综合物探技术在铁路路基基底隐伏岩溶勘查中的应用

马瑞涛

（中铁资源集团勘察设计有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

在铁路的建设过程中，路基的安全问题不容忽视，而地下的隐伏岩溶是影响铁路路基稳定的重要因素之一。因此，为了确保铁路路基的稳定与沿线的行车安全，对铁路路基基底的隐伏岩溶进行排查就显得十分必要[1]。

目前，路基勘查方法种类较多，包括地震映像法、地质雷达法、瞬态面波法和高密度电法等，相关技术方法也较为成熟[2-3]。该文考虑施工区域地质条件和探测目的差异，在某高铁路基基底的隐伏岩溶探测中选用了直流电阻率法和瞬态面波法相结合的综合物探方法，探测结果也得到了钻探验证，实际结果表明了该方法的可行性和有效性，对今后的铁路建设工作中的路基岩溶勘查具有一定指导意义。

1 工程概况

根据以往地质资料，某铁路沿线地形、地质条件复杂，区域地质作用较剧烈，碳酸盐岩分布广泛，不良地质较发育，有地质灾害发生，类型很多。影响铁路工程的溶洞、溶腔、溶蚀洼地、隐伏溶洞和破碎带等岩溶形态很多，主要发育于寒武系至奥陶系的灰岩、白云岩、灰岩夹页岩中。岩溶对铁路工程的影响和危害包括3个方面：一是隐伏岩溶洞穴对建筑物基础稳定性的影响；二是岩溶涌水对地下工程造成危害，或因排泄不畅，形成地面积水、冒水，对路基和其他地面工程造成危害；三是岩溶地面塌陷，它是岩溶地区路基地段普遍而又具灾难性的威胁，因此需要采用物探技术对该高速铁路沿线路基进行勘查。

2 方法选择

2.1 地球物理前提

沿线覆盖层以坡洪积层及坡残积层的粉质黏土、黏土为主，河谷及阶地分布有冲洪积的黏性土、砂类土及碎石土；填方及换填部位成分主要为碎石土；基岩岩性以灰岩、白云岩类可溶岩为主，相间分布页岩夹灰岩、泥灰岩和页岩及煤系地层，局部地段有花岗岩及砂岩分布。溶洞、破碎带以及溶腔等形式的岩溶与上述地层存在明显的物性差异，为本次岩溶探测工作提供了良好的地球物理前提。

由于本段铁路沿线主要为土质路基，岩溶发育较为强烈，因此根据路基（土质路基及岩质路基）的不同特点选择直流电阻率法和瞬态面波法相结合的综合物探方法，以达到隐伏岩溶探测的目的。

2.2 直流电阻率法

直流电阻率法是以岩石的导电性差异为基础，通过对人工电流场的分布规律进行观测和研究，达到解决地质问题的方法[4]。其基本原理是如下：不同岩层或同一岩层由于成分或结构等因素的不同而具有不同的电阻率，通过接地电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场，在地表观测电位变化，以了解岩层的分布特点[5]。

直流电阻率法通过供电电极A、B向地下供电，然后测量电位电极M、N两极的电位差∆UMN，进而获得该测点的视电阻率（ρs），其表达式如公式（1）所示。

式中：K为装置系数；∆UMN=UN-UM；I为供电电流。

当AB极距离小时，电流分布浅，ρs曲线主要反映浅层情况；AB极距大时，电流分布深，ρs曲线主要反映深部地层的影响。

2.3 瞬态面波法

瞬态面波法是利用瑞雷面波的频散特性及瑞雷面波与介质的物理性质的相关性，获得不同深度上介质的速度参数，推断地下界面的起伏变化、划定局部异常体的一种地球物理勘探方法[6]。瑞雷波在地下传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，同一波长瑞雷波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长瑞雷波的传播特性反映不同深度的地质情况[7]。

瞬态面波法的测点对应接收排列中点，震源点、检波点按照一定的间隔（点距）同步向前移动，以获得覆盖探测线路的连续面波数据。对按照一定间隔（点距）采集的面波记录的多个检波器信号进行逐道频谱分析和相关计算，综合全部测点处理结果形成面波剖面成果图，分析地下介质的连续变化、确定局部异常体范围以及大致深度及性质，面波勘探为排列长度内一定深度范围地下介质的综合反映[8]。瑞雷面波法数据处理过程中通过多道叠加可消除大量随机干扰、强化瑞雷波和压制纵横波，具有能量强、信噪比高的优点[9]。

3 测线布置和数据采集

根据该铁路规划情况，本次在左、右轨道中线各布置1条测线，共计2条。直流电阻率法数据采集选用重庆精凡科技有限公司生产的N2型电法仪，根据工区的地质条件和勘探深度要求，最大电极距AB/2为50 m～70 m，沿线路方向布极。瞬态面波法数据采集选用GEOMETRICS生产的NZXPII型工程面波仪、宽频带检波器（3 Hz～1000 Hz），以获得高保真度、宽频带的地震波信号。选择一次激发、多道（12道）接收的工作方式，道间距2 m，偏移距4 m，点距2 m，采样间隔0.0625 ms，采样长度500 ms，叠加次数2～4次；激发震源为20磅大锤。

4 数据处理及结果分析

4.1 数据处理

直流电阻率法数据处理采用快速最小二乘法对电阻率数据进行二维反演。此处理方法反演速度快、反演结果显示直观，并且可带地形反演进行地形校正。数据处理流程具体包括对原始数据格式转换，将数据转换成反演软件可识别的文件；编辑数据，剔除RSM较大数据及手动剔除电阻率异常值，旨在剔除不合理数据，如接地不良、电极极化不稳引起的坏数据；数据反演，将数据调入反演软件，设置反演参数、修改模型层厚度因子、选择反演方法，并根据各断面实际情况确定是否选择约束，最后反演得到反演成果图。

瞬态面波法数据处理主要包括预处理，对采集到的数据进行整理和检查；时间-空间域提取面波，在原始记录中将除瑞雷波之外的纵波、横波和其他转换波在时间-空间域加适当的窗口予以排除；建立频率-波数谱图，在频率-波数域（F-K域）区分不同类型波及面波不同模态。通过对多个检波器采集的地震信号进行逐道频谱分析和相关计算，并进行叠加，以消除随机干扰、压制纵横波，强化瑞雷面波；提取面波频散曲线，结合地质资料及原始记录区分基阶模态面波能量图谱分布范围，按照连续拾取模式提取基阶波频散数据；频散曲线正反演拟合，结合地质资料进行正反演拟合、绘制解释成果断面图等步骤。最后按照测点里程号坐标、深度、视横波速度值绘制视横波等速度断面图，在此基础上依次对地下界面起伏变化、局部异常体范围及性质进行推断解释。

4.2 直流电阻率法结果分析

经过数据处理得到测线1和测线2的电阻率剖面结果如图1所示。从图1可以看出，测线1在DK38+960～DK39+010段内，近地表附近（0.0 m～1.0 m）的电阻率呈现中高阻特征，且横向连续性较差，是覆盖层的反应；在浅部（1.0 m～6.0 m）表现为高阻特征，且连续性较好，推断该范围内基岩较为完整；在横向DK38+972～DK39+010段，纵向7 m以深存在一明显低阻区域，如图1（a）中虚线所示，推测为岩溶或溶蚀破碎导致。测线2在DK38+960～DK39+010段内，浅部（0.0 m～5.0 m）表现为高阻特征，且连续性较好，与测线1基本保持一致，推断该范围内基岩较为完整；在横向DK38+975～DK38+998段，纵向10 m～25 m的区域存在一明显低阻区域，如图1（b）中虚线所示，推测为岩溶或溶蚀破碎导致。

图1 直流电阻流率法成果剖面图

4.3 瞬态面波法结果分析

经过数据处理得到测线1和测线2的速度断面图如图2所示。从图2可以看出，在纵向上，2条测线由浅到深均总体表现为低速～高速的变化趋势，主要为覆盖层和基岩由浅到深的相对低速～高速分布特征的反映；在横向上，测线1的DK38+967～DK38+998段、纵向5.2 m～17.0 m的区域范围内以及测线2的DK38+972～DK38+993段、纵向5.5 m～14.0 m的区域范围内都出现明显的凹槽状低速异常，推断为溶洞和破碎带的反映。

图2 瞬态面波法成果剖面图

从施工现场的工程地质情况可知，测线范围内近地表有路基填筑物，且地下岩性以灰岩为主。综合直流电阻率法和瞬态面波法的异常情况的解释成果如下：推断在近地表附近（0.0 m～1.0 m）主要是路基的填筑等覆盖物；推断直流电阻率法和瞬态面波法中的异常位置为岩溶和破碎带的发育位置；其他位置是以灰岩为主的基岩，最终得到了DK38+960～DK39+010段内2条测线的地质解释图，如图3所示。

图3 地质解释成果图

4.4 钻探验证情况

为了验证探测成果的准确性并为后续路基基底的注浆治理提供依据，根据综合地质解释成果，分别在测线1和测线2的DK38+984处各施工1个钻孔，编号为1#和2#，具体钻孔情况见表1。

从表1可以看出，本次综合物探解释结果与钻孔揭露基本一致，验证了结果的准确性，表明了该文采用的综合物探方法的有效性。

表1 钻孔实际揭露情况一览表

5 结论

该文采用直流电阻率法和瞬态面波法对某高铁路基岩溶进行探测，圈定了地下隐伏岩溶以及破碎带的分布和延展情况，得到了钻孔验证，达到了预期探测效果。说明该文提出的综合物探方法可以有效解决路基岩溶发育的探测问题，为今后铁路路基勘查提供了思路。