馮彥謙，許廣春

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

鐵路隧道經(jīng)常穿過地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶地區(qū)，巖溶系統(tǒng)分布具有一定的規(guī)律性，但不同巖溶形態(tài)的空間展布是不規(guī)則的，同時(shí)，巖溶水的運(yùn)動(dòng)條件非常復(fù)雜，勘察清楚巖溶的規(guī)模、邊界，保證巖溶隧道基底質(zhì)量，消除安全隱患，具有其必要性。

一般情況下，巖溶化程度最強(qiáng)的是灰?guī)r，其次為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖，再次為泥質(zhì)灰?guī)r。從碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)來說，一般晶粒越粗，溶解度越大，巖溶發(fā)育就愈強(qiáng)烈。因?yàn)榫ЯＳ执螅瑤r石的空隙也大，吸水率高，抗侵蝕能力弱，有利于溶蝕。一般巖層愈厚，巖溶就愈發(fā)育，且形態(tài)齊全，規(guī)模較大，薄層碳酸鹽巖地層，巖溶化程度較弱。同時(shí)，巖溶發(fā)育的垂直分帶性取決于可溶巖地區(qū)水文地質(zhì)的垂直分帶。在地表，受地表徑流的影響，巖溶形態(tài)以溶溝、溶槽、石芽等為主;在包氣帶，巖溶形態(tài)以漏斗、落水洞、豎井為主;在季節(jié)交替帶，巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈，常形成復(fù)雜的大型溶洞、暗河、地下湖等。在水平徑流帶，地下水運(yùn)動(dòng)也相當(dāng)強(qiáng)烈，常發(fā)育大量水平和傾斜的溶洞;在深部緩流帶，巖溶一般不發(fā)育，往往只有小溶洞及溶孔等。

2 物探方法的選取

根據(jù)巖溶的發(fā)育規(guī)律特征以及電磁波、地震波的傳播特征，采用探地雷達(dá)、高密度地震映像綜合勘察方法進(jìn)行隧底巖溶探測(cè)。

探地雷達(dá)探測(cè)是一種對(duì)地下目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)，其基本工作原理是:利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間(雙程走時(shí))、波形以及強(qiáng)度等參數(shù)資料，推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)等情況，從而達(dá)到對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的目的。

根據(jù)電磁波理論，當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射。

雷達(dá)波在傳播過程中遇到巖溶破碎區(qū)，雷達(dá)波形成反射、繞射、散射等現(xiàn)象，而且雷達(dá)波中的高頻成分經(jīng)破碎介質(zhì)過濾后快速衰減，遇溶洞則出現(xiàn)強(qiáng)反射或出現(xiàn)明顯繞射波等特征。

高密度地震映像法，是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)來接收地震波信號(hào)，利用各種地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，來反演介質(zhì)的物性參數(shù)，獲取物性分界面或突變點(diǎn)的一種淺層地震勘探方法。在隧底巖溶探測(cè)中，用地震映像法采集數(shù)據(jù)時(shí)，采用單點(diǎn)激發(fā)，組合檢波器進(jìn)行接收。儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)向前移動(dòng)一定的距離，重復(fù)上述過程，可以獲得一條地震映像的時(shí)間剖面圖。

當(dāng)仰拱下部基巖溶蝕破碎或巖溶發(fā)育時(shí)，高頻成分經(jīng)破碎介質(zhì)過濾后快速衰減，形成反射、繞射、散射等現(xiàn)象，地震資料中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)低頻振蕩反射波或出現(xiàn)明顯繞射波等特征。

3 方法影響因素

(1)測(cè)線要盡量布設(shè)在基底平整的地點(diǎn)，一般在仰拱澆筑后進(jìn)行隧底巖溶探測(cè)。

(2)隧道基底的淤泥、積水會(huì)衰減電磁波的傳播，同時(shí)襯砌臺(tái)架也使得電磁波產(chǎn)生有規(guī)律的反射，故探地雷達(dá)施測(cè)前，必須盡量規(guī)避相關(guān)干擾。

(3)由于地震波易于受到爆破等振動(dòng)干擾，故高密度地震映像施測(cè)前，要將振動(dòng)干擾等不利因素排除。

4 實(shí)例分析

某鐵路隧道位于呂梁山黃土梁卯區(qū)，設(shè)計(jì)為雙線隧道。隧道進(jìn)出口位置沖溝較發(fā)育，出口為黃土偏壓，進(jìn)口為角礫狀泥灰?guī)r為主，局部夾石灰?guī)r，中部存在斷層破碎帶，分布斷層泥及斷層角礫狀松散結(jié)構(gòu)。

開挖揭示局部段落溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，左、右邊墻皆發(fā)育有溶洞。為保障行車安全，在仰拱鋪設(shè)后，軌道鋪設(shè)前需進(jìn)一步采取物探方法查明隧底巖溶規(guī)模、分布情況。

探地雷達(dá)采用100 MHz天線，采樣長(zhǎng)度180 ns，儀器采用美國(guó)GSSI地球物理探測(cè)系統(tǒng)，SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)。

高密度地震映像法采用落錘震源，偏移距1 m，點(diǎn)距1 m，儀器采用美國(guó)Geometrics公司NZ-72地震儀和放置于鐵鞋上的5個(gè)60 Hz高頻組合檢波器，采樣率0.031 25 ms，記錄長(zhǎng)度128 ms。地震映像法測(cè)線采用測(cè)繩放點(diǎn)。

在仰拱下部基巖完整時(shí)，電磁波、地震波穿透時(shí)，波組特征表現(xiàn)為同相軸連續(xù)，能量均一，未有明顯強(qiáng)反射(圖1、圖2)，兩圖分別為DK100+750～+800段仰拱下完整基巖的探地雷達(dá)和高密度地震映像圖像。

當(dāng)仰拱下部存在巖溶(溶蝕)段落時(shí)，兩種探測(cè)方法剖面上均會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射異常，表現(xiàn)為:低頻、同相軸錯(cuò)段、能量大、延續(xù)周期長(zhǎng)。在DK100+320～+345處(圖3、圖4)、DK100+510 ～ +530 處(圖 5、圖6)、DK100+610～+625處、DK100+650～+670處(圖7、圖8)處均有異常表現(xiàn)，故分別在DK100+330(對(duì)應(yīng)ZY-1鉆孔)、DK100+520(對(duì)應(yīng) ZY-2鉆孔)、DK100+620(對(duì)應(yīng)ZY-3鉆孔)、DK100+665(對(duì)應(yīng)ZY-4鉆孔)四處布設(shè)鉆孔，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，均鉆探到溶腔，表明我們基于隧底巖溶物探異常的判別是客觀存在的。

圖3 DK100+320～+345處雷達(dá)圖像

圖4 DK100+320～+345處地震映像

圖5 DK100+510～+530處探地雷達(dá)圖像

圖6 DK100+510～+530處地震映像

異常深度的確定:通過高密度地震映像法無法獲得地震波速度，而根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，電磁波在灰?guī)r及混凝土中傳播的速度的平均值約為0.11 m/ns，據(jù)此按照探地雷達(dá)探測(cè)成果給出異常深度。表1是物探異常深度與鉆探深度對(duì)比表，可以看出:ZY-1、ZY-3、ZY-4鉆孔物探異常深度確定的誤差為0.1 m，ZY-2鉆孔物探異常確定的深度沒有誤差，佐證了物探深度確定的合理性。

圖7 DK100+610～+625處、DK100+650～+670處探地雷達(dá)圖像

圖8 DK100+610～+625處、DK100+650～+670處地震圖像

表1 鉆孔分布及鉆探異常

探測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)在DK101+120～DK101+140處，雷達(dá)圖像上明顯看到反射波強(qiáng)烈，并且呈雙曲線形態(tài)，但高密度地震成果未見異常(圖9、圖10)。經(jīng)過研究后，在該測(cè)線旁3 m處另布設(shè)一條雷達(dá)測(cè)線作為旁測(cè)線(圖11)，結(jié)果與之前雷達(dá)剖面有相似異常反應(yīng)，施以鉆探驗(yàn)證，鉆探到了溶腔，深度為 5.4～6.8 m。這表明:由于仰拱結(jié)構(gòu)形式等原因可能會(huì)造成有些物探異常在兩種方法剖面上不能夠同時(shí)得到有效反映，此時(shí)應(yīng)該在異常反應(yīng)明顯的物探方法上布設(shè)旁測(cè)線，以進(jìn)一步確定異常的存在與否。

圖9 DK101+120～+140處探地雷達(dá)圖像

圖10 DK101+120～+140處地震映像

圖11 DK101+120～+140處旁測(cè)線探地雷達(dá)圖像

5 結(jié)論

(1)采用探地雷達(dá)和高密度地震映像綜合勘察技術(shù)對(duì)于隧底巖溶探測(cè)是行之有效的方法，并且在地震映像勘察中，采用組合檢波器接收，具有低通濾波作用，能夠提高資料的信噪比。

(2)高密度地震映像勘察不能獲得速度參數(shù)，巖溶異常的深度宜按照電磁波的傳播速度確定，大量實(shí)驗(yàn)表明:電磁波在混凝土及灰?guī)r中傳播的平均值約為0.11 m/ns，但該深度只能反映異常的頂板位置，不能夠?qū)Ξ惓５牡装逦恢眠M(jìn)行精確確定。

(3)探測(cè)過程中受仰拱結(jié)構(gòu)形式、地面積水等因素的影響，同一位置的物探異常不能夠同時(shí)出現(xiàn)在雷達(dá)、地震剖面中，即出現(xiàn)的所謂的單一異常情況，此時(shí)對(duì)于物探異常反映明顯的方法，要布設(shè)旁側(cè)線予以佐證。

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