面波技术在高铁临近既有铁路路基检测中的应用

面波技术在高铁临近既有铁路路基检测中的应用
陈洪杰
【摘要】高铁在迅速发展,为我国经济的快速发展起到了巨大助推作用,但其对临近既有铁路路基也造成巨大的影响.瑞雷波法在分层介质中具有频散特性,以及瑞雷波传播速度与介质物理力学性质具有密切相关,为铁路路基的病害探测提供了理论基础,本文利用瑞雷面波法对高铁临近既有铁路路基勘探,并作出评估,为其在高铁临近既有铁路路基病害的确定、整治及预防提供科学依据.文章在介绍铁路路基地球物理勘探方法的基础上,重点介绍瑞雷面波勘探技术在既有铁路路基勘察中的优势及方法原理,并通过实际应用证明其方法的有效性和优越性.
【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2012(009)001
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】瑞雷面波;路基勘察;岩溶勘察
【作者】陈洪杰
【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063
【正文语种】中文
【中图分类】P631.3
1 引言
我国既有铁路多数是建国初期修建的，路基标准较低，且运营多年，再加上其附近
的高铁施工、运营过程中，高铁的庞大沉重路基、桥梁对临近的地质条件的改变，易造成既有铁路路基的下沉、翻浆冒泥及坍塌等病害。

为确保高铁施工安全及高铁临近既有铁路的安全运营，对高铁及其临近既有铁路路基进行检测就显得非常必要，并能为高铁施工以及临近既有铁路路基病害确定、整治和以后的预防及安全运营提供科学依据。

瑞雷面波法是一种新兴的岩土原位测试方法，瑞雷面波法勘探主要是利用了瑞雷波的2种特性：①瑞雷面波勘探在分层介质中传播时的频散特性；②瑞雷波传播速
度与介质物理力学性质具有密切相关性[1]。

利用瑞雷面波这两种特性可以解决许
多浅层地质问题，如工程地质勘察，地基加固处理效果评价，岩土物理力学参数原位测试[2]，地下空洞及掩埋物探测，公路、机场跑道质量无损检测等，此外，利
用瞬态面波法来评价路基的压实质量及路基软弱层检测也具有独到的优越性[3]，
因此在铁路质量检测的相关规范中对瑞雷面波法做出了明确说明和规范[4,5]。

2 瑞雷面波检测方法原理
弹性波在到达弹性、速度或密度不同的介质界面上时，会产生反射、折射现象，同时产生界面波，将沿自由表面传播的波称为瑞雷波。

瑞雷波相对纵波、横波而言，具有能量较强、速度较低、频率较低、容易分辨等特点[6]。

在均匀半无限空间中，瑞利面波水平方向的位移U(Z)和垂直方向的位移W(Z)可由(1)式和(2)式表示：
(1)
(2)
上式中其中ω为角速度(rad)，L为波长；Z为深度(向下为正方向)；
VR与VP、VS之间有下列关系：
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中：VP为纵波速度，VS为横波速度，VR为瑞利面波速度，ρ为密度，G为剪切模量，σ为泊松比，E为杨氏模量，λ为拉梅常数。

由此可见，瞬态面波技术是基于瑞雷波运动学特征和动力学特征，利用它的频散特性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行土层划分、研究岩土的工程性质的一种物理勘探方法，可以解决诸多的岩土工程问题。

面波在路基面传播具有一个重要特征就是它的频散特性，从理论上讲，面波在单一均匀介质中传播时，不会发生频散，而当介质物性发生变化时，面波传播会发生频散，对应的频散曲线会在相应地质情况发生变化的深度出现“之”字形拐曲甚至离散[7]，也就是说，在非均匀介质中，不同频率的瑞雷波其传播速度是不同的。

在上覆层疏松或有空洞存在，灰岩有岩溶发育时，物性都发生了变化，速度降低，因此在相应深度就会出现明显的
“之”字形拐曲，在基岩中，当岩溶发育较严重时，甚至会导致频散曲线中断。

因此通过对注浆段单点频散曲线的形态进行定性分析，根据各点面波速度绘制VR等值线图，进行分析比对，可以对岩溶路基的稳定性进行定性评价。

3 野外工作原理与数据采集
图1 瞬态瑞雷波法原理Fig.1 The theory of rayleigh wave
考察测试区域并制定测试方案，根据方案在测试区域内选定点埋置检波器，并使之与地表耦合良好。

数据采集仪器为Geometrics Strata visor NZ24型地震仪；震源激发采用单边锤击，方法是采用18kg大锤从2m高空锤击，并重复敲击6至7次；采用的检波器为4Hz检波器(纵波检波器)，24道采集，道间距2.5m，炮检距22.5m。

采用MASW多道面波法全频采集，采样间距0.20ms，记录长度2s，每24道作为一个记录排列连续采集。

具体见测试原理图1。

激发所产生的瑞雷波通过布置在地面上的接受检波器传到仪器内的存储器里，形成一个单炮的记录文件，如图2。

4 多道瞬态面波资料处理
4.1 资料处理流程
1)回放野外采集记录，数据格式转换，对非正常道进行处理；按照测线对记录进行组合，并建立观测系统；按照观测系统进行共中心点(CMP)抽道。

2)对各个道集记录数据进行F-V域变换，在F-V域拾取相速度曲线拾取，得到面波频散曲线。

图3 面波频散曲线Fig.3 The dispersion curve of rayleigh wave
图2 单炮的面波记录Fig.2 The record of single-shot
3)运用非线性最小二乘法对频散曲线初始化后进行反演。

4)输出整条测线的波速剖面图，绘制出各个测点频散曲线成果图。

4.2 应用实例
此次检测是新建杭长高铁浙江段，测区地层基本情况：表层为第四系全新统冲洪积层粉质黏土、细砂、粗砂、圆砾土、角砾土等，下伏基岩为白垩系下统金华组(K2j)泥质粉砂岩、砂砾岩和角砾岩，以及二叠系下统栖霞组(P1q2)灰岩、碳质灰岩。

下伏的灰岩、碳质灰岩，灰色，弱风化，隐晶质结构，层状构造，裂隙发育，岩芯呈柱柱、短柱状，岩溶较发育，发育溶洞多为空洞，无充填，部分为全充填，充填物为黏土。

图5是DK270+724至DK271+000段的面波波速剖面图。

图4 频散曲线反演结果Fig.4 The Inversion of dispersion curve
图5 面波波速剖面Fig.5 The profile of rayleigh wave velocity
通过检测结果，找出了土石分界层，划出了岩溶区域。

面波速度相对低速异常深度在40～50m，局部异常深度在20～25m，分布在土石分界和完整基岩的结合部。

推断岩溶发育带多数表现为多层的充填的小型溶洞、灰岩破碎溶蚀带等、较浅部异常为充填的溶沟和溶槽状。

多数低速带的面波低速值在600～1000m/s，异常带
面波速度不算很小，说明岩溶带地层结构相对紧密，充填胶结较好。

实践证明，利用瑞雷波法技术能有效地分辨出地层界线，说明瑞雷面波对高铁临近既有线路基岩溶的探测是可行的，并且效果明显。

5 结语
本文重点介绍了瑞雷面波的基本方法原理，并通过实例说明利用瑞雷波法技术对高铁临近既有线路基岩溶的探测是可行的，该方法便捷、安全，检测效果良好，为高铁施工以及临近的既有线病害的确定、整治和今后预防提供了可靠的依据。

参考文献：
[1] 李海.瑞雷面波技术在铁路上的应用[J].物探与化探,2002,26(2):160～162.
[2] 张敬沛,黄腾,李青松.瞬态面波法在软基处理检测中的应用[J].工程地球物理学报,2006,3(3):192～196.
[3] 杨成林.瑞雷波勘探[M],北京:地质出版社,1993.
[4] TB 10013-2010/J1089-2010铁路工程地球物理勘探规范[S].
[5] JGJ/T143-2004多道瞬态面波勘察技术规范[S].
[6] 何樵登.地震勘探原理和方法[M].北京:地质出版社,1986.
[7] 李杰生,钱春宇,廖红建.多道瞬态面波法在铁路路基测试中的应用[J]. 岩土力学,2003(S2).。