006.75崗山隧道位于安徽省涇縣靠山西南側，崗山隧道工程地質巖性表層為Qel+dl粉質黏土，灰黃，褐灰色，硬塑。厚約0.5～6.0m，Qel+dl粗角礫土，褐黃色稍濕稍密，其中碎石含量約53，粒徑約1～8cm，主要成分為砂巖及灰巖，P2l二迭系上統龍潭組灰巖，灰白色，青灰色，全風化～弱風化，隱晶-微晶結構，中厚層構造。C1～3石灰系上統～下統并層，淺灰色，灰白色，全風化～弱風化，隱晶-微晶結構，中厚層構造。D3W泥盆系上統五通組粉砂巖：灰白色，青灰色，全風化～弱風化，中粒結構，塊狀構造。S3m志留系下統茅山組粉砂巖：灰白色，青灰色，全風化～弱風化，中粒結構，塊狀構造。隧址區不良地質現象主要為巖溶。地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水、構造裂隙水及巖溶水，水量受大氣降雨影響較大。孔隙水較發育，裂隙水不發育。DK202+370～DK202+354段明洞地質表層為粉質黏土，局部夾礫石，下伏灰巖，灰白～青灰色，巖體破碎。明洞基底開挖后，地層揭示為灰巖，局部溶腔出露充填黏土。根據高速鐵路隧道工程施工技術指南要求：二次襯砌施工前，應采用物探手段檢查周邊環形加固層及層外圍巖情況，重點檢查拱部、底板、邊墻5m內是否存在有害空洞，隧道底部是否密實。為保證施工安全，需進一步探明此段巖溶發育情況，以便為處理方案提供依據。

2 面波探測原理

通常，工程勘查中應用的面波技術為瞬態面波法，是用一定重量的錘子錘擊墊板或少量炸藥爆炸激發產生面波，每次激發均能產生多種頻率，這樣檢波器能接收到各種頻率成分的信號。

瞬態面波法又稱表面波頻譜分析法。瑞利波（簡稱R波）在非均勻介質中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實測結果表明，當探測的巖土層介質較為均一時，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現不同介質的分界面時，頻散曲線會出現一個所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉入下一層漏能型面波，且此轉折點與兩介質間的界面埋深有密切的關系（一般為相應頻率R波的半個波長），由此可依據實測頻散曲線的“Z”字型變化點來劃分地下巖性變化的分界面。

人工激發產生面波后，由垂向檢波器接收面波的豎向分量，根據頻譜分析，可以得到兩信號的自功率譜、互功率譜、傳遞函數及相干函數；由互功率譜可以得到兩信號由于波傳播過程中的時間滯后所產生的相位差的關系，即求得實測的頻散曲線，再由成層地基動力學理論和反分析法可求得剪切波速度和深度的關系。計算公式為：

式中：為測試深度；為面波的速度；為所選單頻面波的頻率；為離散點的頻率步長；為頻率增加而增加的勘探深度。由于負號的作用，勘探深度是隨著頻率的增加而減小的。

3 探測施工

3.1 現場布置及要求

根據勘查要求，結合現場條件，在DK202+354～DK202+370段（實際里程）沿明洞基底延展方向各施工三條測線，采用面波波速映像法探測，其中RSL-1測線為隧道軸線左5m位置、RSL-2測線為隧道軸線位置、RSL-3測線為隧道軸線右5m位置。

采集面波的檢波器按如下四個原則布設：（1）采用線性等道間距排列方式，震源在檢波器排列以外延長線上激發；（2）道間距應小于最小勘探深度所需波長的二分之一；（3）檢波器排列長度應大于預期面波最大波長的一半（相應最大探測深度）；（4）偏移距的大小需根據任務要求通過現場試驗確定。

現場采用單邊排列觀測系統布置，其是指僅在接收點排列一側激發的觀測形式。其中某一單邊排列接收道數為R=4、道間距為I=2m、偏移距為O=4m、移動步距為P=1m。

3.2 數據采集及結果處理

本次探查采用Geopen型12道地震探測儀及4.5Hz低頻頻檢波器，采用18磅重錘激發產生面波，分別對測線RSL-1、RSL-2和RSL-3進行探測。

現場數據采集時，所有測點均安排同一人使用錘擊方式產生面波，并盡量使每次錘擊下落高度一致，錘擊力度均勻，以達到理想探測效果。現場各種施工機械均停止作業并熄火，防止產生振動，整個探測過程約30min。

根據實際揭露地質情況分析，探測里程局部地段巖溶發育，溶洞空腔基本為泥質填充，考慮面波在均勻介質中，表現為無頻散特性，因此可通過探測結果中面波的影像結果，分析其中的“之”字形拐點，并根據提供的地質資料，獲取對應的異常區域。

圖1為DK202+354～DK202+370里程段巖溶勘查面波影像結果。根據地質資料可知，該里程段為灰巖。現場揭露可見該里程局部地段巖溶發育，淺部表現泥巖互層、互夾現象，面波影像評價其波速值低，巖層巖溶為粉質黏土填充，強度低；深部巖層波速值有所增大，巖體強度有所提高，但整體表現不均勻，表明巖層內部受泥質填充程度不均，泥石交融，其中局部存在較低速帶，主要為泥質填充物集中區，推測為較大范圍巖溶段，主要表現在YC1、YC2和YC3。

根據分析結果，推測溶洞發育范圍及大小如下：YC1（測線RSL-1）DK202+354～DK202+358處溶洞為頂埋深6m，底埋深10.5m，水平規模約2.8m，YC2（測線RSL-2）DK202+366～DK202+370處溶洞為頂埋深4m，底埋深11.5m，水平規模約4m，YC3（測線RSL-3）DK202+361～DK202+363處溶洞為頂埋深4.5m，底埋深8m，水平規模約3.5m。

4 鉆孔驗證

為利于對溶洞的下一步處理，同時側向對探測結果進行驗證，現場采用XJ100型豎向工程鉆機對異常地段進行鉆孔。根據物探鉆孔結果顯示，在探測異常位置均發現大小不一的溶洞，溶洞位置、埋深等與探測結果相符。

5 技術優點及缺點

根據面波法探測的原理，結合施工中的應用實例，分析出面波法具有以下優缺點：

優點：（1）淺層分辨率高：同一介質中面波較其他類型的彈性波傳播速度小，且只在表層某一深度內傳播；（2）不受各地層速度關系的影響：面波法只要求具有波速差異，即使差異只有10%也可以精確進行分辨；（3）探測過程需求簡單：面波法的工作條件較其他淺層地震方法工作條件操作簡單，施工場地小，資料處理快，工作效率高；（4）面波易于激發，單人操作即可激發。

缺點：（1）測試深度相對較淺，一般為20～30m；當測試深度加大時，要求配備較高等級的儀器；（2）測試處的地層為水平層狀展布、當層間波阻抗差異較小時劃分的層位與鉆孔剖面有一定誤差等；（3）面波容易受其他振動影響。施工時需要盡量將其他能產生振動的設備停止運轉或移出影響區域。

6 結語

由于隧道地質情況的復雜性和人們對地球認識的局限性，給隧道施工帶來了很多困難，同時巖溶溶洞具有隱蔽性和不確定性，對鐵路隧道施工會造成重大的安全隱患，所以應根據施工場地的地形條件及施工條件，選擇經濟高效的探測方法對溶洞進行勘查，查明其賦存狀態，以消除安全隱患。瞬態面波法能較好地探測出巖溶的異常區域，為后續的施工處理提供必要的依據，且該法操作簡單、易于操作，現場僅少量工人配合就能達到良好的效果。同時，由于每種探測手法均存在局限性，特別是在巖溶段施工時，應綜合運用各種探測手法的優勢，準確地對巖溶進行探測，必要時并輔以地質鉆孔側向驗證探測結果，為巖溶的后續處理提供依據。

參考文獻

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作者簡介：耿明星（1984-），男，河南駐馬店人，供職于中交第三航務工程局有限公司廈門分公司，研究方向：高速鐵路、高速公路施工。

（責任編輯：秦遜玉）