综合物探技术在石膏岩岩溶路基探测中的应用

刘 杰，程远水，姚建平

(1.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

综合物探技术在石膏岩岩溶路基探测中的应用

刘 杰1，2，程远水1，2，姚建平1，2

(1.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

岩溶易引起路基坍塌和下沉，是严重危害铁路运输安全的路基病害。本文采用探地雷达和多道瞬态面波相结合的综合地球物理探测方法，对青藏铁路K1333+000—K1333+660段石膏岩路基进行探测。结果表明，该段路基存在多处岩溶病害及岩溶引起的次级病害。后期的钻孔结果验证了本次测试的准确性。采用探地雷达和多道瞬态面波综合物探技术，能够较为全面、高效地检测路基中可能存在的隐患，可为及时采取加固处理措施提供依据。

青藏铁路 岩溶路基 探地雷达 多道瞬态面波 综合物探

岩溶是水对可溶性岩石进行化学溶蚀、冲蚀、潜蚀等综合地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。我国是岩溶多发国家，每年由岩溶引起的损失巨大;同时岩溶灾害具有突发性和隐蔽性，因此，在岩溶地区对铁路干线等重要的建筑物进行岩溶调查是十分必要的。当线路下方存在岩溶洞穴时，在列车振动荷载作用下上覆土体失稳、路基塌陷下沉，严重影响列车的运营安全。因此必须采用合理探测手段，准确判定路基岩溶病害规模、分布情况，并及时整治加固，保持线路状态良好，减少列车运行安全隐患。由于岩溶的发育规模和分布状况受地质构造、岩性、地形地貌以及地下水影响较大，单一探测方法很难取得满意的探测效果。本文针对青藏铁路石膏岩岩溶路基特点，在不干扰线路运行的情况下，采用探地雷达和多道瞬态面波相结合的综合物探技术对K1333+000—K1333+ 660段进行岩溶探测，为采取加固措施提供依据。

1 基本原理

1)探地雷达原理

探地雷达利用电磁波在地下介质中的传播、反射机理来实现探测目的。在地下介质中，雷达波的能量方程可表示为

式中:E0为雷达初始能量;j为虚数单位;ω为频率; t为雷达波传播时间;α为相位常数;β为衰减系数(吸收系数);r为雷达波传播距离。

相位常数和衰减常数具有如下关系

式中:μ为磁导率;ε为介质的介电常数;σ为介质的电导。

对于低导介质(σ/ωε＜＜1):

对于高导介质(σ/ωε＞＞1):

通过上述分析可知电磁波在地下介质传播过程中具有以下特征:

①衰减常数表明电磁在传播过程中，信号呈指数衰减。频率ω越高，电导σ越大，衰减量越大。尤其在含水高导地层中高频衰减很快，探地雷达接收到的信号以低频为主。

②电磁波在介质中传播时，各个频率分量的电磁波以不同的相速度传播，经过一段距离后，它们相互之间的相位关系发生改变，从而导致信号失真，这种现象叫色散。尤其在高导地层中，色散现象更为明显。

③电磁波反射波能量仅与分界面两侧介质的介电常数大小有关。当两侧介质的介电常数相同时，反射系数为0，仅有透射而不发生反射。路基基础的松散至空洞破坏了路基基础的层面反射信息，反射能量很弱，甚至没有反射，雷达接收信号以低频为主。对于含水地层，水的相对介电常数较大，因此电磁波进入含水地层，反射能量较强，而频率降低。

2)瑞雷面波勘探原理

当在介质表面施加一瞬态激振力时，将产生不同频率的瑞雷波。在波的传播方向以相同距离ΔX布设n+1个检波器，即可接收到nΔX长度范围内传播的瑞雷波(如图1所示)。对采集记录的任意两道相邻的时域信号f1(t)，f2(t)，根据傅里叶变换，其频谱分别为

且两者存在下列关系:

式中:VR(ω)为圆频率为ω的瑞雷波的相速度;f为频率，且ω=2πf;φ为相邻两道信号的相位差。

图1 多道瞬态瑞雷波测试原理示意

对于同一测点，根据一系列不同频率fi对应的VRi值，可以绘出一条VR-f频散曲线。对于存在岩溶异常的区域其频散曲线也存在很大差异，据此可以判断岩溶的位置及规模等。

2 工程概况

青藏铁路是我国西部重要的交通运输线路，线路运营一段时间后，K1333+260处路基左侧发生边坡塌陷，塌陷深度较深，呈上面小下面大的锥形，在K1333 +670—K1333+770段路基发生沉降。

该段表层角砾土厚16～20 m，下伏石膏岩、砂岩等，节理裂隙发育。石膏岩为易溶性岩石，在未饱和地下水作用下易溶蚀形成溶洞。同时，受晚更新世温雁断层构造影响(该断层源于通天河盆地南缘，为逆冲断层，伴有左旋走滑性质，向东延伸在雁石坪北约2 km处越过青藏铁路)，该区域发育多条次生小断层。断裂控制了现代地貌，布曲河基本沿该断层走行。

布曲河位于线路左侧，为本段主要河流。地表水主要为附近冲沟中的季节流水，地下水主要发育在石膏岩裂隙及溶洞中，为大气降水补给，径流活跃，水量不稳定，为硫酸盐中等侵蚀性水。地表水与地下水的硫酸根离子含量存在很大差异。地表水属未饱和水，对于硬石膏岩层具有很强的溶解能力，为岩溶发育提供了有利条件。在上述水文地质因素的控制下，该区域主要地貌单元属于山前缓坡地带，地表植被稀疏，地形起伏较大，地表多发育有碟形洼地，局部可见历史塌陷痕迹。

3 测试设备与方案

本次探测采用美国地球物理勘探公司(GSSI)生产的SIR-3000型探地雷达及100 MHz加强型天线;瞬态面波采用北京水电研究所生产的SWS-Ⅰ型24道面波仪。

为有效查明异常分布情况，在线路左、右路肩及线路中心各布置1条雷达测线。为获得较深处的地下情况，采样时窗设为300 ns，采样点数为1 024，采用自动增益方式。同时，为了保持雷达数据和现场具有更好的对应性，采用5 m打单标，整50 m打双标的形式在现场做标记。

根据现场情况，在线路中心和线路的左坡脚布置2条面波测线，炮检距6 m，道间距2 m，采样时窗1 200 ms，采样间隔0.5 ms，4道滚动;检波器的主频为4 Hz;采用锤击震源，加大加重锤垫，以便产生更多低频信号，增加探测深度。

4 探测结果

1)探地雷达结果

通过对探地雷达数据的处理分析，发现在探测区段内存在多处岩溶及路基下沉、不密实等岩溶次级病害，其中较为典型的如图2和图3所示。

图2为K1333+070—K1333+085段雷达探测剖面。在K1333+073—K1333+081，120～290 ns时间范围内(框内)，存在大量的高能量强反射，且波阻抗不连续，推测该区域路基下方6 m基岩存在大量溶沟或溶蚀牙，且溶沟和溶蚀牙内有水体活动。

图3为K1333+335—K1333+350段雷达探测剖面。在K1333+345—K1333+350，160～290 ns时间范围内存在半圆形宽振幅、高能量、低频强反射。根据反射体的形状特征，推断该处存在较大岩溶，后为地质钻孔所证实。

2)瞬态面波结果

对测区内瞬态面波进行处理，得出各炮点的频散曲线，反演出测区地层面波速度剖面，如图4所示。由图4可见整个测区内K1333+020—K1333+080，K1333+ 270—K1333+395，K1333+425—K1333+445和K1333+500—K1333+582共4段，6～15 m深处面波波速明显降低，呈漏斗状，推测为岩溶塌陷造成的路基下沉，结构松散不密实。与探地雷达探测结果基本一致。

图2 K1333+070—K1333+085雷达剖面

图3 K1333+335—K1333+350雷达剖面

图4 K1333+050—K333+582瞬态面波检测成果

5 结论

1)探地雷达具有较高的分辨率，能够探测既有线路基内部细微变化，是铁路路基探测的有效手段。

2)利用多道瞬态面波在非均匀介质中传播时的频散特性，不仅能够检测地下介质的异常情况，而且还可以反演面波在不同介质中传播的相速度，很好地评价介质的物理力学指标。

3)采用探地雷达及多道瞬态面波的综合物探手段，能够较为准确地探测出青藏铁路石膏岩地段路基内部存在的溶洞及其引起的次级病害，降低物探方法多解性，提高物探解释的可靠性，为铁路运输安全提供可靠的技术保障。

4)采用探地雷达和多道瞬态面波综合物探探测技术，能够使两者取长补短优势互补，与其它方法相比这种综合技术能够全面、精确、高效地检测路基中潜在的隐患。

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Application of comprehensive geophysical exploration technology in detecting of karst in gypsum rock subgrade

LIU Jie1，2，CHENG Yuanshui1，2，YAO Jianping1，2
(1.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

As one of the major safety concerns in rail transport，karst is prone to trigger subgrade collapse or settlement.Comprehensive geophysical exploration technology was applied，where ground penetrating radar and multi-channel transient surface wave are combined，to detect the gypsum subgrade at K1333+000—K1333+660 section on Qinghai-Tibet railway.The results which are proven consistent to that of the drilling conducted afterwards show that multiple karst defects and secondary karst-induced defects can be found.Therefore，it can be said that the integrated approach applied in this paper is able to locate any possible defect，so as to carry out necessary reinforcement accordingly.

Qinghai-Tibet railway;Karst subgrade;Ground penetrating radar;Multi-channel transient surface wave; Comprehensive geophysical exploration

U416.1+61

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.14

1003-1995(2015)01-0063-04

(责任审编 葛全红)

2014-08-10;

2014-09-20

铁道部科技研究开发计划项目(2012G012-A)

刘杰(1971—)，男，江苏睢宁人，副研究员，硕士。