瞬態面波在既有鐵路路基塌陷探測中的應用

■李 軍 ■中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063

既有鐵路路基病害直接影響到路基的穩定，軟土路基不均勻沉降常引起路基填土、道砟等下陷形成路基陷穴，嚴重危及鐵路行車安全。因此有必要采取合理的探測手段，查明沿線路基下伏軟弱結構層和空洞發育情況，對勘察地段進行綜合評估，為路基整治處理提供科學依據。既有鐵路目前大多為電氣化鐵路，傳統的電磁類探測方法受鐵路電氣化設備的電磁場干擾嚴重，導致采集的數據畸變，無法反映真實的路基病害情況。地震類探測方法根據人工激發的地震波對地下淺層介質的物性特征進行探測，不易受到鐵路電氣化設備電磁場的干擾。

瞬態面波法作為便捷、高精度的地震類探測手段，在工程病害探測和加固效果檢測領域得到廣泛應用。本文以廣珠鐵路某段塌陷路基檢測為實例，在整治處理前，對鐵路塌陷段病害情況進行檢測，查明路基下伏軟弱結構層和空洞發育情況，為確定整治處理方案提供依據;在整治處理后，對灌砂加固處理效果進行檢測，通過灌砂前后的面波資料對比分析，評價加固處理效果，以期為瞬態面波在類似工程檢測提供參考。

1 面波探測巖溶路基原理

面波勘探原理如圖1所示，面波在路基面傳播具有一個重要特征就是它的頻散特性，從理論上講，面波在單一均勻介質中傳播時，不會發生頻散，而當介質物性發生變化時，面波傳播會發生頻散，對應的頻散曲線會在相應地質情況發生變化的深度出現“之”字形拐曲甚至離散，也就是說，在非均勻介質中，不同頻率的瑞雷波其傳播速度是不同的。當路基中存在空洞或縫隙，物理性質發生變化，面波速度降低，因此在相應深度就會出現明顯的“之”字形拐曲，當空洞或縫隙較嚴重時，甚至會導致頻散曲線中斷;因此通過對路基范圍內單點頻散曲線的形態進行定性分析，同時根據各點面波速度繪制等速度剖面圖，進行分析比對，可以對路基基床以及地基的完整性進行全面和整體的定性評價。

2 工程實例

2.1 工程概況

廣珠鐵路DK32+400～DK32+450段位于佛山三水附近，為沖積平原區，地形平坦、開闊，交通較為便利，表層為第四系覆蓋土層，下伏基巖為第三系砂巖、泥質粉砂巖夾少量泥巖;DK32+400～DK32+450段在已施工攪拌樁間插打管樁加固，路基于路肩設計標高以下4.5m處采用管樁加固，樁間距3*3.46m，按長方形布置，樁長35～41m，樁徑0.5m，樁頂設0.5m砂礫石墊層，中間鋪設一層土工格柵，其抗拉強度不小于260kN/m，兩側埋入式腳墻，腳墻高0.5m，寬0.5m，其上砂礫石墊層邊坡設干砌片石護坡，高0.5m。

前期收集的地質資料所揭示的地層中，夯實處理良好的路基及路基地基與富水、松散的路基填筑體及松散土體之間，密度、速度、巖體力學性質特征存在明顯的物性差異，為地球物理勘探提供了良好的前提條件。

圖1 面波測試原理及采集示意圖

2.2 現場探測工作

(1)測線布置:物探測線沿上、下行線外側路肩布置;(2)采集參數確定:正式采集之前首先進行了偏移距試驗，根據實驗結果確定本次探測排列的參數:10米偏移距，1米道間距，2米測點距;探測中采用錘擊震源單邊激發，4Hz檢波器，24道/炮采樣，采樣時間1024ms，采樣點數為2048，全頻接收，每24道作為一個記錄排列;(3)避免干擾源影響:首先對現場干擾源進行調查，發現主要存在列車行駛干擾、施工機械干擾等，數據采集時注意避開上述干擾源影響，保證數據采集質量。針對場地表面堅硬平坦的實際條件，通過檢波器底部采用加墊板方式，保證與地面接觸良好。

2.3 面波數據處理流程如下:

(1)回放野外采集記錄，對非正常道進行處理，數據格式轉換;(2)按照測線對記錄進行組合，并建立觀測系統;(3)按照共中心點(CMP)抽道集，或者按共炮點記錄集合;(4)對各個道集記錄進行τ－p變換，在F－V域拾取相速度曲線;(5)按測線對頻散曲線模型初始化，非線性最小二乘法進行反演得到面波層速度;(6)繪制出各個測點頻散曲線成果圖，繪制整條測線的波速剖面圖;

2.4 實測資料解釋

(1)整治處理前。以DK32+400～DK32+450上行線外側路肩測線面波資料為例，對整治加固前路基病害探測情況進行分析，參照DK32+220～+250非管樁加固段面波資料，管樁樁帽頂部基床正常面波速度在200m/s以上，DK32+417～+450管樁樁帽頂部基床面波速度約140～170m/s，低于200m/s正常面波速度，推測基床填筑體較松散。DK32+417～+437管樁樁帽底部與樁頭間面波速度約160～190m/s，存在低速異常，且等值線相對下陷，推測管樁頭與樁帽間存在脫空或樁間土體存在松散、不密實現象。DK32+421～+436管樁樁帽底部路基本體局部面波速度相對較低，形成低速圈閉異常，或速度等值線相對下陷，推測路基本體中填料存在松散、不密實現象(圖2)。

圖2 DK32+400～DK32+450上行線外側路肩面波等速度剖面圖

(2)整治處理后。如圖3所示，整體上來看，經灌砂處理后，樁帽底部與樁頭間低速異常區面波速度值均有明顯提高，從灌砂前的160～190m/s提高到190～240m/s，并且低速異常區域范圍縮小，說明灌砂充填較好，管樁頭與樁帽間空洞、不密實區域得到有效充填，整體加固效果明顯。DK32+400～+450管樁樁帽頂部基床面波速度約140～170m/s，低于200m/s正常面波速度，推測基床填筑體較松散。推測由于灌砂位置在樁帽底部與樁頭之間，對于樁帽頂部的基床，面波速度沒有明顯提高，基床無明顯改善，填筑體仍然較松散。DK32+407～+414管樁樁帽底部路基本體局部面波速度等值線相對下陷，推測路基本體中填料存在松散、不密實現象。管樁頭與樁帽間部分位置面波速度雖然得到提高，并且異常范圍縮小，但相比其它位置，改善程度相對較差，推測由于灌砂充填不均勻，管樁頭與樁帽間存在較小脫空或樁間土體存在較松散、不密實區域。

圖3 DK32+400～DK32+450上行線外側路肩面波等速度剖面圖

3 結語

瞬態面波法利用頻散曲線反演面波速度，根據各測點速度繪制出面波等速度剖面圖，等值線的位置、大小和形態反映了路基下伏軟弱結構層和空洞發育情況，成果圖直觀可靠，說明瞬態面波法能快速、有效查明路基病害分布情況，為路基整治加固提供科學依據。通過對比分析加固前后面波速度差異和同一低速異常的形態變化，可以有效地對路基整治加固效果進行評價。通過瞬態面波在本次路基塌陷病害探測與整治加固效果檢測中的應用，為以后同類工程質量控制提供了參考。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10013－2010.鐵路工程物理勘探規范［S］.北京，2010.

［2］單娜琳，程志平，劉云禎.工程地震勘探［M］.北京:冶金工業出版社，2006.

［3］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京:地質出版社，1993.

［4］李海.瑞雷面波技術在鐵路上的應用［J］.物探與化探，2002，26(2):160－162.

［5］楊耀.瞬態瑞雷波在工程勘察中的應用［J］.工程地球物理學報，2013，10(6):873 －879.

［6］李杰生，錢春宇，廖紅建.多道瞬態面波法在鐵路路基測試中的應用［J］.巖土力學，2003，(S2).

［7］黃晚清，陸陽，郭建民.面波法在路基病害勘探中的應用［J］.路基工程，2006，126(3):139 －141.

［8］韋德江.既有線鐵路路基巖溶及洞穴探測［J］.鐵道建筑技術，2008，4(1):52 －54.

［9］李軍.多道瞬態瑞雷波法在武廣客專路基巖溶注漿檢測中的應用［J］.鐵道建筑技術，2008，4(1):475 －478.

［10］陳洪杰.面波技術在高鐵臨近既有鐵路路基檢測中的應用［J］.工程地球物理學報，2012，9(1):17 －20.