工程物探技術(shù)在鐵路路基檢測(cè)中的應(yīng)用研究

陳曉岡 上海鐵路局寧波工務(wù)段

1 前言

近年來(lái)，工程物探技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，集中體現(xiàn)在根據(jù)彈性波理論、電磁波理論和電學(xué)原理發(fā)展而來(lái)的各種工程物探技術(shù)。它在石油礦床等資源勘探開(kāi)發(fā)、工程地質(zhì)勘察與工程檢測(cè)、地球環(huán)境的監(jiān)測(cè)與保護(hù)等方面均有廣泛應(yīng)用。

工程物探技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)鉆探方法，使用受場(chǎng)地、地形條件的限制較少，具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。解決了傳統(tǒng)勘察方法受鐵路運(yùn)營(yíng)安全、檢測(cè)時(shí)間限制等問(wèn)題。因此工程物探技術(shù)在鐵路路基檢測(cè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣。

2 工程物探技術(shù)

工程物探技術(shù)是以研究地下巖土層（或地質(zhì)體）物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，通過(guò)儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍并可測(cè)定巖土體的物理參數(shù)，達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的一種物理勘探方法。

工程物探技術(shù)的理論基礎(chǔ)是：介子中存在許多物理性質(zhì)不同的地質(zhì)或界面，它們?cè)诳臻g產(chǎn)生了天然物理場(chǎng)（包括重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)地、地?zé)釄?chǎng)及放射性輻射場(chǎng)等）或人工物理場(chǎng)（包括人工電場(chǎng)、電磁場(chǎng)、人工地震波場(chǎng)、彈性位移場(chǎng)）的局部變化，因此派生出了各種物探方法。

工程物探涉及的方法技術(shù)很多，按照所利用的物理場(chǎng)源可分為直流電法、電磁法、淺層地震法、磁測(cè)法、微重力法、地溫測(cè)量及放射性測(cè)量等類(lèi)別。

目前，工程中開(kāi)展較多且發(fā)展較為成熟的工程物探方法主要有：探地雷達(dá)法、瑞雷面波勘探、淺層地震勘探。

探地雷達(dá)法是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射，當(dāng)遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射，并返回地面，被接收天線(xiàn)接受，并由主機(jī)記錄下來(lái)，形成雷達(dá)剖面圖。

瑞雷面波是一種沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，其傳播?guī)律反映了傳播途徑中所涉及介質(zhì)的彈性參數(shù)，不同波長(zhǎng)的瑞雷波能反映不同深度的介質(zhì)情況。

淺層地震勘探法是一種通過(guò)研究人工震源所激發(fā)的地震波在地下沿層、土壤或其它介質(zhì)中傳播來(lái)解決地下介質(zhì)分布狀況的物探方法，常用于解決地面下100 m深度范圍內(nèi)的地質(zhì)問(wèn)題。

3 工程物探技術(shù)在路基檢測(cè)中應(yīng)用分析

3.1 概況

沿海鐵路杭深線(xiàn)寧波到福州全線(xiàn)包括甬臺(tái)溫鐵路和溫福鐵路，是國(guó)家鐵路規(guī)劃網(wǎng)快速客運(yùn)網(wǎng)重要組成部分，也是我國(guó)較早開(kāi)工的高標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路。杭深線(xiàn)浙江段于2009年9月28日開(kāi)通，時(shí)速250 km，有碴線(xiàn)路，運(yùn)營(yíng)里程為351 km，全線(xiàn)穿越典型的沖海積軟土路基地段。

杭深線(xiàn)K465+510～K466+100段路基位于臺(tái)州車(chē)站站場(chǎng)寧波端，全長(zhǎng)590 m。本段路基為軟土路基，軟土深約為5 m～26 m，路堤填土高約為4 m～6 m，寬度為25 m～50 m。線(xiàn)路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)該路段路基存在'下沉'、'外臌'等病害，并且局部下沉地段存在總沉降量偏大、沉降速率較快、沉降收斂不明顯等狀況。

為準(zhǔn)確掌握該地段路基地質(zhì)情況，勘察單位一般會(huì)在鐵路兩側(cè)路基坡腳每隔50 m進(jìn)行鉆探取芯地質(zhì)勘探，獲取工程地質(zhì)與水文地質(zhì)指標(biāo)。但由于該段鐵路線(xiàn)路已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)并且十分繁忙，無(wú)法在鐵路路基面范圍內(nèi)完整取芯鉆探。因此，應(yīng)用工程物探技術(shù)檢測(cè)該地段路基，獲取較為準(zhǔn)確的地質(zhì)狀況，為地基補(bǔ)強(qiáng)加固提供可靠依據(jù)。

3.2 檢測(cè)方案

（1）檢測(cè)方法:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)、地震影像測(cè)線(xiàn)、地震面波測(cè)線(xiàn)檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)采用400 MHz和100 MHz兩種天線(xiàn)頻率。

（2）檢測(cè)儀器：SIR-20地質(zhì)雷達(dá)儀，NZXP工程地震儀。

（3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線(xiàn)和測(cè)點(diǎn)布置：選取代表性的路基面左、中、右三條線(xiàn)布置采集。左測(cè)線(xiàn)布置在5道外側(cè)碴肩，中測(cè)線(xiàn)布置在路基中心線(xiàn)位置，右測(cè)線(xiàn)布置在8道外側(cè)碴肩。地震映像采用0.5 m點(diǎn)距布置采集；地震面波采用2 m道間距，多道布置采集。

（4）完成工作量。該段路基檢測(cè)共耗時(shí)10個(gè)天窗時(shí)間，主要檢測(cè)工作是左、中、右三條地質(zhì)雷達(dá)400 MHz和100 MHz測(cè)線(xiàn)，左、右兩條地震影像測(cè)線(xiàn)，中線(xiàn)一段地震面波測(cè)線(xiàn)等內(nèi)容。

3.3 檢測(cè)分析

（1）400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)。

以該段路基中橋頂面為基準(zhǔn)，圖1中1、2、3、4、5區(qū)域?qū)?yīng) 的 K465+513 ～+628、K465+645 ～+732、K465+765 ～+841、K465+884～+957、K466+013～+067 段道碴及基床層界線(xiàn)明顯下陷，可以判斷該段路基基底有不均勻下沉現(xiàn)象，最大沉降量 95 cm。K465+655～+658、K465+665～+668、K465+757～+783、K465+815～+824、K465+912～+925、K465+937～+957 段道碴層界線(xiàn)附近波形雜亂，深度1.09 m～1.53 m，分析該段存在道碴囊、道碴陷槽。

圖1 400 MHz地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)

（2）100 MHz地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)。

圖 2 中 K465+593～+617 、K465+765～+792、K465+813～+841、K466+031～+064段有呈三振相的強(qiáng)反射信號(hào)，深度2 m～3 m，分析該段路基本體中存在不密實(shí)區(qū)域或空洞。

圖2 100 MHz地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)

（3）地震影像測(cè)線(xiàn)。

地震影像測(cè)線(xiàn) K465+569～+573、K465+604～+610、K465+663～+668、K465+782～+789段地震反射波組能量突然增強(qiáng)，波幅變大，同相軸與前后對(duì)比發(fā)生明顯交錯(cuò)變化，分析該段路基本體中存在空洞。K466+025～+029地震反射波組能量突然增強(qiáng)，波幅變大，同相軸與前后對(duì)比發(fā)生明顯交錯(cuò)變化，分析該段路基本體中存在空洞。

（4）地震面波。

圖3中深度0 m～5 m面波速度存在差異，說(shuō)明路基本體填筑不均勻。K465+605～+661、K465+674～+693段面波速度存在低速異常，深度9 m～13 m，分析該段路基基底存在松散、脫空區(qū)域。

圖3 地震面測(cè)線(xiàn)

3.4 檢測(cè)結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線(xiàn)、地震影像測(cè)線(xiàn)、地震面波測(cè)線(xiàn)檢測(cè)分析結(jié)果，可以對(duì)該段路基進(jìn)行以下評(píng)價(jià)：

（1）路基基床道碴存在不同程度下陷、局部位置已經(jīng)發(fā)展成為道碴囊；

（2）路基本體不同位置存在不密實(shí)區(qū)域、局部位置可能存在空洞；

（3）路基本體中局部存在填料不均勻、含水過(guò)高等問(wèn)題；

（4）路基基底局部存在軟弱、松散層。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）路基檢測(cè)應(yīng)用工程物探技術(shù)，具有效率高、信息量大、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)；特別是對(duì)鐵路既有線(xiàn)路基檢測(cè)，可大大降低對(duì)運(yùn)輸安全、受天窗時(shí)間限制的影響，優(yōu)勢(shì)十分明顯。工程物探技術(shù)已經(jīng)成為鐵路既有線(xiàn)路基檢測(cè)中可靠、有效的檢測(cè)技術(shù)措施之一。

（2）正式開(kāi)展工程物探工作前，應(yīng)認(rèn)真做好前期實(shí)驗(yàn)工作，認(rèn)真做好對(duì)比研究、選擇最佳采集方案和最佳采集儀器。

（3）由于工程物探方法的多解性，且每種物探方法都有其適用性，單一物探方法無(wú)法解決所有問(wèn)題，為提高物探成果的可靠性和精度，應(yīng)采用綜合物探方法，并應(yīng)在有條件地方采用鉆探、坑探等直接手段驗(yàn)證或核實(shí)探測(cè)結(jié)果。

（4）為了能正確把物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，需要工程物探人員具備一定的工程地質(zhì)知識(shí)，并應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)資料研讀，以提高讀解水平。