既有铁路岩溶路基病害探测综合分析方法研究

　　摘 要：依托某既有铁路岩溶路基病害段，采用多道地震面波、地质雷达法进行物理勘探，辅以钻孔验证勘探，进行综合分析研究。结果表明：测区内岩溶异常，分别为覆盖型岩溶、埋藏型岩溶以及受铁轨、接触网、桥涵干扰所致的异常;测区的岩溶发育程度可划分为岩溶发育区、岩溶较发育区、岩溶轻微发育区;岩溶发育区域以及顶板厚度较小的岩溶较发育区，建议优先考虑整治;对于埋藏较深的岩溶较发育区及岩溶轻微发育段落，建议加强监控。

　　关键词：岩溶路基病害整治;多道地震面波;地质雷达法;验证性机动钻探;综合勘察

　　0引言

　　我国山区铁路线位不可避免穿越岩溶地区，有早年形成的溶洞、溶槽、落水洞、地下河等，这些岩溶形态对路基将会造成诸多不良影响，造成基岩面起伏大，地基压缩不均，引发路基不均匀沉降、路面开裂等现象，严重区域还可导致地面塌陷等灾害[1-3]。

　　因此，查明既有路基岩溶病害范围以及具体位置，采取针对性的整治措施具有十分重要的意义。本文以浙江省江山市某既有铁路岩溶路基病害段为例，根据该段地形地貌和工程地质特征，选择多道地震面波、地质雷达法进行综合物理勘探，加以机动钻孔勘探验证进行综合分析，查明该段路基区域岩溶分布范围和发育程度，为病害整治提供设计依据。

　　1工程概况

　　双线电气化铁路线路为北东-南西走向，本次岩溶路基病害探测段位于浙江省江山市，路基病害段全貌。线路主要穿越丘陵区及须江一级阶地区，剥蚀丘陵区地表植被发育，表层履盖层厚0～20m不等，主要为粉质黏土，下伏石炭系黄龙组(C2h)、船山组(C3c)石灰岩。路堤填高0～7m，3m以上边坡采用网格骨架护坡。路堑坡高0～15m，最高处近20m，3m以上边坡有骨架护坡，局部地段坡脚设挡墙支挡。该段线路穿越岩溶地段，电化施工时已对路基进行过注浆处理，多次发生过岩溶塌陷，进行过多次病害整治。

　　2综合分析方法的选取

　　目前，国内外路基岩溶物探的主要方法有：地震瞬态面波、地质雷达、直流电测深、高密度电法、瞬变电磁法等[4-5]。考虑到测区范围内接地条件很差，既有铁路沿线存在电缆等流散电流源，直流电法无法开展工作。瞬态面波法利用面波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勘探，地震多道面波浅层分辨率较高，且有别于折射或反射方法，不受各地层速度关系的影响，且野外场地要求不高，有别于传统瑞雷面波的采集方式;多道面波采用多次覆盖方法采集，其数据横向分辨率高。

　　因此，在评价浅部地基完整性方面有着较大的优势;地质雷达利用电磁波在地层中传播时遇到电性差异界面(如空洞、电性分界面等)时便会形成反射界面的介质介电常数差异进行勘探。综合以上分析，通过方法比选，选用多道地震面波及地质雷达法进行综合物理勘探，加以验证性机动钻孔勘探，力求更准确的勘察效果。

　　3物探方法原理以及测线布置

　　3.1多道面波(MASW)法检测原理

　　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。瑞雷面波检测原理及采集示意。瑞雷面波波长越长，穿透地下的深度就越大，相速度越大，对层参数也就越敏感。波长短，对表层参数比较敏感，反应浅部信息。道碴层、填料层、覆盖层(密实、松散、土洞)、基岩(完整、破碎、溶洞)都是非均匀介质，不同频率瑞雷波在不同介质中的传播速度不同。

　　当存在岩溶发育段时，覆盖层(土层)在基岩溶蚀发育作用下，土层会因地下水潜蚀作用而变得疏松甚至形成空洞或缝隙，物理性质发生变化，面波速度降低，在相应深度出现明显的“之”形拐曲;当岩溶发育较严重时，甚至会导致频散曲线中断。通过对路基范围内单点频散曲线的形态进行定性分析及一维反演，同时通过将测线上各点面波速度进行二维空间插值以及滤波最终绘制得到，进行分析比对，可对基岩完整性及中期承载力效果进行全面和整体的定性评价。

　　3.2地质雷达(GPR)

　　检测原理地质雷达勘探是以地下不同介质的介电常数差异为基础的一种物探方法。地质雷达原理示意。地下不同介质间(土体、基岩、空洞等)的电磁特性差异越大，其介质间的界面越易识别(物体的电磁特性主要由相对介电常数和电导率L决定)，空洞、含水节理裂隙软弱带、路基密实土体与完整基岩相互之间介电常数之间存在明显差异，故存在缺陷(空洞、富水不密实层位)的目标体反射波能量较密实结构层大且频率更低，同时富水区域的电磁波反射波能量谱更强。通过对地质雷达数据的处理，结合对雷达图像的频率、振幅、同相轴特征等情况进行分析解释，最终可以得到路基覆盖层厚度情况、土洞、岩溶的发育范围等情况。

　　3.3物探测线布置

　　物探测线分别依据既有沪昆铁路上、下行百米标里程桩进行放样测量，下行线左侧路肩测线采用下行里程，上行线右侧路肩测线采用上行里程，中间测线采用下行线里程。为方便各条测线物探成果资料对比分析，上下行测线起、终点均对齐。

　　4检测资料分析与解译

　　选取代表性段落K477+720～K479+400进行分析，下行线左侧路肩布置多道面波测线ZM1、地质雷达测线LP1，上行线右侧路肩布置地质雷达测线LP2、多道面波测线ZM2，下行线段中间布置多道面波测线ZM3，上行线中间布置多道面波测线ZM4。

　　4.1左侧路肩测线物探分析

　　工区内覆盖层厚度约5～13m，面波波速200～450m/s，为道碴、路基填筑土层及原状覆盖层土体的综合反映，基岩波速450～1200m/s。该测线共发现34处较明显的物探异常带，推测为溶蚀、裂隙带反映，K478+011～+582左侧路基物探结果。

　　K478+011～+582段深度9.0～23.0m，范围内存在10处波速异常带，多为局部的小凹槽状异常，推断为岩溶轻微发育区;其中，K478+040～+148段铁路桥涵正交线路，对勘察结果影响较大，不排除基岩面附近岩溶发育的可能性。K478+595～+666段左侧路肩物探结果。深度9.6～22.0m存在范围较大的波速异常带，面波速度350～500m/s，推测为岩溶较发育区。K479+298～+388段左侧路肩物探结果。深度10.0～23.0m内存在明显的大范围波速异常带，面波速度350～450m/s，推测为岩溶发育区。

　　4.2右侧路肩测线物探分析

　　工区内覆盖层厚约5～12m，面波波速200～450m/s，为道碴、路基填筑土层及原状覆盖层土体的综合反映，基岩波速450～1000m/s。该测线共发现13处较明显的物探异常带，推测为溶蚀、裂隙带反映。K478+115～+566段深度9.0～25.0m范围内存在5处波速异常带，见图8，多为局部的小凹槽状异常，推断为岩溶轻微发育区;其中K478+138～+289段铁路桥涵正交线路，对勘察结果影响较大，不排除基岩面附近岩溶发育的可能性。

　　4.3K477+850～K478+050段中间测线物探分析

　　工区内覆盖层厚约5～6m，面波波速200～350m/s，为道碴、路基填筑土层及原状覆盖层土体的综合反映，基岩波速350～1000m/s。该测线共发现1处较明显的物探异常带，推测为溶蚀、裂隙带反映。K477+930～+981段深度5～17m存在明显的凹槽状波速异常带，见图11，面波速度约400～700m/s，推测为岩溶较发育区。

　　4.4K479+200～+400段中间测线物探分析

　　工区内覆盖层厚约5～8m，面波波速200～350m/s，为道碴、路基填筑土层及原状覆盖层土体的综合反映，基岩波速350～1100m/s。该测线共发现2处较明显的物探异常带，推测为溶蚀、裂隙带反映。K479+220～+242段深度17～21m存在相对独立的波速异常区，推测为岩溶轻微发育区。K479+294～+396段深度范围12～21m内存在明显的较大范围的波速异常区，面波速度约600～750m/s，推测为岩溶发育区。

　　4.5验证性钻孔岩溶发育情况

　　根据物探解译成果，于推测岩溶发育地段布置2个验证性钻孔，位置分别为上行线K478+072.8右侧7.4m处以及下行线K479+370.8左侧13.5m处。钻探结果显示2孔皆揭示为灰岩地层，均发育溶洞，最小溶洞1.2m，最大溶洞6.0m。钻孔岩溶统计。

　　对比Jz-K478072号钻孔与该段物探结果，面波显示K478+050～+084段深度8.5～12.0m存在较明显的凹槽状波速异常带，面波速度约400～500m/s，推测为岩溶较发育区，与钻探结果相符。对比Jz-K479370号钻孔与该段物探结果，面波显示K479+298～+388段深度10～23m存在明显的大范围波速异常带，面波速度350～450m/s，推测为岩溶发育区，与钻探结果相符。

　　5结语

　　采用多道地震面波、地质雷达法进行物理勘探，辅以钻孔进行验证勘探，对既有铁路某岩溶病害区域进行了综合勘察。

　　(1)测区内岩溶异常可分为三类：第一类为覆盖型岩溶，即与土层有连通关系的岩溶异常，由于和土层直接连通，受地下岩溶水影响，水土易发生流失，导致路基沉降;第二类为埋藏型岩溶，具有一定基岩顶板厚度，对顶板厚度较小的埋藏型岩溶，由于长期受到列车荷载挤压，易发生坍塌，应予以重视;第三类为受铁轨、接触网、桥涵干扰所致的异常。不排除外部干扰和实际地质异常的叠加。

　　(2)根据溶蚀异常带的范围大小、密集程度及面波的速度值，将测区的岩溶发育程度划分为岩溶发育区、岩溶较发育区、岩溶轻微发育区。岩溶发育区岩溶异常范围大、异常密集、波速低;岩溶较发育区岩溶异常范围较大、异常较密集、波速较低;岩溶轻微发育区异常范围相对较小、异常数量相对较少，波速相对较低。K477+720～K479+400段综合多道瞬态面波与低频地质雷达法测线分析，工区内地层呈两层结构：覆盖层厚度5～13m，面波波速150～450m/s左右，为道碴、路基填筑土层及原状覆盖层土体的综合反映;基岩波速度450～1200m/s左右，测区范围内共发现岩溶异常50处，其中推测岩溶发育区3处，岩溶较发育区18处、岩溶轻微发育区29处。

　　(3)物探资料所揭示的岩溶发育区域以及顶板厚度较小的岩溶较发育区，发生路基沉降的风险较大，建议优先考虑后期整治;对埋藏较深的岩溶较发育区及岩溶轻微发育段落，不排除测线旁侧仍存在连通的大规模岩溶发育带的可能性，受旁侧水土流失影响，同样可能引起线路范围内的路基沉降，也应引起重视，加强监控。

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　　作者：付明