应用多道瞬态面波检测岩溶路基注浆质量

蒋 洪，吴荣新，郭立全，吴腾飞

安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南,232001

应用多道瞬态面波检测岩溶路基注浆质量

蒋 洪，吴荣新，郭立全，吴腾飞

安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南,232001

利用多道瞬态面波法对合福高铁安徽段某岩溶路基30%和100%的钻孔注浆质量进行检测。通过注浆探测效果图与现场实际情况对比验证分析，100%的注浆效果图中低速区较30%的注浆效果图明显减少，且异常区被完全充填，说明后期水泥注浆对裂缝填充效果显著,表明该方法在岩溶路基注浆质量检测应用中有显著的效果，且经济快速有效，在岩溶路基工程检测中具有良好的应用前景。

多道瞬态瑞雷波；岩溶检测；注浆质量检测

岩溶是水对地表及地下可溶性岩石的机械冲刷和化学溶解剥蚀过程中产生的一种不良地质现象，对铁路路基存在着极其严重的破坏作用[1]。在如今的高速铁路建设过程中，有大量的高速铁路修建于岩溶发育区，这就给铁路的施工和未来的营运安全造成了巨大隐患。为了消除工程隐患，保证铁路营运安全，在施工过程中对岩溶路基进行钻孔注浆加固处理，为保持路基的稳定起到了很好的效果。但是往往因为地质条件的复杂和注浆工艺本身的限制，导致注浆缺陷难以避免，因此，必须对注浆质量进行检测。

检测路基注浆效果的传统方法有钻孔取芯观察和注水试验两种，由于水泥浆渗透方向的不确定性，导致钻孔取芯观察水泥结石率具有一定的偶然性，而且成本高，效率低，并具有一定的破坏性；此外，注水试验的设备笨重，工作效率低，施工难度大，且没有明确的统一检验标准，故有一定的局限性。多道瞬态面波法是由我国学者首先提出的一种新兴的浅层地震勘探方法[2]，与传统方法相比，因具有间接无损、简便快捷、经济有效、对场地要求低等优点，现已在铁路岩溶路基的注浆质量检测中得到广泛应用。

1 多道瞬态面波注浆检测原理

瑞雷波是在弹性界面附近由压缩波和SV型剪切波的干涉叠加产生的，因其能量大，速度低，频率低，衰减慢，信号容易被拾取。瑞雷面波的一个重要特征就是具有频散现象，即在均匀的介质中传播，瑞雷面波的传播速度VR与频率无关，而在介质的物理特性发生变化时，VR将随着的频率变化而变化，这就为瑞雷面波勘探提供了物理基础[3]。

瑞雷波沿着地面表面传播时，其穿透的深度大约为一个波长的长度，因为在同一水平面上，同一个波长的瑞雷面波的传播特征与介质的物理性质的变化有关联，那么通过记录分析不同波长的传播特征就能了解到地下不同深度范围的情况。由于瑞雷波的能量主要集中在半个波长，所以地面测得的VR主要反应半个波长范围内介质的特性[4-6]。

在面波的传播方向上布置N+1个检波器，道间距设为ΔX，因此在N·ΔX长度范围内可以检测出面波的传播情况(如图1所示)。

图1 多道瞬态面波探测原理示意图

设f为瑞雷波的频率，Δt为相邻两道瑞雷波的时间差，ΔΦ为相位差，则在相邻两个检波器ΔX长度的范围内，瑞雷波的传播速度为：

VR=ΔX/Δt或VR=2πf·ΔX/ΔΦ

(1)

N·ΔX范围内的VR的平均速度为：

(2)

在同一个地段探测计算出一定频率对应的面波速度值，并绘制出VR-f曲线，也就是面波频散曲线，然后通过以下计算公式将VR-f曲线转化为VR-λ曲线：

λ·f=VR

(3)

由于VR-f曲线与VR-λ曲线的变化规律与地面下介质的物理性质存在着内在联系，因此，通过对频散曲线的算法反演，可以推测出某一深度范围内的地下构造情况和不同深度的VR值，同时可以利用多个面波点排列，最后绘制出面波波速等值线图[7-8]。

2 工程检测实例与分析

2.1 工程概况

合福高铁安徽7标DK265+225.00～DK265+325.81位于绩溪县境内，位于桥台之间，充当高铁路基。从铁路前期勘查资料显示，探测区域路基段主要为钙质页岩，具溶蚀现象，局部发育岩溶空腔或其被填充。根据设计要求，采用钻孔注浆法对该段岩溶路基进行加固处理，先后完成了30%和100%的导孔注浆，为了评价场地在导孔注浆30%和100%的路基岩层内部裂隙受泥浆填充效果，现场对路基段以路基宽50 m、深18.4 m范围内岩层进行地球物理勘查。

2.2 现场数据采集

现场探测时，在路基延展方向施工布置了三条平行轴线测线(如图2所示)，分别为路基左、中、右测线，各测线间距为15 m，每条测线长度为130 m。数据采集使用Geopen型24道地震探测仪，根据勘查要求最大检测深度为20 m，经前期现场试验，采用共偏移单边排列系统(如图3所示)进行探测，选用12道4.5Hz的低频检波器接收，道间距2 m，偏移距4 m，移动步距1 m，采样间隔0.2 ms，采样点数为1 K，震源用18磅重锤锤击。

图3 野外观测系统布置示意图

为了采集到有效的数据，对现场条件要求以下几点：(1)测线布置必须为直线；(2)对探测区域开挖的浮碴进行有效清理，尽量保证与基岩面接触；(3)施工时要求现场车辆、机械等停止作业，防止周围的震动对数据采集造成影响。采集单炮记录如图4所示。

图4 面波单炮记录

2.3 数据处理

数据处理采用骄佳公司开发的Geogiga Seismic Pro6.0浅层地震数据处理与解释软件，其主要流程分为四步：预处理、波形处理、频谱分析、结果成图。其中频谱分析是整个数据处理的重点。频谱分析的关键在于频散曲线的提取。提取的主要方法有F-K法和相位差法两种：F-K法的优点在于能够有效地分离不同视速度的面波、体波及各种干扰波的能量，相速度提取稳定，检波点足够多时可使高阶面波有效分离，缺点是要求多个检波点进行数据采集，获取的是排列范围内的平均速度，横向分辨率低。相位差法的优点是可以使用较少的检波点得到频散曲线，横向分辨率较高，但对噪音敏感，容易受高视速度的影响，提取的速度通常偏高。现采用F-K法和相位差法对数据进行综合分析，即先用F-K法计算频散谱；然后用相位差法生成频散曲线，并将其与F-K法生成的频散谱图显示在一起；最后参照相位差法生成的频散曲线，在F-K法得到的频散谱图上提取频散曲线[9-10]。

2.4 成果解释

根据上述原理，先后对完成30%导孔注浆和100%导孔注浆进行面波勘探，得到相应的剪切波等值线图(如图5、图6所示)。结合现场条件，将剪切波速度小于500 m/s作为低速带，500～800 m/s作为次低速带，800 m/s以上作为高速带，图中的等值线图表示剪切波的速度值。下面对30%导孔注浆的3条测线的剪切波速度剖面图和100%的导孔注浆的剪切波速度剖面图进行对比分析。

图5 合福高铁DK265+225.00-DK265+352.81段岩溶路基30%注浆面波剖面图

图6 合福高铁DK265+225.00-DK265+352.81段岩溶路基100%注浆面波剖面图

(1)图5为DK265+225.00-352.81里程段导孔注浆完成30%的岩溶勘查面波影像结果，该里程段在现有地面标高下25 m深范围内，各层岩性不同，表层为人工填土，上表层为粉质黏土，中部为泥质砂岩，下部为灰岩。但随着埋深的变大，各层受风化的强度不同，依据注浆钻孔取芯的岩性描述可知，平均在10 m以上为强风化段，10～25 m为弱风化层。但受注浆加固影响，岩层内裂隙得到填充，使得岩层的密度及波速分布发生了改变。由结果图可见，探测地段岩层总体分为两层，分别为低速区和高速区(图中横向虚线为分界线)，图中浅部低速区明显，但是总体位于开挖换填标高以上，由此可以推断该段换填标高下，岩层裂隙被泥浆充填，注浆有效果。因为导孔注浆先完成了30%，导致发育裂隙区未被泥浆完全充填，局部地区低速区比较明显(图中圈出的异常区)。

(2)图6为导孔注浆完成100%的岩溶勘查面波影像结果，与30%钻孔注浆剪切波速度剖面图对比可以看出，图中浅层低速区较图5明显减少，图5中圈出的异常区已被水泥浆完全充填，表明后期水泥注浆对裂缝填充效果显著。

3 结束语

通过多道瞬态瑞雷面波勘探技术在合福高铁DK265+225.00-DK265+352.81段岩溶路基注浆质量检测中的实践应用，可以得出：利用瞬态面波勘探技术对岩溶路基注浆质量进行无损检测，不仅可以获得很好的效果，采用合适的操作方法，还可在一定深度范围内快速发现异常地区，然后对该地区进行针对性处理，简化工作程序，缩短检测周期，并且大大地节省了现场投资，提高了工作效率。但对于注浆质量检测精细分辨还需深入研究。

[1]李子奇,虞庐松,樊伟东.岩溶地区路基注浆加固施工技术[J].兰州铁道学院学报,2003,22(3):74-75

[2]李军.多道瞬态瑞雷波法在武广客专路基岩溶注浆检测中的应用[J].铁道建筑技术,2008(S1):475-476

[3]史殿胜,田玉民,孙建宏.瞬态瑞雷波技术在尾矿库工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(5):566-570

[4]方志明.瑞雷面波在灌浆加固路基检测中的应用[J].广西地质,2002,15(4):47-48

[5]尚耀军,温左彪.多道瞬态瑞雷面波在工程勘查中的应用[J].科技广场,2009(5):125-127

[6]何伟兵.瑞雷面波勘探理论方法的研究及其应用[J].广东交通职业技术学院学报,2012,9(3):28-29

[7]赵慧玲.瑞雷波勘探的多用途研究[J].西部探矿工程,2004(1):21-23

[8]刘军,高红娟,翟向阳.浅析瑞雷波法检测复合地基承载力[J].华北地震科学,2004,22(4):43-45

[9]林承灏,张平松,郭立全，等.利用多道面波勘探技术调查路基岩溶地质条件[J].工程地球物理学报,2012,9(5):595-599

[10]魏文涛.多道瞬态瑞雷波法在铁路路基检测中的应用[J].西铁科技,2010(4):32-35

Multi-channelTransientSurfaceWaveAppliedtoTestGroutingQualityinKarstRoadbed

JIANG Hong,WU Rong-Xing,GUO Li-Quan,WU Teng-Fei

School of Earth and Environment ，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China

The Multi-channel transient surface wave was used to estimate the karst subgrade grouting quality of Hefu high-speed railway in Anhui which were completed 30% and 100%.Through a comparative analysis of grouting effect detection figure and actual situation on the spot,the low-speed area in surface wave exploration intersection image of grouting completed 100% less than the 30% obviously,and the abnormal area has been filled in completely,this suggests the cement grouting of late in fissure filling effect is remarkable.It indicates that the effect of the method applied in grouting subgrade in Karst geological detection is obvious,and economy,quickly,efficiently.so,it has a good application prospect in the karst roadbed engineering detection.

multi-channel transient surface wave;karst subgrade;grouting quality detection

2013-11-20

蒋洪(1990-)，安徽芜湖人，硕士研究生，主要研究方向：工程地球物理探测技术。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.01.027

P642.253

A

1673-2006(2014)01-0094-04

(责任编辑汪材印)