多道瞬態(tài)面波法在高鐵巖溶檢測中的應(yīng)用

桂 昊

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近年來，我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，高鐵里程逐年增長，許多高速鐵路路線規(guī)劃經(jīng)過巖溶發(fā)育地區(qū)如南廣高速鐵路、貴廣高速鐵路、武廣客運專線等。巖溶是地表以及地下的可溶性巖石受到水的機械沖刷和化學(xué)溶解的雙重作用，而產(chǎn)生的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，會對高鐵路基造成極大的破壞作用。因此，為了消除工程隱患，保證鐵路的安全運營，應(yīng)當對巖溶發(fā)育地區(qū)的路段進行定期的檢測[1，2]。

針對地下巖溶的檢測主要有鉆孔取芯觀察的方法以及地球物理勘探兩種方法，傳統(tǒng)的鉆探方法耗時長，會對鐵路的正常運營帶來巨大影響，并且具有一定的局限性，無法整體上了解地下巖溶發(fā)育情況。而適用于地下巖溶勘探地球物理方法主要有多道瞬態(tài)面波法、地震映像、地質(zhì)雷達、高密度電法等。與其他方法相比，多道瞬態(tài)面波法具有野外工作簡便快捷，不受巖土飽水程度影響，淺層分辨率高等優(yōu)點，近年來在高鐵巖溶檢測中被廣泛應(yīng)用。

本文以采用多道瞬態(tài)面波法對南廣高鐵某段巖溶檢測為例，針對工區(qū)實際地質(zhì)條件，建立起地質(zhì)模型，進行高精度交錯網(wǎng)格有限差分二維數(shù)值模擬，對溶洞的頻散曲線特征進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場巖溶檢測，認為多道瞬態(tài)面波法可以應(yīng)用于高鐵的巖溶檢測。

2 多道面波勘探技術(shù)

瑞雷波是在彈性界面附近由壓縮波和SV型剪切波的干涉疊加產(chǎn)生的，其特點為能量大，速度低，頻率低，衰減慢，信號容易被拾取。瑞雷面波的一個重要特征就是具有頻散現(xiàn)象，即在均勻的介質(zhì)中傳播，瑞雷面波的傳播速度VR與頻率無關(guān)，而在介質(zhì)的物理特性發(fā)生變化時，VR將隨著的頻率變化而變化，這就為瑞雷面波勘探提供了物理基礎(chǔ)。瑞雷波沿著地面表面?zhèn)鞑r，其穿透的深度大約為一個波長的長度，因為在同一水平面上，同一個波長的瑞雷面波的傳播特征與介質(zhì)的物理性質(zhì)的變化有關(guān)聯(lián)，那么通過記錄分析不同波長的傳播特征就能了解到地下不同深度范圍的情況。由于瑞雷波的能量主要集中在半個波長，所以地面測得的VR主要反應(yīng)半個波長范圍內(nèi)介質(zhì)的特性。在面波的傳播方向上布置N+1個檢波器，道間距設(shè)為ΔX，因此在N×ΔX長度范圍內(nèi)可以檢測出面波的傳播情況。這就為利用多道面波勘探勘探地下巖溶提供了可行性[2～6]。

3 巖溶數(shù)值模擬

表1為高速鐵路路基檢測中常遇到的三層橫向均勻介質(zhì)地質(zhì)模型的參數(shù)。該模型的縱橫波速度隨深度的增加而逐漸增大。以此模型進行正演模擬，研究面波在傳播過程中波場與頻散曲線特征(圖1)。

表1 三層均勻介質(zhì)地質(zhì)模型參數(shù)

圖1 三層均勻介質(zhì)模型

本次數(shù)值模擬選取主頻為30 Hz，頻率范圍為0～100 Hz的雷克子波，50道檢波器接收呈線性排列。采樣參數(shù)設(shè)為道間距2 m，炮間距5 m，偏移距2 m。采用彈性波動方程進行模擬運算，模擬得到地震記錄。對其進行頻散分析(圖2)。

圖2 均勻介質(zhì)地震記錄頻散譜

圖2中為第1炮和第10炮頻散譜，頻散譜基本相同。由于第1炮的炮點坐標為(0，0)，處于模型的左側(cè)邊界，頻譜相同說明設(shè)置的人工邊界對有限差分計算結(jié)果影響較小，沒有產(chǎn)生嚴重的干擾波。

從圖3中可以看出在均勻介質(zhì)中，模擬所得到頻散曲線基本相同，說明有限差分法可以穩(wěn)定地模擬彈性波場。通過有限元差分法來模擬面波的傳播過程是可靠的。

圖3 均勻介質(zhì)頻散曲線對比

以表2參數(shù)建立三層均勻介質(zhì)含溶洞的模型,在均勻介質(zhì)模型基礎(chǔ)上在地下10 m處設(shè)置一個長10 m、寬5 m的橢圓形溶洞模型，溶洞位于地表35～45 m處。震源仍采用主頻為30 Hz，范圍為0～100 Hz的雷克子波。圖4為三層均勻介質(zhì)含溶洞模型。

表2 三層均勻介質(zhì)含溶洞模型參數(shù)

圖4 三層均勻介質(zhì)含溶洞模型

對上述模型進行頻散分析，得到含溶洞模型的頻散曲線，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，頻散曲線整體上與均勻介質(zhì)的頻散曲線相似，但在20Hz附近出現(xiàn)“拐點”，并且各頻散曲線皆呈“之”字形。在“拐點”處，頻散曲線由于溶洞位置與各排列之間存在差異，導(dǎo)致頻散曲線形狀不同，但整體上頻散曲線較好地放映了溶洞的存在。證明了采用多道瞬態(tài)面波法對巖溶檢測是一種可行的方法。

圖5 含溶洞模型頻散曲線對比

4 工程實例

4.1 工程概況

勘探區(qū)域位于貴廣高鐵桂林段，區(qū)域內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，為了消除隱患，保證鐵路的安全運營，需要對鐵路沿線的巖溶發(fā)育情況進行檢測，采用多道瞬態(tài)面波法對高鐵沿線的巖溶發(fā)育情況進行勘探。

4.2 現(xiàn)場工作布置

在勘探區(qū)域內(nèi)設(shè)計3條平行于鐵路的測線，即路基左線、路基中線、路基右線。經(jīng)前期現(xiàn)場試驗，確定偏移距為8 m，道間距2 m，炮間距4 m，采樣點數(shù)2 K,采樣市場0.1 ms。使用12個4.5 Hz低頻檢波器的線性單邊排列系統(tǒng)。

本次檢測采用錘擊震源，使用18磅的大錘錘擊橡膠墊片，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在激發(fā)震源時，應(yīng)避免大錘的二次錘擊，以及在進行數(shù)據(jù)采集時其他的外界干擾如行人、車輛等。

4.3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理平臺是Geogiga Seismic軟件Suface Plus模塊。主要的處理流程包括：預(yù)處理、波形處理、頻譜分析、結(jié)果成圖四步。其中數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵是頻散曲線的提取，目前軟件內(nèi)提取方法有相位差法與F-K法兩種,相位差法的優(yōu)點在于可以使用較少的道數(shù)得到頻散曲線、橫向分辨率較高，缺點是對折射、反射及高階面波等體波噪聲敏感；F-K法的優(yōu)點是對體波噪音不敏感、不同視速度的波場自然分離、相速度提取穩(wěn)定，缺點是要求多檢波點進行數(shù)據(jù)采集，僅能獲取排列范圍內(nèi)的平均速度，降低了橫向分辨率。結(jié)合實際的情況，本次采用F-K法進行數(shù)據(jù)處理。

4.4 結(jié)果分析

通過對所得的地震數(shù)據(jù)進行處理，可以得到二維的速度剖面。選取其中K577+832～K578+332段剖面圖如圖6所示。

圖6 K577+832～K578+332速度剖面

圖中低速帶由冷色調(diào)表示而高速帶由暖色表示，速度隨著深度增加而增加，并且存在一條明顯的分界線大致在15 m處，應(yīng)為巖性界面。結(jié)合現(xiàn)場條件實際條件，將速度低于500 m/s的作為低速帶，500～800 m/s作為次低速帶，800 m/s以上的作為高速帶。

對3條測線的面波速度剖面進行分析，此區(qū)域內(nèi)表層為膨脹土、軟土及軟礫石土，中層為石炭系灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，下部為泥盆系灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，伴有溶洞發(fā)育。由結(jié)果圖可見，探測地段巖層總體上可分為兩層(圖中橫向虛線為分界線)。由結(jié)果圖可知，圖中淺部低速帶明顯，這是由于表層低速的第四系松散層所致的。而對于虛線下方，圖中顯示速度基本大于800 m/s判斷為灰?guī)r地層，而其中出現(xiàn)的速度小于500 m/s的低速帶，推斷為灰?guī)r地層中溶洞發(fā)育所致的異常區(qū)。說明多道瞬態(tài)面波法對巖溶檢測上具有良好的效果。

5 結(jié)語

(1)通過建立地質(zhì)模型，運用有限差分法進行瑞雷波數(shù)值模擬。根據(jù)頻散曲線特征的對比，可以看出頻散曲線對溶洞響應(yīng)特征，使用多道瞬態(tài)面波進行巖溶檢測是可行的手段。

(2)采用多道瞬態(tài)面波對貴廣高鐵進行勘探，勘探效果良好，可以準確反映出地下溶洞位置。多道瞬態(tài)面波法工作方法簡單高效，在巖溶檢測上具有良好的效果。