工程物探技術在鐵路路基檢測中的應用研究

陳曉岡 上海鐵路局寧波工務段

1 前言

近年來，工程物探技術取得了飛速的發展，集中體現在根據彈性波理論、電磁波理論和電學原理發展而來的各種工程物探技術。它在石油礦床等資源勘探開發、工程地質勘察與工程檢測、地球環境的監測與保護等方面均有廣泛應用。

工程物探技術相對于傳統鉆探方法，使用受場地、地形條件的限制較少，具有快速、準確、經濟等特點。解決了傳統勘察方法受鐵路運營安全、檢測時間限制等問題。因此工程物探技術在鐵路路基檢測的應用也越來越廣。

2 工程物探技術

工程物探技術是以研究地下巖土層（或地質體）物理性質差異為基礎，通過儀器觀測自然或人工物理場的變化，確定地下地質體的空間展布范圍并可測定巖土體的物理參數，達到解決地質問題的一種物理勘探方法。

工程物探技術的理論基礎是：介子中存在許多物理性質不同的地質或界面，它們在空間產生了天然物理場（包括重力場、地磁場地、地熱場及放射性輻射場等）或人工物理場（包括人工電場、電磁場、人工地震波場、彈性位移場）的局部變化，因此派生出了各種物探方法。

工程物探涉及的方法技術很多，按照所利用的物理場源可分為直流電法、電磁法、淺層地震法、磁測法、微重力法、地溫測量及放射性測量等類別。

目前，工程中開展較多且發展較為成熟的工程物探方法主要有：探地雷達法、瑞雷面波勘探、淺層地震勘探。

探地雷達法是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發射天線向地下發射，當遇到地下地質體或介質分界面時發生反射，并返回地面，被接收天線接受，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。

瑞雷面波是一種沿介質自由表面傳播的彈性波，其傳播規律反映了傳播途徑中所涉及介質的彈性參數，不同波長的瑞雷波能反映不同深度的介質情況。

淺層地震勘探法是一種通過研究人工震源所激發的地震波在地下沿層、土壤或其它介質中傳播來解決地下介質分布狀況的物探方法，常用于解決地面下100 m深度范圍內的地質問題。

3 工程物探技術在路基檢測中應用分析

3.1 概況

沿海鐵路杭深線寧波到福州全線包括甬臺溫鐵路和溫福鐵路，是國家鐵路規劃網快速客運網重要組成部分，也是我國較早開工的高標準高速鐵路。杭深線浙江段于2009年9月28日開通，時速250 km，有碴線路，運營里程為351 km，全線穿越典型的沖海積軟土路基地段。

杭深線K465+510～K466+100段路基位于臺州車站站場寧波端，全長590 m。本段路基為軟土路基，軟土深約為5 m～26 m，路堤填土高約為4 m～6 m，寬度為25 m～50 m。線路開通運營以來該路段路基存在'下沉'、'外臌'等病害，并且局部下沉地段存在總沉降量偏大、沉降速率較快、沉降收斂不明顯等狀況。

為準確掌握該地段路基地質情況，勘察單位一般會在鐵路兩側路基坡腳每隔50 m進行鉆探取芯地質勘探，獲取工程地質與水文地質指標。但由于該段鐵路線路已經開通運營并且十分繁忙，無法在鐵路路基面范圍內完整取芯鉆探。因此，應用工程物探技術檢測該地段路基，獲取較為準確的地質狀況，為地基補強加固提供可靠依據。

3.2 檢測方案

（1）檢測方法:根據現場試驗對比，現場采用地質雷達測線、地震影像測線、地震面波測線檢測。地質雷達采用400 MHz和100 MHz兩種天線頻率。

（2）檢測儀器：SIR-20地質雷達儀，NZXP工程地震儀。

（3）現場測線和測點布置：選取代表性的路基面左、中、右三條線布置采集。左測線布置在5道外側碴肩，中測線布置在路基中心線位置，右測線布置在8道外側碴肩。地震映像采用0.5 m點距布置采集；地震面波采用2 m道間距，多道布置采集。

（4）完成工作量。該段路基檢測共耗時10個天窗時間，主要檢測工作是左、中、右三條地質雷達400 MHz和100 MHz測線，左、右兩條地震影像測線，中線一段地震面波測線等內容。

3.3 檢測分析

（1）400 MHz地質雷達測線。

以該段路基中橋頂面為基準，圖1中1、2、3、4、5區域對應 的 K465+513 ～+628、K465+645 ～+732、K465+765 ～+841、K465+884～+957、K466+013～+067 段道碴及基床層界線明顯下陷，可以判斷該段路基基底有不均勻下沉現象，最大沉降量 95 cm。K465+655～+658、K465+665～+668、K465+757～+783、K465+815～+824、K465+912～+925、K465+937～+957 段道碴層界線附近波形雜亂，深度1.09 m～1.53 m，分析該段存在道碴囊、道碴陷槽。

圖1 400 MHz地質雷達測線

（2）100 MHz地質雷達測線。

圖 2 中 K465+593～+617 、K465+765～+792、K465+813～+841、K466+031～+064段有呈三振相的強反射信號，深度2 m～3 m，分析該段路基本體中存在不密實區域或空洞。

圖2 100 MHz地質雷達測線

（3）地震影像測線。

地震影像測線 K465+569～+573、K465+604～+610、K465+663～+668、K465+782～+789段地震反射波組能量突然增強，波幅變大，同相軸與前后對比發生明顯交錯變化，分析該段路基本體中存在空洞。K466+025～+029地震反射波組能量突然增強，波幅變大，同相軸與前后對比發生明顯交錯變化，分析該段路基本體中存在空洞。

（4）地震面波。

圖3中深度0 m～5 m面波速度存在差異，說明路基本體填筑不均勻。K465+605～+661、K465+674～+693段面波速度存在低速異常，深度9 m～13 m，分析該段路基基底存在松散、脫空區域。

圖3 地震面測線

3.4 檢測結論

根據現場地質雷達測線、地震影像測線、地震面波測線檢測分析結果，可以對該段路基進行以下評價：

（1）路基基床道碴存在不同程度下陷、局部位置已經發展成為道碴囊；

（2）路基本體不同位置存在不密實區域、局部位置可能存在空洞；

（3）路基本體中局部存在填料不均勻、含水過高等問題；

（4）路基基底局部存在軟弱、松散層。

4 結束語

（1）路基檢測應用工程物探技術，具有效率高、信息量大、性價比高等特點；特別是對鐵路既有線路基檢測，可大大降低對運輸安全、受天窗時間限制的影響，優勢十分明顯。工程物探技術已經成為鐵路既有線路基檢測中可靠、有效的檢測技術措施之一。

（2）正式開展工程物探工作前，應認真做好前期實驗工作，認真做好對比研究、選擇最佳采集方案和最佳采集儀器。

（3）由于工程物探方法的多解性，且每種物探方法都有其適用性，單一物探方法無法解決所有問題，為提高物探成果的可靠性和精度，應采用綜合物探方法，并應在有條件地方采用鉆探、坑探等直接手段驗證或核實探測結果。

（4）為了能正確把物理參數轉化為工程地質評價，需要工程物探人員具備一定的工程地質知識，并應加強地質資料研讀，以提高讀解水平。