瞬態(tài)面波法在巖溶路基注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

吳德勝，何宇，盧松

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

瞬態(tài)面波法在巖溶路基注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

吳德勝，何宇，盧松

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

鐵路客運(yùn)專線修建在巖溶地區(qū)時(shí)，需要對巖溶地基進(jìn)行加固，巖溶地基注漿這種地基加固方法得到廣泛應(yīng)用。為了驗(yàn)證注漿效果，需要對其進(jìn)行檢測。本文重點(diǎn)介紹瞬態(tài)面波法的原理及其在滬昆鐵路貴州段注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用。瞬態(tài)面波法具有操作方便、快速、分辨率高等特點(diǎn)，且有相應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)，能保證檢測質(zhì)量。本文應(yīng)用實(shí)例表明，瞬態(tài)面波法是高效、可行的測試方法。

瞬態(tài)面波 巖溶注漿 質(zhì)量檢測

新建滬昆鐵路貴州段，地處云貴高原的低山地貌區(qū)，鐵路路基主要以填方通過，路基中心填高大都＜7 m。覆蓋層為坡殘積紅黏土，具有弱膨脹性。下伏基巖為白云巖、灰?guī)r，薄～中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育。地下水埋深較大，地下水主要為第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，地表水入滲是貴州地區(qū)巖溶地面塌陷的主要誘因。鐵路沿線地表調(diào)查可見溶蝕破碎帶、溶洞等巖溶現(xiàn)象發(fā)育。設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了綜合分析評價(jià)，要求對易塌陷區(qū)進(jìn)行巖溶地面塌陷注漿加固，以“邊探邊灌，探灌結(jié)合”的原則，采用無損探測的方法對路基巖溶整治效果進(jìn)行檢測。

瑞利波勘探方法是一種用于獲得橫波速度信息的無損探測方法，通過兩檢波器之間的距離以及在各個(gè)頻率下互功率譜的相位，就能夠得到相速度與頻率(或波長)之間的關(guān)系。由于其簡便快捷，同時(shí)對測試場地以及使用儀器要求十分寬松，從多道地震儀接收的地震展開排列到虛擬儀器接收的兩通道信號，都可以用來進(jìn)行面波頻散曲線計(jì)算與解釋，正好可以滿足對注漿效果進(jìn)行檢測的要求。

1 瞬態(tài)面波法探測原理

瞬態(tài)面波檢測方法的物理前提就是利用地下介質(zhì)間的物性差異，通過儀器接收人工激發(fā)或天然的地球物理場波速在空間或時(shí)間上的響應(yīng)，以達(dá)到探測地下介質(zhì)分布特征的目的。

在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)計(jì)算出來，即P波占7%，S波占26%，R波占67%。也就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。

研究證明:面波能量主要集中在地表下一個(gè)波長的范圍內(nèi)，而傳播速度代表著半個(gè)波長(λR/2)范圍內(nèi)介質(zhì)震動(dòng)的平均傳播速度。因此，一般認(rèn)為面波法的測試深度為半個(gè)波長。設(shè)面波的傳播速度為VR，頻率為fR，則面波的波長λR與速度及頻率有如下關(guān)系

當(dāng)速度不變時(shí)，頻率越低，測試深度就越大。

面波法是利用面波的上述運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征來進(jìn)行工程地質(zhì)勘察的物探方法。面波有三個(gè)與被測地層有關(guān)的主要特征:①在分層介質(zhì)中，面波具有頻散特性;②面波的波長不同，穿透深度也不同;③面波的傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

面波探測方法一般分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩種。這兩種方法的區(qū)別在于震源不同。瞬態(tài)法是在激震時(shí)產(chǎn)生一定頻率范圍的面波，并以復(fù)頻波的形式傳播;而穩(wěn)態(tài)法是在激震時(shí)產(chǎn)生相對單一頻率的面波，并以單一頻率波的形式傳播。瞬態(tài)法檢測時(shí)采用落重法，用25.4 kg大錘擊震。為了保證激發(fā)的質(zhì)量，采取的措施有:一是激發(fā)震源時(shí)落錘確保短促有力，避免有回振，而且盡量減小周圍環(huán)境中的振動(dòng)影響;二是通過多次信號疊加功能，剔除干擾雜波。瞬態(tài)面波法的工作原理如圖1所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，段內(nèi)場地下伏的完整巖體(泥質(zhì)砂巖、泥巖、煤層等)、采空區(qū)、巷道、富水極軟弱巖體、節(jié)理裂隙發(fā)育巖體、土洞、空洞、注漿固結(jié)體等之間存在著明顯的面波速度差異，因此具備了采用瞬態(tài)面波法檢測路基巖溶注漿加固效果的地球物理?xiàng)l件。

滬昆鐵路貴州段的檢測段中，場地內(nèi)的完整巖體、土層、巖溶洞穴、巖溶裂隙、巖溶充填物等之間存在著明顯的面波速度差異，因此具備了采用瞬態(tài)面波法檢測路基巖溶注漿加固效果的地球物理?xiàng)l件。瞬態(tài)面波法檢測判定標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》(TB 10106—2010)中的路基巖土體注漿質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)要求(見表1)確定。

圖1 瞬態(tài)面波法工作原理

表1 巖溶注漿質(zhì)量定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 現(xiàn)場工作布置及數(shù)據(jù)處理流程

測線垂直中線布設(shè)，測點(diǎn)均位于各測線上，測線間距7 m，測點(diǎn)間距7 m。檢波器以測點(diǎn)為中心，向測點(diǎn)的兩端展布，展布方向則根據(jù)測區(qū)的地形、地質(zhì)及場地條件作適當(dāng)調(diào)整。具體測線測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 瞬態(tài)面波法檢測線及測點(diǎn)布設(shè)示意

瞬態(tài)面波法檢測采集到的原始資料是面波沿地面?zhèn)鞑サ臅r(shí)距域振動(dòng)波形，它是由不同頻率的面波疊加在一起，以脈沖的形式向前傳播。因此，瞬態(tài)法記錄的信號要經(jīng)過x-t時(shí)距域、f-k頻率波數(shù)域、x-f距離頻率域、z-v深度速度域進(jìn)行分步處理，最終得到一條頻散曲線。瞬態(tài)面波法資料的處理解釋主要流程如下:

①檢查采集記錄的參數(shù)、質(zhì)量、振型，剔除合格記錄中的壞道;

③利用互相關(guān)函數(shù)求出兩個(gè)檢波點(diǎn)間各頻率波形的相位差Δφ(f);

④利用VR=2πfΔX/Δφ計(jì)算出各種不同頻率的面波速度;

⑤繪制面波頻散曲線VR～H;

⑥進(jìn)行z-v深度速度域反演，反演根據(jù)的頻散數(shù)據(jù)來自x-f距離頻率域;

⑦依據(jù)反演擬合的結(jié)果，結(jié)合檢測場地內(nèi)相應(yīng)地質(zhì)勘察資料，對頻散曲線進(jìn)行解釋，提取各地層面波速度，對可能存在的塌陷裂隙帶等不良地質(zhì)體進(jìn)行分析和綜合評價(jià)。

3 工程實(shí)例

路基段DK851+869—DK852+177檢測中，瞬態(tài)面波法累計(jì)共完成測點(diǎn)43個(gè)，獲取43條頻散曲線，由于所測瞬態(tài)面波VR反演地層結(jié)構(gòu)圖較多，該段選取2個(gè)具有代表性的點(diǎn)作詳細(xì)說明。

圖3 檢測點(diǎn)DK852+163(測線2)頻散曲線反演

檢測點(diǎn)1位于DK852+163(測線2)里程處。根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)勘察資料以及現(xiàn)場注漿孔、探灌結(jié)合孔等成孔資料，結(jié)合圖3進(jìn)行反演分析。該檢測部位經(jīng)注漿加固后頻散曲線較連續(xù)、拐點(diǎn)不明顯，擬合度達(dá)0.856，反演效果較佳。淺層深度0～-2.8 m范圍內(nèi)，反演層平均速度約為150 m/s，基本反映了上覆巖土體的波速值，與該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常。-2.8～-7 m范圍內(nèi)，反演層相速度平均值約為220 m/s，與該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常，對應(yīng)中～弱風(fēng)化白云巖層波速值。-7 m以下，反演層相速度高于300 m/s，均高于該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值，表明該檢測點(diǎn)位注漿效果較理想，質(zhì)量合格符合要求。

檢測點(diǎn)2位于DK851+963(測線3)里程處，該檢測部位經(jīng)注漿加固后，頻散曲線未出現(xiàn)離散現(xiàn)象，分層差異較好，擬合度達(dá)0.862，反演效果較佳。淺層深度0～-2.3 m范圍內(nèi)，反演層平均速度約為140 m/s，基本反映了上覆土體的波速值，與該深度范圍內(nèi)判別標(biāo)準(zhǔn)綜合所反映的波速值相比較，波速反映正常。-2.3～-6.8 m范圍內(nèi)，反演層平均速度約為210 m/s，基本符合對應(yīng)中～弱風(fēng)化白云巖層波速值，符合判別公式。-6.8 m深度以下，速度逐步增大，符合對應(yīng)巖體判別公式，反映了該檢測點(diǎn)位注漿效果較理想，質(zhì)量合格符合要求。

4 結(jié)語

瞬態(tài)面波勘探方法作為一種勘探路基注漿質(zhì)量效果的手段，具有快速、操作方便等特點(diǎn)。根據(jù)頻散曲線反演地層相速度大小，按對應(yīng)深度的定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定路基巖溶注漿質(zhì)量。在巖溶路基注漿質(zhì)量檢測中，具有操作方便、快速、高分辨率等特點(diǎn)。本文采用瞬態(tài)面波法對滬昆鐵路貴州段部分里程段進(jìn)行檢測，同時(shí)結(jié)合瞬態(tài)面波法檢測判定標(biāo)準(zhǔn)，判定路基巖溶注漿質(zhì)量，保證了工程施工質(zhì)量。應(yīng)用效果表明，在巖溶路基注漿效果檢測中，瞬態(tài)面波法是高效、可行的方法之一。

［1］孫進(jìn)忠，祁生文，張輝.瑞雷波探測方法在工程無損檢測中的應(yīng)用［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12(1):427-432.

［2］夏宇靖，楊體仁，楊戰(zhàn)寧.瑞雷波勘探方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用效果［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1995，23(3):29-33.

［3］夏唐代，蔡袁強(qiáng)，吳世明，等.各向異性成層地基中Rayleigh波的彌散特性［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1996，9(2):191-196.

［4］陳龍珠，黃秋菊，夏唐代.飽和地基中瑞利波的彌散特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(3):6-9.

［5］凡友華，肖柏勛，劉家琦.層狀介質(zhì)中軸對稱柱面瑞利面波頻散函數(shù)的計(jì)算［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(3): 1-5.

［6］李榮先.瑞雷波勘探在巖土工程勘察中的初步應(yīng)用［J］.巖土鉆掘礦業(yè)工程，1997，9(1):25-32.

［7］費(fèi)晗，李志俊，蔡德鉤.瞬態(tài)瑞利波法在檢驗(yàn)地基加固效果中的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2010(9):86-88.

［8］吳燕清，楊天春.瑞利波頻散曲線的反演［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(10):1097-1101.

Study on application of transient surface wave method to grouting quality inspection for karst subgrade

WU Desheng，HE Yu，LU Song
(China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 611731，China)

In the construction of passenger dedicated railway，foundation reinforcement stands as a necessary precaution for karst-area section.T herefore，the approach of karst foundation reinforcement is widely adopted in railway engineering，which requires quality inspection afterwards.Under such background，the paper explains in detail the transient surface wave method and its application to the Guizhou section of Shanghai-Kunming line.It has been verified that the approach stands out for its straightforward workflow，speedy operation and high resolution，and with a well-established criteria，it delivers a satisfied performance in quality inspection.W ith this in mind，the paper cites practical examples in its discussion in an effort to prove that transient surface wave method is efficient and therefore applicable.

T ransient surface wave method;Karst grouting;Quality inspection

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.25

1003-1995(2015)02-0089-03

(責(zé)任審編趙其文)

2014-02-24;

2014-11-17

吳德勝(1974—)，男，四川德陽人，高級工程師。