巖溶地區鐵路既有線路的路基病害探測研究

盧浩

（南寧鐵路局科學技術研究所，工程師，廣西 柳州 545007）

巖溶又名喀斯特（Karst），是可溶性巖層（石灰巖、白云巖、石膏、巖鹽等）以被水溶解為主的化學溶蝕作用，并伴隨以機械作用而形成溝槽、裂隙、洞穴，以及由于洞頂塌落而使地表產生陷穴等一系列現象和作用的總稱〔1〕。南寧鐵路局所轄鐵路地區大部分為喀斯特地貌，沿線巖溶病害分布廣泛，嚴重威脅運輸安全。為此，南寧鐵路局科學技術研究所聯合相關單位，成立課題組，開展鐵路路基巖溶探測的研究，以利于對路基病害進行治理與監測。

1 探測方法

目前，探測路基巖溶的主要方法是鉆孔、人工開挖和物探方法。物探方法與其它2種方法相比較，克服了只能獲得隨機選取有限點地質病害資料的局限性和成本高、工期長、效率低等弱點，具有既可獲得沿路基中心線剖面連續的、詳實的地質病害隱患資料，又可節省大量勘探費用的特點。

所有物探方法均是利用探測介質的物性差異來推斷、解釋介質的地質構造情況。用于工程的物探方法主要有淺層地震法（包括反射波法及瑞雷波法）和電法（包括地質雷達法及高密度電阻率法）2類。淺層地震法是利用介質的波阻抗差異，而電法是利用介質的電性差異。根據物理場的特性和原理，物探方法又可歸納為平面和體積勘探2類。淺層地震法歸屬于平面（即射線平面）勘探范疇，而電法歸屬于體積勘探范疇。淺層地震法是反映由激發點、接收點和射線構成的平面內的信息，具有較高的分辨率，適當選擇觀測系統可獲取路基軸線下的地質情況。而電法是反映發射點和接收點之間（或電極間）所構成體積內的綜合信息，可分辨物體的大小與總體積比有關，分辨率隨深度的增大而明顯降低，局部小范圍異常難以被探測。另外，由于道碴、軌枕、鋼軌的存在以及列車的運行，嚴重影響電阻率法電極的埋設和在軸線上采集數據。綜合以上因素，課題組首選淺層地震法作為既有鐵路路基地質病害隱患的主要探測方法。

2 現場探測

課題組在焦柳線巖溶病害較嚴重的地段主要以淺層地震反射波法對近5.5 km的線路路基進行探測。為驗證探測效果，還采用了瑞雷波法、高密度電阻率法進行了比對探測〔2〕。

2.1 淺層地震反射波法探測

2.1.1 工作方法 根據既有鐵路的物探條件和探測目的，主測線（即反射波法測線）均沿鐵路軸線布置。選用SE2404EX多功能數字地震儀，采用100.0 Hz的高頻檢波器接收，震源采用頻率成份豐富的24磅大錘錘擊。

2.1.2 采集參數 記錄道數N取1，3，偏移距X0取6.5～20.0 m，道間距dx取1.0，3.0 m，激發間距ds取1.0，4.5 m，垂直疊加次數n取2～6，采樣間隔dt=0.5 ms，記錄長度tl=500 ms，排列方式：非縱排列、縱排列。

2.1.3 探測結果 圖1為K1523+998～K1524+600路段淺層地震深度剖面。

圖1中，在測線深度剖面上，存在2組振幅較強、連續性較好的反射波同相軸。第1組反射波同相軸與第四系土層底板相對應，反射波同相軸由2個相位構成，相位數目變化不大，存在多處錯斷或扭曲和能量迅速減弱現象，它們分別對應于地下斷層（或裂隙、節理）和破碎帶（體）。第2組反射波同相軸對應于基巖風化層底板，由3～5個相位構成，存在多處反射波同相軸錯斷或扭曲或相位數目變化和雜亂反射現象及呈眼球狀特征，它們分別對應于地下斷層（或裂隙、節理）和破碎帶（體）及巖溶或異常體。

2.2 比對探測情況瑞雷波法和高密度電阻率法探測的斷層和異常體的位置及范圍同淺層地震反射波法探測結果基本相符，這說明反射波法探測路基地質病害隱患的有效性和可行性。但高密度電阻率法的范圍遠比淺層地震深度剖面中的范圍要大，其分辨率也比反射波法低，尤其是深層，而且可視性也比淺層地震深度剖面差。這是由于高密度電阻率法屬體積勘探范疇，可分辨體積的大小與總體積比有關，分辨率隨深度的增大而降低。因此，局部小范圍異常難以分辨。

3 結果分析及應用

課題組結合鐵路運營特點，根據有關標準和規范，對探測結果進行了分析，并對數據判讀標準及地質病害進行了分類分級，以對今后利用物探技術探測既有鐵路巖溶病害時，在結果判讀及病害分類分級上提供技術參照。

3.1 地質病害的波場特征與地質構造分類

3.1.1 病害的地震波場特征分類 根據主測線地震波場特征（反射波同相軸錯斷及扭曲、相位數目變化、雜亂反射及呈眼球狀特征）將斷層（或裂隙、節理）、破碎帶（或破碎體、異常體）和巖溶分為I，Ⅱ，Ⅲ類3種級別。不同的級別具有不同的波場特征。例如巖溶根據充填情況的不同，I，Ⅱ，Ⅲ類分別為空洞、疏散物充填和完全充填。其中I類巖溶的地震波場特征為反射波同相軸“眼球形”特征明顯，且頂板能量較強；Ⅱ類巖溶地震波場特征為反射波同相軸“眼球形”特征較明顯，且頂板能量較弱和巖溶中存在散射波。

3.1.2 病害的地質構造分類 參照《鐵路工程巖土分類標準》和有關規程、規范的規定，根據地質情況的發育或破碎程度不同，將斷層（或裂隙、節理）、破碎帶（或破碎體、異常體）和巖溶分各為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類3種級別，分別對應很發育（或極破碎）、發育（或破碎）、較發育（或較破碎）。不同地質構造級別都規定了利于劃分的基本特征。

3.2 地質病害程度分級根據斷層（或裂隙、節理）、破碎帶（或破碎體、異常體）和巖溶的性質，以及其埋深和共生情況，經綜合分析推斷，由不良地質體引起的病害隱患類型可歸納為四級：Ⅰ類—嚴重；Ⅱ類—較嚴重；III類—一般；Ⅳ類—輕微，并定義了各級別病害隱患的特征。見表1。

表1 地質病害類型分級

續上表

3.3 分類分級在試驗探測中的應用實例

3.3.1 地震波場特征分類的應用 在鐵路里程為K1525+695～K1525+715處，斷層F12反射波同相軸較明顯錯斷，反射波同相軸的數目突然消失，根據地震波場特征分類可定為II類。圖2為K1525+200～K1525+800路段淺層地震深度剖面。

3.3.2 地質構造特征分類的應用 由圖2可見，F12斷層寬度相對較大，內裂隙（或節理）很發育（或由多組裂隙或節理構成），雜亂，巖體呈碎石狀，定為Ⅰ類。

破碎帶P03無明顯反射波同相軸，且能量均勻，根據地震波特征可定為Ⅲ類。同時，P03破碎帶（或體）內裂隙（或節理）發育，有一定規則，碎石角礫狀結構，可定為I類。

3.3.3 地質病害類型分級表的應用 綜合3.3.1和

3.3.2的分析，鐵路里程K1525+695～K1525+715處，埋深較淺，且斷層F12和破碎帶P03共生，F12規模較大，根據表1，此處可定為Ⅰ類病害。

3.4 實測線路病害整治建議課題組對焦柳線巖溶嚴重地段（K1524+000～K1529+500）進行了探測。根據探測結果，以及對病害隱患類型的分類、地質及地貌資料、水文及氣象資料和鐵路特點綜合研究分析，課題組推斷該段路基存在如下26處病害隱患，并建議有關部門根據對病害的分類及鐵路相關規范和要求加以整治。

1）K1525+695～K1529+155段存在Ⅰ類特征的嚴重病害隱患3處，對行車安全的威脅較大。建議有關部門予以高度重視，采用鉆探方式進一步確認，獲取更準確更全面的工程地質和水文地質資料，以便采取合理的方案及時整治。

2）K1524+180～K1525+020段存在Ⅱ類特征的較嚴重病害隱患3處，可能對行車安全構成威脅，線路大修時應納入計劃整治。建議有關部門在病害隱患處設置相應“標志”，并進行重點觀測，一旦發現異常，應及時采取措施。

3）K1524+140～K1529+290段存在III類特征的一般病害隱患7處，必須定期進行重點監測。

4）K1524+775～K1528+665段存在Ⅳ類特征的輕微病害隱患13處，需定期進行監測。

4 結束語

采用淺層地震反射波法探測巖溶地區既有鐵路路基病害，具有費用低廉，快速有效，符合鐵路運營要求的特點，探測結果準確可靠，可視性好，是一種較理想的巖溶地區既有鐵路路基地質病害勘探的普查方法。課題組對數據判讀標準及地質病害進行的分類分級，可使有關業務部門直觀地掌握路基地質病害隱患分布情況，有助于根據輕重緩急，有針對性地采取措施，對地質病害進行治理與監測，確保行車安全。

〔1〕顧曉魯，錢鴻縉，劉惠珊，等.地基與基礎〔M〕.北京：中國建筑工業出版社，2003.

〔2〕南寧鐵路局科學技術研究所，南寧鐵路局工務處，中國地質大學（武漢）地球物理系，南寧鐵路局柳州工務段.焦柳線路基地質病害隱患地球物理勘探報告〔R〕.柳州：南寧鐵路局科學技術研究所，2005.