瞬態(tài)面波在既有鐵路路基塌陷探測中的應(yīng)用

■李 軍 ■中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063

既有鐵路路基病害直接影響到路基的穩(wěn)定，軟土路基不均勻沉降常引起路基填土、道砟等下陷形成路基陷穴，嚴(yán)重危及鐵路行車安全。因此有必要采取合理的探測手段，查明沿線路基下伏軟弱結(jié)構(gòu)層和空洞發(fā)育情況，對勘察地段進行綜合評估，為路基整治處理提供科學(xué)依據(jù)。既有鐵路目前大多為電氣化鐵路，傳統(tǒng)的電磁類探測方法受鐵路電氣化設(shè)備的電磁場干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)畸變，無法反映真實的路基病害情況。地震類探測方法根據(jù)人工激發(fā)的地震波對地下淺層介質(zhì)的物性特征進行探測，不易受到鐵路電氣化設(shè)備電磁場的干擾。

瞬態(tài)面波法作為便捷、高精度的地震類探測手段，在工程病害探測和加固效果檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以廣珠鐵路某段塌陷路基檢測為實例，在整治處理前，對鐵路塌陷段病害情況進行檢測，查明路基下伏軟弱結(jié)構(gòu)層和空洞發(fā)育情況，為確定整治處理方案提供依據(jù);在整治處理后，對灌砂加固處理效果進行檢測，通過灌砂前后的面波資料對比分析，評價加固處理效果，以期為瞬態(tài)面波在類似工程檢測提供參考。

1 面波探測巖溶路基原理

面波勘探原理如圖1所示，面波在路基面?zhèn)鞑ゾ哂幸粋€重要特征就是它的頻散特性，從理論上講，面波在單一均勻介質(zhì)中傳播時，不會發(fā)生頻散，而當(dāng)介質(zhì)物性發(fā)生變化時，面波傳播會發(fā)生頻散，對應(yīng)的頻散曲線會在相應(yīng)地質(zhì)情況發(fā)生變化的深度出現(xiàn)“之”字形拐曲甚至離散，也就是說，在非均勻介質(zhì)中，不同頻率的瑞雷波其傳播速度是不同的。當(dāng)路基中存在空洞或縫隙，物理性質(zhì)發(fā)生變化，面波速度降低，因此在相應(yīng)深度就會出現(xiàn)明顯的“之”字形拐曲，當(dāng)空洞或縫隙較嚴(yán)重時，甚至?xí)?dǎo)致頻散曲線中斷;因此通過對路基范圍內(nèi)單點頻散曲線的形態(tài)進行定性分析，同時根據(jù)各點面波速度繪制等速度剖面圖，進行分析比對，可以對路基基床以及地基的完整性進行全面和整體的定性評價。

2 工程實例

2.1 工程概況

廣珠鐵路DK32+400～DK32+450段位于佛山三水附近，為沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊，交通較為便利，表層為第四系覆蓋土層，下伏基巖為第三系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量泥巖;DK32+400～DK32+450段在已施工攪拌樁間插打管樁加固，路基于路肩設(shè)計標(biāo)高以下4.5m處采用管樁加固，樁間距3*3.46m，按長方形布置，樁長35～41m，樁徑0.5m，樁頂設(shè)0.5m砂礫石墊層，中間鋪設(shè)一層土工格柵，其抗拉強度不小于260kN/m，兩側(cè)埋入式腳墻，腳墻高0.5m，寬0.5m，其上砂礫石墊層邊坡設(shè)干砌片石護坡，高0.5m。

前期收集的地質(zhì)資料所揭示的地層中，夯實處理良好的路基及路基地基與富水、松散的路基填筑體及松散土體之間，密度、速度、巖體力學(xué)性質(zhì)特征存在明顯的物性差異，為地球物理勘探提供了良好的前提條件。

圖1 面波測試原理及采集示意圖

2.2 現(xiàn)場探測工作

(1)測線布置:物探測線沿上、下行線外側(cè)路肩布置;(2)采集參數(shù)確定:正式采集之前首先進行了偏移距試驗，根據(jù)實驗結(jié)果確定本次探測排列的參數(shù):10米偏移距，1米道間距，2米測點距;探測中采用錘擊震源單邊激發(fā)，4Hz檢波器，24道/炮采樣，采樣時間1024ms，采樣點數(shù)為2048，全頻接收，每24道作為一個記錄排列;(3)避免干擾源影響:首先對現(xiàn)場干擾源進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主要存在列車行駛干擾、施工機械干擾等，數(shù)據(jù)采集時注意避開上述干擾源影響，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。針對場地表面堅硬平坦的實際條件，通過檢波器底部采用加墊板方式，保證與地面接觸良好。

2.3 面波數(shù)據(jù)處理流程如下:

(1)回放野外采集記錄，對非正常道進行處理，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換;(2)按照測線對記錄進行組合，并建立觀測系統(tǒng);(3)按照共中心點(CMP)抽道集，或者按共炮點記錄集合;(4)對各個道集記錄進行τ－p變換，在F－V域拾取相速度曲線;(5)按測線對頻散曲線模型初始化，非線性最小二乘法進行反演得到面波層速度;(6)繪制出各個測點頻散曲線成果圖，繪制整條測線的波速剖面圖;

2.4 實測資料解釋

(1)整治處理前。以DK32+400～DK32+450上行線外側(cè)路肩測線面波資料為例，對整治加固前路基病害探測情況進行分析，參照DK32+220～+250非管樁加固段面波資料，管樁樁帽頂部基床正常面波速度在200m/s以上，DK32+417～+450管樁樁帽頂部基床面波速度約140～170m/s，低于200m/s正常面波速度，推測基床填筑體較松散。DK32+417～+437管樁樁帽底部與樁頭間面波速度約160～190m/s，存在低速異常，且等值線相對下陷，推測管樁頭與樁帽間存在脫空或樁間土體存在松散、不密實現(xiàn)象。DK32+421～+436管樁樁帽底部路基本體局部面波速度相對較低，形成低速圈閉異常，或速度等值線相對下陷，推測路基本體中填料存在松散、不密實現(xiàn)象(圖2)。

圖2 DK32+400～DK32+450上行線外側(cè)路肩面波等速度剖面圖

(2)整治處理后。如圖3所示，整體上來看，經(jīng)灌砂處理后，樁帽底部與樁頭間低速異常區(qū)面波速度值均有明顯提高，從灌砂前的160～190m/s提高到190～240m/s，并且低速異常區(qū)域范圍縮小，說明灌砂充填較好，管樁頭與樁帽間空洞、不密實區(qū)域得到有效充填，整體加固效果明顯。DK32+400～+450管樁樁帽頂部基床面波速度約140～170m/s，低于200m/s正常面波速度，推測基床填筑體較松散。推測由于灌砂位置在樁帽底部與樁頭之間，對于樁帽頂部的基床，面波速度沒有明顯提高，基床無明顯改善，填筑體仍然較松散。DK32+407～+414管樁樁帽底部路基本體局部面波速度等值線相對下陷，推測路基本體中填料存在松散、不密實現(xiàn)象。管樁頭與樁帽間部分位置面波速度雖然得到提高，并且異常范圍縮小，但相比其它位置，改善程度相對較差，推測由于灌砂充填不均勻，管樁頭與樁帽間存在較小脫空或樁間土體存在較松散、不密實區(qū)域。

圖3 DK32+400～DK32+450上行線外側(cè)路肩面波等速度剖面圖

3 結(jié)語

瞬態(tài)面波法利用頻散曲線反演面波速度，根據(jù)各測點速度繪制出面波等速度剖面圖，等值線的位置、大小和形態(tài)反映了路基下伏軟弱結(jié)構(gòu)層和空洞發(fā)育情況，成果圖直觀可靠，說明瞬態(tài)面波法能快速、有效查明路基病害分布情況，為路基整治加固提供科學(xué)依據(jù)。通過對比分析加固前后面波速度差異和同一低速異常的形態(tài)變化，可以有效地對路基整治加固效果進行評價。通過瞬態(tài)面波在本次路基塌陷病害探測與整治加固效果檢測中的應(yīng)用，為以后同類工程質(zhì)量控制提供了參考。

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