馬瑞濤

（中鐵資源集團勘察設(shè)計有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

在鐵路的建設(shè)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(zhì)雷達法、瞬態(tài)面波法和高密度電法等，相關(guān)技術(shù)方法也較為成熟[2-3]。該文考慮施工區(qū)域地質(zhì)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(jié)合的綜合物探方法，探測結(jié)果也得到了鉆探驗證，實際結(jié)果表明了該方法的可行性和有效性，對今后的鐵路建設(shè)工作中的路基巖溶勘查具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

根據(jù)以往地質(zhì)資料，某鐵路沿線地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)域地質(zhì)作用較劇烈，碳酸鹽巖分布廣泛，不良地質(zhì)較發(fā)育，有地質(zhì)災(zāi)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(chǔ)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(zāi)難性的威脅，因此需要采用物探技術(shù)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(zhì)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(zhì)路基，巖溶發(fā)育較為強烈，因此根據(jù)路基（土質(zhì)路基及巖質(zhì)路基）的不同特點選擇直流電阻率法和瞬態(tài)面波法相結(jié)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(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，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(zhì)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhì)的物理性質(zhì)的相關(guān)性，獲得不同深度上介質(zhì)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(nèi)，同一波長瑞雷波的傳播特性反映地質(zhì)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(zhì)情況[7]。

瞬態(tài)面波法的測點對應(yīng)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(jù)。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(guān)計算，綜合全部測點處理結(jié)果形成面波剖面成果圖，分析地下介質(zhì)的連續(xù)變化、確定局部異常體范圍以及大致深度及性質(zhì)，面波勘探為排列長度內(nèi)一定深度范圍地下介質(zhì)的綜合反映[8]。瑞雷面波法數(shù)據(jù)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(jù)采集

根據(jù)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(jù)采集選用重慶精凡科技有限公司生產(chǎn)的N2型電法儀，根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)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(jù)采集選用GEOMETRICS生產(chǎn)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(jù)處理及結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

直流電阻率法數(shù)據(jù)處理采用快速最小二乘法對電阻率數(shù)據(jù)進行二維反演。此處理方法反演速度快、反演結(jié)果顯示直觀，并且可帶地形反演進行地形校正。數(shù)據(jù)處理流程具體包括對原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成反演軟件可識別的文件；編輯數(shù)據(jù)，剔除RSM較大數(shù)據(jù)及手動剔除電阻率異常值，旨在剔除不合理數(shù)據(jù)，如接地不良、電極極化不穩(wěn)引起的壞數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)反演，將數(shù)據(jù)調(diào)入反演軟件，設(shè)置反演參數(shù)、修改模型層厚度因子、選擇反演方法，并根據(jù)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(jù)處理主要包括預(yù)處理，對采集到的數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換波在時間-空間域加適當(dāng)?shù)拇翱谟枰耘懦?；建立頻率-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(guān)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(jié)合地質(zhì)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(jù)；頻散曲線正反演擬合，結(jié)合地質(zhì)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(biāo)、深度、視橫波速度值繪制視橫波等速度斷面圖，在此基礎(chǔ)上依次對地下界面起伏變化、局部異常體范圍及性質(zhì)進行推斷解釋。

4.2 直流電阻率法結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到測線1和測線2的電阻率剖面結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，測線1在DK38+960～DK39+010段內(nèi)，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(yīng)；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(nèi)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(dǎo)致。測線2在DK38+960～DK39+010段內(nèi)，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(nèi)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(dǎo)致。

圖1 直流電阻流率法成果剖面圖

4.3 瞬態(tài)面波法結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(zhì)情況可知，測線范圍內(nèi)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(nèi)2條測線的地質(zhì)解釋圖，如圖3所示。

圖3 地質(zhì)解釋成果圖

4.4 鉆探驗證情況

為了驗證探測成果的準(zhǔn)確性并為后續(xù)路基基底的注漿治理提供依據(jù)，根據(jù)綜合地質(zhì)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(jié)果與鉆孔揭露基本一致，驗證了結(jié)果的準(zhǔn)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(jié)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(yù)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。