多道瞬态面波法在岩溶注浆质量检测中的应用

席超强，周文龙，李建宁

安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南，232001



多道瞬态面波法在岩溶注浆质量检测中的应用

席超强，周文龙，李建宁

安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南，232001

采用高精度有限差分法对水平三层均质地质模型和含溶洞地质模型进行正演模拟，对正演数据进行F-K频散计算，综合对比面波单炮记录与频散谱的差异，表明溶洞的存在对频散特征的影响较大。在注浆场区采用滚动采集方式进行瑞雷波数据采集，对所得地震记录进行频散分析，并经过处理得到二维横波速度剖面。根据钻孔岩性资料以及基岩面起伏情况，分析横波速度水平与竖直方向的变化特征，对场地岩溶注浆异常区域进行识别和判断。数值模拟与应用实例表明，多道瞬态瑞雷波法对溶洞较为敏感，所提供岩溶异常范围较准确。

多道瞬态面波；有限差分；岩溶注浆；质量检测

1　问题的提出

多道瞬态瑞雷面波法是近年发展较为迅速的一种地球物理勘探方法[1]。该方法采用多个检波点排列接收排列下方人工激发的地震波，通过计算得到排列中心点一定深度范围内的速度频散并进行分析[2]。近年来，高速铁路建设发展迅猛，里程逐年快速增加。许多高速铁路设计规划路线经过岩溶发育地区，工程施工前须对一定深度范围内岩溶发育地区的施工场地进行换填和钻孔注浆等加固处理措施，以排除岩溶不良地质条件对高速铁路路基工程带来的安全隐患。常见的混凝土注浆质量无损检测方法有震波扫描测试法、高密度电阻率法和地质雷达法等。与其他方法相比，多道瞬态瑞雷面波法具有简单便捷和经济节约等优点，近年来在铁路岩溶路基注浆质量检测中开始大规模应用。

本文以采用多道瞬态瑞雷波法对淮萧客车联络线工程岩溶路基进行注浆质量检测为例，针对工区典型的地质条件，建立地质模型，进行高精度交错网格有限差分二维数值模拟，对地层注浆前后瞬态瑞雷面波频散曲线变化特征进行分析，并结合现场岩溶注浆检测，认为瞬态瑞雷面波法可用于岩溶注浆检测。

2　工程概况

淮萧客车联络线工程位于安徽省宿州市萧县，该隧道为双线隧道。铁路路基主要以土石方填筑的形式建造。场区内覆盖层为红褐色粉质黏土，下伏岩层为白云质灰岩，覆盖层与下伏基岩层之间为碎石土风化带。施工时，要对易塌陷区进行岩溶地面塌陷注浆加固，采用多道瞬态面波法对路基岩溶整治效果进行检测。

3　岩溶数值模拟

3.1多道瞬态面波勘探技术

多道瞬态面波法在工作方法上与传统面波勘探方法不同，采用多道低频检波器线性排列方式进行震波接收[3]。选择满足面波勘探频率和深度要求的大锤和落重激振等震源，数据采集如图1所示[4]，产生频率范围较宽的低频面波信号通过检波器进行数据采集。运用快速二维傅里叶变换(FFT)，将时间-距离地震信号转换到F-K域，通过计算得到各频率的速度值，生成F-V域的能量谱，拾取能量最大值，得到面波频散曲线[5]。

图1　多道瞬态面波法的工作原理示意图

由于VR-f曲线与VR-λ曲线的变化规律与地面下介质的物理性质存在内在联系，所以通过对频散曲线进行反演[6]，可以推测出某一深度范围内的地下构造情况和不同深度的VR值，同时可以利用多个面波点排列，绘制出面波波速等值线图(图1)[7]。

3.2数值模拟参数

表1为高速铁路路基检测中常遇到的三层横向均匀介质地质模型的参数。该模型的纵横波速度随深度的增加而逐渐增大。对图2所示的模型进行正演模拟，揭示瑞雷波在传播过程中波场与频散曲线特征。

表1　三层均匀介质地质模型参数

图2 三层均匀介质模型

在多道瑞雷面波勘探中，重点是通过接收不同频率的面波信号而获得地下介质信息。因此，通过设置低主频、宽频带的震源，能保证获得由浅到深的完整的波速信息。根据地层的面波速度和目标层的深度，合理选择采样时间。观测系统一般采用与震源同一直线的多个检波器等间距接收面波信号的方式采集数据，通道数不宜少于12道。根据试验，选取最佳道间距和偏移距[8]。

本次数值模拟的采样参数：采样率0.2 ms，采样时间500 ms。50道检波器接收，道间距2 m，炮间距5 m，偏移距2 m。采用弹性波动方程进行模拟运算，得到地震记录，如图3所示。

从图3可以看出，在水平地表二维速度递增介质中，随着深度的增加，瑞雷波呈“扫帚状”，即发生频散现象，这与瑞雷波基本理论完全一致，对正演所得地震记录进行频散分析。

图3 均匀介质模型单炮记录

图4为第1炮和第6炮频散谱，频散谱基本相同。由于第1炮的炮点坐标为(0,0)，处于模型的左侧边界，频谱相同说明设置的人工边界对有限差分计算结果影响较小，没有产生严重的干扰波。

图4　均匀介质模型地震记录频散谱

图5为均匀介质模型模拟计算得到15炮地震记录，根据F-K法提取得到的频散曲线对比图，15条频散曲线基本重合。说明有限差分法能稳定地模拟弹性波波场，得到频散谱只与地层的纵横波速度、密度、泊松比、深度等参数有关，因此使用交错网格有限差元法模拟瑞雷波的传播问题是可行的。

图5 均匀介质模型频散曲线对比图

模型大小：200×100 m，网格间距0.5×0.5 m，炮间距5 m，偏移距2 m,道间距2 m，50道接收。采样间隔0.2 ms，采样时间500 ms。

根据地质钻孔，路线地下10～15 m范围的碎石土风化带存在充填溶洞，因此设置一个长10 m深5 m的溶洞，且溶洞离地表的距离约10 m。震源的频率范围依然为0～100 Hz，主频为35 Hz的雷克子波。表2为水平地表下三层介质含溶洞模型参数，图6为水平地表下三层介质含溶洞模型。

表2　三层均匀介质含溶洞模型参数

图6 三层均匀介质含溶洞模型

从图7可以看出，波形记录有呈频散特征的瑞雷波存在，在溶洞中心位置的地震波形分布不均匀且波形出现错断的现象。这是由于震波传播至局部异常位置时，发生反向散射和绕射，导致溶洞上方近地表瑞雷波相改变。

图7 含溶洞模型地震单炮记录

从图8可以看出，含溶洞模型频散谱与不含溶洞的均匀介质模型频散谱比较相似，整体上频谱能量值“脊”线连续较好，频率谱在8 Hz处出现断点的扭曲现象。

图8　均匀介质含溶洞模型地震记录频散谱

均匀介质含溶洞模型进行正演模拟计算共得到15炮地震记录，根据频散计算提取得到的频散曲线如图9所示，频散曲线按激发顺序分别使用不同颜色表示。频散曲线均呈“之”字形，各“之”字形的凸起形状有所不同，因为溶洞的位置与各排列的距离对波场转播的影响存在差异。但频散曲线基本都在频率8 Hz附近开始“起跳”，传播介质的速度变化导致频散曲线产生“拐点”，这一特征可为判断溶洞存在提供理论依据。多道瞬态瑞雷面波对地下溶洞较为敏感，运用瞬态瑞雷面波进行溶洞探测和岩溶注浆质量检测是一种可行的手段。

图9　均匀介质模型频散曲线对比图

4　现场测试与分析

4.1现场工作布置

在路基探测有效范围内分别设置3条平行路基轴向的测线(图10)，即路基中线、路基左线、路基右线。经前期现场试验，偏移距4 m，道间距2 m，炮间距2 m。采样点数4 K，采样间隔0.1 ms。使用12个4.5 Hz低频检波器采用等间距线性单边排列系统。

图10　测线布置示意图

本次检测选用大锤激振方式产生震源，使用18磅大锤敲击地表金属垫片。为保证震源有效，在激发震源时，落锤要避免大锤二次撞击垫片，尽量回避能产生面波反射或散射的障碍物以及施工机械等振动干扰源;根据具体勘探深度，在落锤下选择不同材质的垫片。

为了采集到有效的数据，现场必须满足以下条件：(1)测线布置必须为直线；(2)根据面波传播特征，对施工场地进行平整，消除由于地形起伏造成的采集误差；(3)暂时关停探测场地附近的可能对数据采集有影响的机械，如挖掘机等。

4.3数据处理

数据处理的主要步骤：数据预处理、频谱分析、频散曲线拾取和结果成图。

多道瞬态瑞雷波数据处理的关键是准确提取频散曲线。本次数据处理使用Geogiga软件的Surface Plus模块。Geogiga 8.0软件提供的频散曲线速度测定方法有频率-波数法(F-K法)和相位差法。F-K法利用二维傅里叶变换(FFT)，将时间-空间域数据变换到频率-波数域、频率-速度域和频率-慢度域[9]。在通过变换所得到的频率谱中，不同视速度的体波、噪音和面波可以分离。采用这种速度分析方式，相速度稳定，受噪音影响较小。与相位差法比，横向分辨率较低，数据分析所需要的检波点较多。

资料处理的主要流程如下：

(1)载入野外采集得到的地震数据并进行预处理，检查记录中的坏道，对干扰波和噪音信号进行视窗切除，完成频散分析前的数据准备。

(2)进行二维傅里叶变换(FFT)，将时间-空间域数据转到频率波数域，在频率波数谱图中取能量极大值线,绘制频散曲线。

(3)根据得到的频散曲线和测点的位置，整合完成测区场地面波相速度等值线图，并结合场区提供的注浆前钻孔地质、岩性资料，对面波速度进行分区计算。根据岩溶注浆波速判定标准，对注浆后场地进行面波速度分析综合评价。

4.4结果分析

表3是岩溶钻孔注浆的质量判定依据，根据钻孔揭示的场地岩性长度，代入判定标准的公式，计算面波速度。

表3　岩溶注浆瞬态面波法判定标准

图11为DK12+650～DK12+750由钻孔地质资料绘制成的岩性示意图。岩性资料显示原10～15 m范围内存在厚度约为2～5 m的主要岩性为碎石土的岩溶破碎带。该层岩体强度较低，不能满足高速铁路地基的强度要求，该深度范围也是注浆的目标。场地深度15 m以下为白云质灰岩层。

图12可以看出，相速度值随深度增大而逐渐增大。低速带由冷色调表示，高速带由暖色调表示，低速高速过渡清晰。颜色较明显的分界面为岩性界面。

根据地下深度范围内地质条件的不同，将勘探区域划分为两个小区，对每个小区依据岩溶注浆效

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.10.032

2016-07-22

席超强(1993-),安徽亳州人，在读硕士研究生，主要研究方向：工程地球物理勘探。

U213.5

A

1673-2006(2016)10-0123-05