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(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，高鐵里程逐年增長(zhǎng)，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(yùn)專線等。巖溶是地表以及地下的可溶性巖石受到水的機(jī)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(huì)對(duì)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(yùn)營(yíng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)的路段進(jìn)行定期的檢測(cè)[1，2]。

針對(duì)地下巖溶的檢測(cè)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(shí)長(zhǎng)，會(huì)對(duì)鐵路的正常運(yùn)營(yíng)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(dá)、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(jiǎn)便快捷，不受巖土飽水程度影響，淺層分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在高鐵巖溶檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。

本文以采用多道瞬態(tài)面波法對(duì)南廣高鐵某段巖溶檢測(cè)為例，針對(duì)工區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，建立起地質(zhì)模型，進(jìn)行高精度交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分二維數(shù)值模擬，對(duì)溶洞的頻散曲線特征進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖溶檢測(cè)，認(rèn)為多道瞬態(tài)面波法可以應(yīng)用于高鐵的巖溶檢測(cè)。

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(diǎn)為能量大，速度低，頻率低，衰減慢，信號(hào)容易被拾取。瑞雷面波的一個(gè)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(shí)，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(shí)，其穿透的深度大約為一個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，因?yàn)樵谕凰矫嫔?，同一個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)，所以地面測(cè)得的VR主要反應(yīng)半個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)介質(zhì)的特性。在面波的傳播方向上布置N+1個(gè)檢波器，道間距設(shè)為ΔX，因此在N×ΔX長(zhǎng)度范圍內(nèi)可以檢測(cè)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(cè)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(jìn)行正演模擬，研究面波在傳播過程中波場(chǎng)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(dòng)方程進(jìn)行模擬運(yùn)算，模擬得到地震記錄。對(duì)其進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)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(duì)有限差分計(jì)算結(jié)果影響較小，沒有產(chǎn)生嚴(yán)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(chǎng)。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(duì)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(gè)長(zhǎng)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(duì)上述模型進(jìn)行頻散分析，得到含溶洞模型的頻散曲線，如圖5所示?？梢园l(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(diǎn)”，并且各頻散曲線皆呈“之”字形。在“拐點(diǎn)”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(duì)巖溶檢測(cè)是一種可行的方法。

圖5 含溶洞模型頻散曲線對(duì)比

4 工程實(shí)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(qiáng)烈發(fā)育，為了消除隱患，保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)鐵路沿線的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行檢測(cè)，采用多道瞬態(tài)面波法對(duì)高鐵沿線的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行勘探。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工作布置

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

本次檢測(cè)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(shí)，應(yīng)避免大錘的二次錘擊，以及在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)其他的外界干擾如行人、車輛等。

4.3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)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(diǎn)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(diǎn)是對(duì)折射、反射及高階面波等體波噪聲敏感；F-K法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)體波噪音不敏感、不同視速度的波場(chǎng)自然分離、相速度提取穩(wěn)定，缺點(diǎn)是要求多檢波點(diǎn)進(jìn)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(shí)際的情況，本次采用F-K法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.4 結(jié)果分析

通過對(duì)所得的地震數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎng)條件實(shí)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(duì)3條測(cè)線的面波速度剖面進(jìn)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(cè)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(duì)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(duì)巖溶檢測(cè)上具有良好的效果。

5 結(jié)語

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

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