綜合物探技術在鐵路路基基底隱伏巖溶勘查中的應用

馬瑞濤

（中鐵資源集團勘察設計有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

在鐵路的建設過程中，路基的安全問題不容忽視，而地下的隱伏巖溶是影響鐵路路基穩(wěn)定的重要因素之一。因此，為了確保鐵路路基的穩(wěn)定與沿線的行車安全，對鐵路路基基底的隱伏巖溶進行排查就顯得十分必要[1]。

目前，路基勘查方法種類較多，包括地震映像法、地質雷達法、瞬態(tài)面波法和高密度電法等，相關技術方法也較為成熟[2-3]。該文考慮施工區(qū)域地質條件和探測目的差異，在某高鐵路基基底的隱伏巖溶探測中選用了直流電阻率法和瞬態(tài)面波法相結合的綜合物探方法，探測結果也得到了鉆探驗證，實際結果表明了該方法的可行性和有效性，對今后的鐵路建設工作中的路基巖溶勘查具有一定指導意義。

1 工程概況

根據以往地質資料，某鐵路沿線地形、地質條件復雜，區(qū)域地質作用較劇烈，碳酸鹽巖分布廣泛，不良地質較發(fā)育，有地質災害發(fā)生，類型很多。影響鐵路工程的溶洞、溶腔、溶蝕洼地、隱伏溶洞和破碎帶等巖溶形態(tài)很多，主要發(fā)育于寒武系至奧陶系的灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r夾頁巖中。巖溶對鐵路工程的影響和危害包括3個方面：一是隱伏巖溶洞穴對建筑物基礎穩(wěn)定性的影響；二是巖溶涌水對地下工程造成危害，或因排泄不暢，形成地面積水、冒水，對路基和其他地面工程造成危害；三是巖溶地面塌陷，它是巖溶地區(qū)路基地段普遍而又具災難性的威脅，因此需要采用物探技術對該高速鐵路沿線路基進行勘查。

2 方法選擇

2.1 地球物理前提

沿線覆蓋層以坡洪積層及坡殘積層的粉質黏土、黏土為主，河谷及階地分布有沖洪積的黏性土、砂類土及碎石土；填方及換填部位成分主要為碎石土；基巖巖性以灰?guī)r、白云巖類可溶巖為主，相間分布頁巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁巖及煤系地層，局部地段有花崗巖及砂巖分布。溶洞、破碎帶以及溶腔等形式的巖溶與上述地層存在明顯的物性差異，為本次巖溶探測工作提供了良好的地球物理前提。

由于本段鐵路沿線主要為土質路基，巖溶發(fā)育較為強烈，因此根據路基（土質路基及巖質路基）的不同特點選擇直流電阻率法和瞬態(tài)面波法相結合的綜合物探方法，以達到隱伏巖溶探測的目的。

2.2 直流電阻率法

直流電阻率法是以巖石的導電性差異為基礎，通過對人工電流場的分布規(guī)律進行觀測和研究，達到解決地質問題的方法[4]。其基本原理是如下：不同巖層或同一巖層由于成分或結構等因素的不同而具有不同的電阻率，通過接地電極將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場，在地表觀測電位變化，以了解巖層的分布特點[5]。

直流電阻率法通過供電電極A、B向地下供電，然后測量電位電極M、N兩極的電位差?UMN，進而獲得該測點的視電阻率（ρs），其表達式如公式（1）所示。

式中：K為裝置系數(shù)；?UMN=UN-UM；I為供電電流。

當AB極距離小時，電流分布淺，ρs曲線主要反映淺層情況；AB極距大時，電流分布深，ρs曲線主要反映深部地層的影響。

2.3 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法是利用瑞雷面波的頻散特性及瑞雷面波與介質的物理性質的相關性，獲得不同深度上介質的速度參數(shù)，推斷地下界面的起伏變化、劃定局部異常體的一種地球物理勘探方法[6]。瑞雷波在地下傳播過程中，其振幅隨深度衰減，能量基本限制在一個波長范圍內，同一波長瑞雷波的傳播特性反映地質條件在水平方向的變化情況，不同波長瑞雷波的傳播特性反映不同深度的地質情況[7]。

瞬態(tài)面波法的測點對應接收排列中點，震源點、檢波點按照一定的間隔（點距）同步向前移動，以獲得覆蓋探測線路的連續(xù)面波數(shù)據。對按照一定間隔（點距）采集的面波記錄的多個檢波器信號進行逐道頻譜分析和相關計算，綜合全部測點處理結果形成面波剖面成果圖，分析地下介質的連續(xù)變化、確定局部異常體范圍以及大致深度及性質，面波勘探為排列長度內一定深度范圍地下介質的綜合反映[8]。瑞雷面波法數(shù)據處理過程中通過多道疊加可消除大量隨機干擾、強化瑞雷波和壓制縱橫波，具有能量強、信噪比高的優(yōu)點[9]。

3 測線布置和數(shù)據采集

根據該鐵路規(guī)劃情況，本次在左、右軌道中線各布置1條測線，共計2條。直流電阻率法數(shù)據采集選用重慶精凡科技有限公司生產的N2型電法儀，根據工區(qū)的地質條件和勘探深度要求，最大電極距AB/2為50 m～70 m，沿線路方向布極。瞬態(tài)面波法數(shù)據采集選用GEOMETRICS生產的NZXPII型工程面波儀、寬頻帶檢波器（3 Hz～1000 Hz），以獲得高保真度、寬頻帶的地震波信號。選擇一次激發(fā)、多道（12道）接收的工作方式，道間距2 m，偏移距4 m，點距2 m，采樣間隔0.0625 ms，采樣長度500 ms，疊加次數(shù)2～4次；激發(fā)震源為20磅大錘。

4 數(shù)據處理及結果分析

4.1 數(shù)據處理

直流電阻率法數(shù)據處理采用快速最小二乘法對電阻率數(shù)據進行二維反演。此處理方法反演速度快、反演結果顯示直觀，并且可帶地形反演進行地形校正。數(shù)據處理流程具體包括對原始數(shù)據格式轉換，將數(shù)據轉換成反演軟件可識別的文件；編輯數(shù)據，剔除RSM較大數(shù)據及手動剔除電阻率異常值，旨在剔除不合理數(shù)據，如接地不良、電極極化不穩(wěn)引起的壞數(shù)據；數(shù)據反演，將數(shù)據調入反演軟件，設置反演參數(shù)、修改模型層厚度因子、選擇反演方法，并根據各斷面實際情況確定是否選擇約束，最后反演得到反演成果圖。

瞬態(tài)面波法數(shù)據處理主要包括預處理，對采集到的數(shù)據進行整理和檢查；時間-空間域提取面波，在原始記錄中將除瑞雷波之外的縱波、橫波和其他轉換波在時間-空間域加適當?shù)拇翱谟枰耘懦唤㈩l率-波數(shù)譜圖，在頻率-波數(shù)域（F-K域）區(qū)分不同類型波及面波不同模態(tài)。通過對多個檢波器采集的地震信號進行逐道頻譜分析和相關計算，并進行疊加，以消除隨機干擾、壓制縱橫波，強化瑞雷面波；提取面波頻散曲線，結合地質資料及原始記錄區(qū)分基階模態(tài)面波能量圖譜分布范圍，按照連續(xù)拾取模式提取基階波頻散數(shù)據；頻散曲線正反演擬合，結合地質資料進行正反演擬合、繪制解釋成果斷面圖等步驟。最后按照測點里程號坐標、深度、視橫波速度值繪制視橫波等速度斷面圖，在此基礎上依次對地下界面起伏變化、局部異常體范圍及性質進行推斷解釋。

4.2 直流電阻率法結果分析

經過數(shù)據處理得到測線1和測線2的電阻率剖面結果如圖1所示。從圖1可以看出，測線1在DK38+960～DK39+010段內，近地表附近（0.0 m～1.0 m）的電阻率呈現(xiàn)中高阻特征，且橫向連續(xù)性較差，是覆蓋層的反應；在淺部（1.0 m～6.0 m）表現(xiàn)為高阻特征，且連續(xù)性較好，推斷該范圍內基巖較為完整；在橫向DK38+972～DK39+010段，縱向7 m以深存在一明顯低阻區(qū)域，如圖1（a）中虛線所示，推測為巖溶或溶蝕破碎導致。測線2在DK38+960～DK39+010段內，淺部（0.0 m～5.0 m）表現(xiàn)為高阻特征，且連續(xù)性較好，與測線1基本保持一致，推斷該范圍內基巖較為完整；在橫向DK38+975～DK38+998段，縱向10 m～25 m的區(qū)域存在一明顯低阻區(qū)域，如圖1（b）中虛線所示，推測為巖溶或溶蝕破碎導致。

圖1 直流電阻流率法成果剖面圖

4.3 瞬態(tài)面波法結果分析

經過數(shù)據處理得到測線1和測線2的速度斷面圖如圖2所示。從圖2可以看出，在縱向上，2條測線由淺到深均總體表現(xiàn)為低速～高速的變化趨勢，主要為覆蓋層和基巖由淺到深的相對低速～高速分布特征的反映；在橫向上，測線1的DK38+967～DK38+998段、縱向5.2 m～17.0 m的區(qū)域范圍內以及測線2的DK38+972～DK38+993段、縱向5.5 m～14.0 m的區(qū)域范圍內都出現(xiàn)明顯的凹槽狀低速異常，推斷為溶洞和破碎帶的反映。

圖2 瞬態(tài)面波法成果剖面圖

從施工現(xiàn)場的工程地質情況可知，測線范圍內近地表有路基填筑物，且地下巖性以灰?guī)r為主。綜合直流電阻率法和瞬態(tài)面波法的異常情況的解釋成果如下：推斷在近地表附近（0.0 m～1.0 m）主要是路基的填筑等覆蓋物；推斷直流電阻率法和瞬態(tài)面波法中的異常位置為巖溶和破碎帶的發(fā)育位置；其他位置是以灰?guī)r為主的基巖，最終得到了DK38+960～DK39+010段內2條測線的地質解釋圖，如圖3所示。

圖3 地質解釋成果圖

4.4 鉆探驗證情況

為了驗證探測成果的準確性并為后續(xù)路基基底的注漿治理提供依據，根據綜合地質解釋成果，分別在測線1和測線2的DK38+984處各施工1個鉆孔，編號為1#和2#，具體鉆孔情況見表1。

從表1可以看出，本次綜合物探解釋結果與鉆孔揭露基本一致，驗證了結果的準確性，表明了該文采用的綜合物探方法的有效性。

表1 鉆孔實際揭露情況一覽表

5 結論

該文采用直流電阻率法和瞬態(tài)面波法對某高鐵路基巖溶進行探測，圈定了地下隱伏巖溶以及破碎帶的分布和延展情況，得到了鉆孔驗證，達到了預期探測效果。說明該文提出的綜合物探方法可以有效解決路基巖溶發(fā)育的探測問題，為今后鐵路路基勘查提供了思路。