瞬态面波法在岩溶路基注浆质量检测中的应用研究

吴德胜，何宇，卢松

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

瞬态面波法在岩溶路基注浆质量检测中的应用研究

吴德胜，何宇，卢松

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

铁路客运专线修建在岩溶地区时，需要对岩溶地基进行加固，岩溶地基注浆这种地基加固方法得到广泛应用。为了验证注浆效果，需要对其进行检测。本文重点介绍瞬态面波法的原理及其在沪昆铁路贵州段注浆质量检测中的应用。瞬态面波法具有操作方便、快速、分辨率高等特点，且有相应的判定标准，能保证检测质量。本文应用实例表明，瞬态面波法是高效、可行的测试方法。

瞬态面波 岩溶注浆 质量检测

新建沪昆铁路贵州段，地处云贵高原的低山地貌区，铁路路基主要以填方通过，路基中心填高大都＜7 m。覆盖层为坡残积红黏土，具有弱膨胀性。下伏基岩为白云岩、灰岩，薄～中厚层状构造，节理裂隙很发育。地下水埋深较大，地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水，地表水入渗是贵州地区岩溶地面塌陷的主要诱因。铁路沿线地表调查可见溶蚀破碎带、溶洞等岩溶现象发育。设计单位进行了综合分析评价，要求对易塌陷区进行岩溶地面塌陷注浆加固，以“边探边灌，探灌结合”的原则，采用无损探测的方法对路基岩溶整治效果进行检测。

瑞利波勘探方法是一种用于获得横波速度信息的无损探测方法，通过两检波器之间的距离以及在各个频率下互功率谱的相位，就能够得到相速度与频率(或波长)之间的关系。由于其简便快捷，同时对测试场地以及使用仪器要求十分宽松，从多道地震仪接收的地震展开排列到虚拟仪器接收的两通道信号，都可以用来进行面波频散曲线计算与解释，正好可以满足对注浆效果进行检测的要求。

1 瞬态面波法探测原理

瞬态面波检测方法的物理前提就是利用地下介质间的物性差异，通过仪器接收人工激发或天然的地球物理场波速在空间或时间上的响应，以达到探测地下介质分布特征的目的。

在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller(1955年)计算出来，即P波占7%，S波占26%，R波占67%。也就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。

研究证明:面波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长(λR/2)范围内介质震动的平均传播速度。因此，一般认为面波法的测试深度为半个波长。设面波的传播速度为VR，频率为fR，则面波的波长λR与速度及频率有如下关系

当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。

面波法是利用面波的上述运动学特征和动力学特征来进行工程地质勘察的物探方法。面波有三个与被测地层有关的主要特征:①在分层介质中，面波具有频散特性;②面波的波长不同，穿透深度也不同;③面波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。

面波探测方法一般分为瞬态法和稳态法两种。这两种方法的区别在于震源不同。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的面波，并以复频波的形式传播;而稳态法是在激震时产生相对单一频率的面波，并以单一频率波的形式传播。瞬态法检测时采用落重法，用25.4 kg大锤击震。为了保证激发的质量，采取的措施有:一是激发震源时落锤确保短促有力，避免有回振，而且尽量减小周围环境中的振动影响;二是通过多次信号叠加功能，剔除干扰杂波。瞬态面波法的工作原理如图1所示。

根据经验，段内场地下伏的完整岩体(泥质砂岩、泥岩、煤层等)、采空区、巷道、富水极软弱岩体、节理裂隙发育岩体、土洞、空洞、注浆固结体等之间存在着明显的面波速度差异，因此具备了采用瞬态面波法检测路基岩溶注浆加固效果的地球物理条件。

沪昆铁路贵州段的检测段中，场地内的完整岩体、土层、岩溶洞穴、岩溶裂隙、岩溶充填物等之间存在着明显的面波速度差异，因此具备了采用瞬态面波法检测路基岩溶注浆加固效果的地球物理条件。瞬态面波法检测判定标准根据《铁路工程地基处理技术规程》(TB 10106—2010)中的路基岩土体注浆质量检测标准要求(见表1)确定。

图1 瞬态面波法工作原理

表1 岩溶注浆质量定量评价标准

2 现场工作布置及数据处理流程

测线垂直中线布设，测点均位于各测线上，测线间距7 m，测点间距7 m。检波器以测点为中心，向测点的两端展布，展布方向则根据测区的地形、地质及场地条件作适当调整。具体测线测点布设如图2所示。

图2 瞬态面波法检测线及测点布设示意

瞬态面波法检测采集到的原始资料是面波沿地面传播的时距域振动波形，它是由不同频率的面波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播。因此，瞬态法记录的信号要经过x-t时距域、f-k频率波数域、x-f距离频率域、z-v深度速度域进行分步处理，最终得到一条频散曲线。瞬态面波法资料的处理解释主要流程如下:

①检查采集记录的参数、质量、振型，剔除合格记录中的坏道;

③利用互相关函数求出两个检波点间各频率波形的相位差Δφ(f);

④利用VR=2πfΔX/Δφ计算出各种不同频率的面波速度;

⑤绘制面波频散曲线VR～H;

⑥进行z-v深度速度域反演，反演根据的频散数据来自x-f距离频率域;

⑦依据反演拟合的结果，结合检测场地内相应地质勘察资料，对频散曲线进行解释，提取各地层面波速度，对可能存在的塌陷裂隙带等不良地质体进行分析和综合评价。

3 工程实例

路基段DK851+869—DK852+177检测中，瞬态面波法累计共完成测点43个，获取43条频散曲线，由于所测瞬态面波VR反演地层结构图较多，该段选取2个具有代表性的点作详细说明。

图3 检测点DK852+163(测线2)频散曲线反演

检测点1位于DK852+163(测线2)里程处。根据设计相关勘察资料以及现场注浆孔、探灌结合孔等成孔资料，结合图3进行反演分析。该检测部位经注浆加固后频散曲线较连续、拐点不明显，拟合度达0.856，反演效果较佳。浅层深度0～-2.8 m范围内，反演层平均速度约为150 m/s，基本反映了上覆岩土体的波速值，与该深度范围内判别标准综合所反映的波速值相比较，波速反映正常。-2.8～-7 m范围内，反演层相速度平均值约为220 m/s，与该深度范围内判别标准综合所反映的波速值相比较，波速反映正常，对应中～弱风化白云岩层波速值。-7 m以下，反演层相速度高于300 m/s，均高于该深度范围内判别标准综合所反映的波速值，表明该检测点位注浆效果较理想，质量合格符合要求。

检测点2位于DK851+963(测线3)里程处，该检测部位经注浆加固后，频散曲线未出现离散现象，分层差异较好，拟合度达0.862，反演效果较佳。浅层深度0～-2.3 m范围内，反演层平均速度约为140 m/s，基本反映了上覆土体的波速值，与该深度范围内判别标准综合所反映的波速值相比较，波速反映正常。-2.3～-6.8 m范围内，反演层平均速度约为210 m/s，基本符合对应中～弱风化白云岩层波速值，符合判别公式。-6.8 m深度以下，速度逐步增大，符合对应岩体判别公式，反映了该检测点位注浆效果较理想，质量合格符合要求。

4 结语

瞬态面波勘探方法作为一种勘探路基注浆质量效果的手段，具有快速、操作方便等特点。根据频散曲线反演地层相速度大小，按对应深度的定量评价标准，确定路基岩溶注浆质量。在岩溶路基注浆质量检测中，具有操作方便、快速、高分辨率等特点。本文采用瞬态面波法对沪昆铁路贵州段部分里程段进行检测，同时结合瞬态面波法检测判定标准，判定路基岩溶注浆质量，保证了工程施工质量。应用效果表明，在岩溶路基注浆效果检测中，瞬态面波法是高效、可行的方法之一。

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Study on application of transient surface wave method to grouting quality inspection for karst subgrade

WU Desheng，HE Yu，LU Song
(China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 611731，China)

In the construction of passenger dedicated railway，foundation reinforcement stands as a necessary precaution for karst-area section.T herefore，the approach of karst foundation reinforcement is widely adopted in railway engineering，which requires quality inspection afterwards.Under such background，the paper explains in detail the transient surface wave method and its application to the Guizhou section of Shanghai-Kunming line.It has been verified that the approach stands out for its straightforward workflow，speedy operation and high resolution，and with a well-established criteria，it delivers a satisfied performance in quality inspection.W ith this in mind，the paper cites practical examples in its discussion in an effort to prove that transient surface wave method is efficient and therefore applicable.

T ransient surface wave method;Karst grouting;Quality inspection

U213.1+4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.25

1003-1995(2015)02-0089-03

(责任审编赵其文)

2014-02-24;

2014-11-17

吴德胜(1974—)，男，四川德阳人，高级工程师。