瞬態瑞雷面波勘探中隱伏溶洞的響應特征研究

李圣林， 胡澤安， 吳海波

(安徽理工大學 地球與環境學院，淮南 232001)

0 引言

巖溶地區高速鐵路建設等重要民生工程面臨的巖溶塌陷等地質災害日益廣泛和頻繁，造成嚴重的經濟損失和社會影響[1-4]。以往巖溶異常探測的傳統方法是鉆孔取芯，該方法比較直觀，但存在明顯的缺點，很難取得較好的效果。而物探方法具有簡便、快速、成本小等優點，可以準確確定溶洞的分布范圍[5]。就隱伏巖溶問題，常用的物探方法有瞬態瑞雷面波法、地質雷達、電阻率成像等[6-8]，與其他物探方法相比，瞬態瑞雷面波法具有分辨率高、受場地影響小、效率高等優點，具有廣闊的應用前景[9]。但是應用瞬態瑞雷面波法探測隱伏溶洞能否取得理想的效果，除了需要采集到高信噪比的面波資料，對資料進行精準、高效的處理與解釋也是至關重要的。

上世紀90年代，瞬態瑞雷面波法開始廣泛應用于巖土工程勘察及其相關領域，取得了較好的應用效果[10]。但瞬態瑞雷面波法對于隱伏溶洞的具體響應特征研究還不成熟，迄今為止，大部分研究主要集中在方法的野外探測應用，如李海等[11]利用瑞雷面波法在某鐵路進行了路基隱伏溶洞探測工作方法與技術、數據采集與處理的應用研究，說明了該方法應用的可靠性；武斌等[12]利用多道瞬態面波法對某巖溶體探測工程進行了試驗研究，探討了瑞雷波法在解決灰巖工程中的應用效果；趙衛楚等[13]利用瞬態瑞雷面波法結合地震映像法、高密度電法對某高速公路進行了巖溶探測研究，有效查明了灰巖地區巖溶的發育情況；密士文等[14]利用瞬態瑞雷面波法結合瞬變電磁法對某隧道進行了隱伏洞體探測研究，取得了較好的效果；孫柏林等[15]利用TSP超前預報系統結合地質雷達法對某隧道的充填型溶洞進

圖1 兩層介質起伏界面模型示意圖及模擬第二炮頻散曲線Fig.1 Schematic diagram of two-layer dielectric undulating interface model and simulation of second-shot dispersion curve(a)模型示意圖；(b)V-D曲線

行了探測應用研究，探測結果與現場鉆探結果吻合較好；祝建農等[16]利用瞬態瑞雷面波法對某鐵路多個過渡段進行了路基勘察探測研究，成功評價了過渡段路基承載力情況；劉偉等[17]利用高密度電法、高精度重力法、地震反射法和主動源面波法對調查區土洞及淺部巖溶發育情況進行了對比探測研究，結果表明主動源面波法對淺部溶洞的探測效果最佳；鄭智杰等[18]利用高密度電法、主動源面波法及微動法對某巖溶塌陷區進行了對比探測研究，查明了該區巖溶塌陷的成因及溶洞發育狀況，結果表明主動源面波法對淺部溶洞的探測效果最佳。但以上研究中，都未給出較為明確的隱伏溶洞瑞雷面波響應特征。

基于此，筆者針對巖溶地區工程建設過程中面臨的巖溶塌陷問題，利用有限差分法進行隱伏溶洞瞬態瑞雷面波法數值模擬，并結合貴廣高速鐵路某段既有線路隱伏溶洞現場檢測試驗，探討了瞬態瑞雷面波對隱伏溶洞的響應特征，為瞬態瑞雷面波法探測隱伏溶洞精準解釋提供理論依據。

1 數值模擬

溶洞按照填充狀態可分為兩類：①填充型溶洞，②無填充型溶洞。本研究針對兩種溶洞類型共設計了三種模型進行瞬態瑞雷面波法數值模擬，模擬計算采用有限差分法。

本次模擬實驗參數設置為：采樣時間0.5 s；采樣間隔0.2 ms；采用2 0Hz的雷克子波震源；炮間距為2 m；道間距為2 m；最小偏移距為4 m；采用彈性波動方程進行模擬運算，完全匹配層(PML)吸收邊界條件。

圖2 兩層介質起伏界面模型面波相速度剖面圖Fig.2 Surface wave phase velocity profile of two-layer fluctuating interface model

1.1 兩層介質起伏界面模型

該模型主要針對工程實際中基巖以裂隙灰巖為主，但無明顯巖溶發育的情況。模型尺寸為100 m×50 m。

該模型設計為兩層介質類型：粘土及裂隙灰巖，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數對模型介質進行表征，具體模擬參數見表1。

表1 兩層介質起伏界面模型模擬參數

采用多次覆蓋觀測系統進行數據采集，每一排列的中心點為該排列的有效觀測點，第二炮排列中心點位置為L=17 m，該位置在深度10 m處介質發生改變，選取該點即第二炮記錄進行分析。圖1(b)為提取的V-D曲線，觀察圖1(b)，發現在深度10 m

圖3 充填溶洞模型示意圖及模擬結果Fig.3 Filling cave model diagram and simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

處頻散曲線出現拐點(圖中方框圈定位置所示)，該處拐點為較為簡單的“之”字型扭曲，面波傳播發生頻散，說明該處位置介質發生改變，與模型設計完全吻合。

圖2為兩層介質起伏界面模型面波相速度剖面圖，顏色從冷到暖對應為速度從低到高。將圖2與模型示意圖對比分析，發現模型中基巖面發生變化的位置剖面圖中也有相對應的變化，分界面吻合較好，所以瑞雷面波法對不同介質分界面反應明顯且容易區分。

1.2 兩層介質起伏界面充填溶洞模型

該模型主要針對工程實際中基巖下發育有隱伏充填溶洞的情況。模型尺寸為100 m×50 m，在(35,12)處設計有充填溶洞。

該模型設計為三層介質類型：粘土、裂隙灰巖以及充填溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數對模型介質進行表征，具體模擬參數見表2。

表2 充填溶洞模型模擬參數

觀察圖3(a)發現，頻散曲線深度11 m位置處頻散曲線出現拐點(圖中方框圈定位置)，面波傳播發生頻散，該處位置介質發生改變。觀察發現，模型1中發現的較為簡單的“之”字型拐點，與該處位置出現的拐點有明顯的區別，得出溶洞位置拐點“之”字型更為形象明顯。圖3(b)為模型面波相速度剖面圖，圖中實線圈定區域為得到的填充溶洞位置，該區域相對于周圍基巖速度底，但比上覆粘土層速度高，說明瑞雷面波法對于隱伏充填溶洞有較好的探測效果。

表3 空溶洞模型模擬參數

1.3 兩層介質起伏界面空溶洞模型

該模型主要針對工程實際中基巖下發育有隱伏空溶洞的情況。模型在(35,12)處設計有空溶洞。

該模型設計為三層介質類型：粘土、裂隙灰巖以及空溶洞，主要以縱波速度、橫波速度以及密度三個物性參數對模型介質進行表征，具體模擬參數見表3。

觀察圖4(a)發現，頻散曲線在深度10m位置處出現較為形象明顯的“之”字形拐曲(圖中方框圈定位置所示)，面波傳播發生頻散。圖4(b)為模型面波相速度剖面圖，實線圈定區域為得到的空溶洞位置，該區域速度較周圍基巖及上覆粘土層速度低。由此得出，隱伏空溶洞對瑞雷面波的響應特征是較粘土層及基巖均為低速。

1.4 瑞雷面波的隱伏溶洞響應特征

經過以上模擬結果可以看出，瞬態瑞雷面波法對基巖面以及隱伏溶洞有較好的探測效果，得出瑞雷面波對兩種隱伏溶洞的響應特征(表4)。

圖4 空溶洞模型模擬結果Fig.4 Cavity model simulation results(a)V-D曲線；(b)模型面波波速剖面圖

類別瑞雷面波響應特征充填溶洞速度響應由溶洞中充填介質的物性決定,一般為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現較形象明顯“之”字形拐曲。空溶洞速度較粘土層及基巖均為低速反映;頻散曲線在溶洞位置出現較形象明顯“之”字形拐曲。

圖5 觀測系統布設及測線布設示意圖Fig.5 Observation system layout and survey layout

2 工程實例

貴廣高鐵地處西南復雜艱險山區，是我國巖溶最為發育的地區，線路途徑大量隱伏溶洞，且一直不斷有新的溶洞產生，所以貴廣高鐵也被稱為“穿越喀斯特的超級鐵路”。為保證貴廣高鐵既有線路的安全運營，對某段線路路基隱伏溶洞進行了現場瞬態瑞雷面波檢測試驗。

2.1 儀器及參數選擇

本次現場試驗選用GeoPen公司生產的Miniseis24工程地震儀，4.5 HZ低頻檢波器，使用18磅鐵錘作為敲擊震源。排列參數設計為接收道數R為12道、道間距I為2 m、偏移距O為5 m、移動步距P為2 m。

2.2 現場測試布置

結合現場區域巖溶的發育情況，本次研究選擇K579+186 ～ K579+743巖溶檢測里程段為試驗測區。為精確探測鐵路路基隱伏巖溶，根據設計要求，結合雙線鐵路共設計三條測線。

2.3 結果分析

對探測試驗采集的數據進行處理，圖7是選取的設計三條測線中200 m低速異常顯現明顯區域的面波相速剖面圖。

根據現場勘探可知，該地區隱伏溶洞為填充型溶洞，內部填充為強溶蝕灰巖與泥水混合物，速度與密度較低，另外，該區域上覆粘土層因鐵路修建時被強擊夯實，速度和密度會比溶洞大，結合數值模擬研究結果，該區域隱伏溶洞對瑞雷面波會有低速響應特征，把速度低于450 m/s定為低速異常。

觀察圖6，橫向實線為基巖面，發現三條測線基巖面位置一致性較好，與地質資料較為吻合。圖中實線圈定區域為面波相速度低于450 m/s的區域，判斷這些區域為隱伏溶洞所在的位置，對比三條測線，發現三條測線探測出的低速異常區域一致性較好。探測結果證明瞬態瑞雷面波法在溶洞探測中具有較好的應用效果和分辨率。

圖6 測線面波波速剖面圖Fig.6 Surface wave phase velocity profile of surveying line

3 結論

通過數值模擬和實際工程驗證，研究得出以下幾點結論:

1)對模型的數值模擬研究表明，瑞雷面波法對面波相速度差異反映敏感，精度較高，對基巖面和兩種類型隱伏溶洞分辨率高。

2)經過數值模擬和現場工程實踐研究，得出瞬態瑞雷面波法對隱伏溶洞的響應特征為：對于填充溶洞，速度響應由溶洞中充填介質的物性決定，一般為低速反映，對于空溶洞，速度較粘土層及基巖均為低速反映；兩種溶洞探測面波頻散曲線在溶洞位置都出現較為形象明顯的“之”字形拐曲。

3)研究取得的結果可為工程應用提供有效指導。