中鐵瞬態(tài)面波檢測(cè)鐵路路基報(bào)告

一、工程概況南呂梁山隧道位于山西省臨汾市境內(nèi)，隧道線路貫穿于南呂梁山山脈以東及臨汾盆地邊緣丘陵區(qū)。隧道進(jìn)口端位于蒲縣境內(nèi)，出口端位于臨汾市堯都區(qū)與洪洞縣交界處，設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道，即南呂梁山左線隧道與南呂梁山右線隧道，左右線按中心線間距30m設(shè)計(jì)，隧道最大埋深約550m。本報(bào)告為南呂梁山左線隧道檢測(cè)。隧道左線進(jìn)口里程DK298+175,出口里程DK321+618,左線全長(zhǎng)23443m。其中左線DK298+175?DK308+235.79段位于緩和曲線（緩和曲線長(zhǎng)120m,圓曲線半徑1200m）,其余均位于直線段。隧道內(nèi)設(shè)計(jì)為單面下坡，左線坡度分別為8%。，12.6%。，10.9%。下坡出洞。山西中南部鐵路通道ZNTJ-6標(biāo)南呂梁山左線隧道穿越山西省南呂梁山山脈以東及臨汾盆地邊緣丘陵區(qū)，隧道基底巖體完整性較差、風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育且局部夾有泥層或泥砂層，導(dǎo)致路基承載力和抗剪強(qiáng)度較低。為保證301軸重重載鐵路運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)隧道基底進(jìn)行加固，以保證無(wú)砟軌道隧道基底的承載力和穩(wěn)定性，滿足重載鐵路運(yùn)營(yíng)期間承載力的要求。二、隧道基底加固方式1、對(duì)于DK298+175?DK321+618段基底為富水軟弱不均地層（基底為石灰?guī)r段、及砂泥互層段）采用小導(dǎo)管注漿加固基底,減小基底的變形滿足列車動(dòng)荷載作用。注漿孔按漿液擴(kuò)散半徑3m設(shè)計(jì)，梅花型布置，環(huán)、縱向間距200cmX200cm；注漿孔采用潛孔鉆機(jī)開孔，孔徑60mm；采用卩42mm，壁厚3.5mm的焊縫鋼管（深入仰拱下地層不小于1.5m）。2、注漿材料為純水泥漿，水灰比為1：1，注漿用水泥強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5。注漿初壓力為0.5?1.0Mpa,終壓1.5Mpa。三、檢測(cè)目的、方案及依據(jù)受中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司山西中南部鐵路通道ZNTJ-6標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部委托，我隊(duì)于2019年05月21日至2019年05月28日，對(duì)山西中南部鐵路通道ZNTJ-6標(biāo)南呂梁山左線隧道基底加固效果進(jìn)行了瞬態(tài)面波法檢測(cè)。本報(bào)告檢測(cè)評(píng)估段為：DK298+720?DK310+700段左線中間部分，共長(zhǎng)3583米。檢測(cè)目的利用瞬態(tài)瑞雷面波的頻散特性，通過(guò)檢測(cè)測(cè)試，分析計(jì)算得到基底注漿層頻散曲線圖，再通過(guò)分析頻散曲線的形態(tài)特征和各分層的波速大小，反演出基底不同深度的剪切波速度。根據(jù)評(píng)判要求的層相波速標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，計(jì)算達(dá)標(biāo)率，對(duì)基底注漿加固質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。通過(guò)電阻率測(cè)深法：測(cè)量反演出基底注漿加固后的電阻率成像圖，根據(jù)電阻率判斷基底注漿后的影響范圍及密實(shí)程度。檢測(cè)方案根據(jù)晉豫魯鐵路股份有限公司下發(fā)的《關(guān)于明確隧底加固處理質(zhì)量驗(yàn)收程序的通知》，確定此次檢測(cè)方案如下：2.1瞬態(tài)瑞雷面波測(cè)試法2.2電阻率測(cè)深法(本次只作為檢測(cè)方法驗(yàn)證)檢測(cè)依據(jù)3.1《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2019)；3.2《鐵路工程不良地質(zhì)勘查規(guī)程》(TB10027-2019)；3.3《隧底加固處理質(zhì)量驗(yàn)收程序的通知》；3.4《鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)規(guī)程》(TB1046-2019)3.5《多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)規(guī)程》(JCJ/T143—2019)。1瞬態(tài)面波法1.1方法原理在地面施一適當(dāng)?shù)呢Q向激振力(大錘敲擊地面或吊高重物自由下落)，地下介質(zhì)中可產(chǎn)生縱波、橫波和瑞利波?？捎萌缦碌牟▌?dòng)方程來(lái)描述它們的運(yùn)動(dòng)。其中氛爐為質(zhì)點(diǎn)位移場(chǎng)的勢(shì)函數(shù)，Vp和Vs分別為縱波和橫波的速度。對(duì)于平面波可得(1)式的一個(gè)解為：K為波數(shù)，Vr為瑞利波速，A、B為常數(shù)。由式可得到瑞利波傳播的二個(gè)特性：一是瑞利波振幅隨深度衰減，能量大致被限制在一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)；二是由地面振動(dòng)波的瞬時(shí)相位可確定瑞利波傳播的相速度。瞬態(tài)面波法即根據(jù)這二個(gè)特性，在相距一定距離的地面二點(diǎn)安置拾振器，接收面波振動(dòng)，通過(guò)頻譜分析，做出波長(zhǎng)——波速頻散曲線，從而算出地下土層的瑞利波速Vr。瑞利波速和橫波波速的關(guān)系為當(dāng)從0.25至0.5時(shí)，Vr/Vs從0.92至0.95。由此可將瑞利波波速換算成橫波波速。1.2儀器設(shè)備1.2.1儀器：瞬態(tài)多道瑞利波的數(shù)據(jù)采集必須選用多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最少12道以上。由于面波分析是在頻率域中進(jìn)行，各種頻率成份能量差異很大，要想取得盡可能多的地下信息，尤其是地下深部的信息，而上部的信息又不能產(chǎn)生失真，儀器的動(dòng)態(tài)范圍必須要大，AD轉(zhuǎn)換一般要在16位以上，最好達(dá)20位，本機(jī)的噪音水平一定要低，折合輸入端的噪音要小于或等于5微伏峰值電壓；并且頻響范圍要寬，尤其低頻頻響要好，頻率下限應(yīng)小于1Hz，上限應(yīng)大于1000Hz.這幾項(xiàng)要求均高于普通淺層地震儀，因此可以這么說(shuō)，淺層地震儀可以做的工作，面波儀均適用，而面波儀所做的工作，淺層地震儀的指標(biāo)往往不能滿足。1.2.2拾振器：由于面波頻率成分較低，所以必須選擇低頻拾振器。究竟頻率下限是多少的拾振器可達(dá)到要求，則可根據(jù)場(chǎng)地地層波速值和探測(cè)深度確定，若探測(cè)深度以波長(zhǎng)一半計(jì)，則如果波速為200m/s,A/2為5m,則f為10Hz。這時(shí)，拾振器的下限頻率至少要選擇在10Hz以下。1.3.采集技術(shù)要求1．各道采樣必須設(shè)計(jì)排列在面波域內(nèi)，且采集到足夠長(zhǎng)的記錄2．盡量使采集到的波型單一，即：不使直達(dá)波的后續(xù)波或反射、折射波干擾面波，同時(shí)避免周圍的干擾振動(dòng)。3．采集的波形不能失真。1.4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究野外試驗(yàn)得到的資料對(duì)整個(gè)方法至關(guān)重要。因此，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，要對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行研究對(duì)比，因地制宜的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為達(dá)到測(cè)試目的，需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：激發(fā)源如何能夠激發(fā)出要求頻率段的信號(hào)；檢波器如何與混凝土或石碴耦合：選擇多大頻率的檢波器；選擇多大的偏移距；選擇多大的檢波距：選擇多大的時(shí)間采樣率等。圍繞以上幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。激發(fā)源根據(jù)要求，檢測(cè)混凝土注漿深度為3.5m，設(shè)計(jì)深度為5m，由半波長(zhǎng)解釋法，取波長(zhǎng)A=10m。一般黃土基底的垛波速在100?200m/s之間，則計(jì)算出要求探測(cè)的最低頻率為10Hz,所以，要求激發(fā)出的頻率為10Hz以上的波為宜。檢波器和混凝土的耦合檢波器不能直接插入混凝土耦合，采用石膏與混凝土粘結(jié)，一是功效低，二是如果粘結(jié)處混凝土正好活動(dòng)，粘結(jié)后耦合也不好，所以，采用粘稠泥漿點(diǎn)耦合，將檢波器加金屬底座板用絲扣上緊成為一體粘入泥漿。經(jīng)試驗(yàn)證明，接收到的波形穩(wěn)定，同相軸一致性較好。檢波器的選擇一般路基土的瑞利波波速在100?200m/s，探測(cè)深度為5m時(shí)，要求檢波器的最低頻率為10?20Hz，即檢波器的最低頻率不得高于20Hz。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合道軌枕木間距限制，分別選擇了偏移距D=1.0m,0.6m和.3m,檢波距=0.6m和檢波距=0.3m，用不同頻率(4Hz，10Hz，38Hz)的檢波器做了幾組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明28Hz的檢波器僅能測(cè)出3.0m左右以內(nèi)的波速，4Hz.10Hz檢測(cè)深度大于10m，結(jié)果和分析一致。所以，應(yīng)采用低頻的檢波器10Hz。偏移距D的選擇根據(jù)檢測(cè)深度要求，注漿加固層V4米，我們采用12道檢波器，以滿足最佳面波接收窗口和最佳探測(cè)深度為原則，選擇比較小的偏移距:△x=0.6m。1.5工作布置野外測(cè)試一般采用縱測(cè)線觀測(cè)系統(tǒng)，即激振點(diǎn)和檢波器排列在一條直線上，以測(cè)試點(diǎn)為中心對(duì)稱布置，選用12道檢波器接收方式，以測(cè)點(diǎn)為中心，道間距厶x=0.6m等間隔，采用單邊接收的形式。瞬態(tài)瑞雷面波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)工作布置如圖4.2所示，圖中M為測(cè)點(diǎn)，檢波器距離為厶x=0.6m。工作布置圖4.21.5.1采用率及采樣點(diǎn)數(shù)一般工程勘探中為了提高采用精度，提高更多地質(zhì)信息，數(shù)據(jù)采用率通常為0.2-0.5ms。根據(jù)采用定律，一個(gè)周期內(nèi)至少要有兩個(gè)采樣點(diǎn)才能不發(fā)生假頻，不發(fā)生假頻的截止頻率最高為2500HZ，而有效頻率范圍在2-30HZ，因此，為了滿足面波采集的要求，而不會(huì)發(fā)生假頻現(xiàn)象。實(shí)際檢測(cè)中采樣頻率為0.2ms與采樣點(diǎn)數(shù)1024結(jié)合使用。1.5.2、 檢測(cè)采樣要求本次檢測(cè)采樣是用SWS面波儀來(lái)接收信號(hào)的。由于SWS面波儀敏感度高，檢測(cè)環(huán)境又為中長(zhǎng)隧道,所以，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，一定要處理好一些干擾波的影響。為了做到這一點(diǎn)，一是激發(fā)震源時(shí)落錘一定要短促有力，避免有回振，而且，要盡量減小周圍環(huán)境中的振動(dòng)的影響，特別是在有列車通過(guò)的前后停止檢測(cè)；二是對(duì)有干擾的點(diǎn)通過(guò)多次信號(hào)迭加功能，剔除干擾雜波，使得采集的信號(hào)質(zhì)量能夠有保證。2電阻率測(cè)深法2.1、方法原理高密度電阻率測(cè)深法也稱電阻率C-T法。該方法是利用常規(guī)電阻率的測(cè)量方法及電阻率成象（C-T）等高新技術(shù)來(lái)進(jìn)行高分辨率、高效率的電法勘探。基本原理是以地下介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加外電場(chǎng)的作用下地下半空間地質(zhì)體傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。特點(diǎn)是：具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率，電極一次性布設(shè)完成，減少了因電極設(shè)置而引起的故障與干擾；同時(shí)能夠獲得較為豐富的關(guān)于地電斷面的地質(zhì)信息。圖4-2電阻率C—T測(cè)試示意圖2.2、 儀器設(shè)備高密度電阻率法勘探系統(tǒng)由兩部分組成，野外數(shù)據(jù)的采集使用中裝集

團(tuán)重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK—2A型高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)，該儀器

性能穩(wěn)定、測(cè)量速度快。該設(shè)備由兩套系統(tǒng)組成，其一為DZD—6A多功

能直流電法儀，有自動(dòng)完成測(cè)量、計(jì)算、記錄、存儲(chǔ)等功能;其二為DUK-2A

第7頁(yè)

多極電路轉(zhuǎn)換器，用來(lái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換電極與電纜的聯(lián)接。外業(yè)工作布置如圖3-2所示，一次性布設(shè)大線電纜（即布置60路電極，35.4米），由儀器自動(dòng)檢查電纜與電極之間的接觸關(guān)系，自動(dòng)連接并且自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)記錄。2.3、參數(shù)選擇本次高密度電阻率法測(cè)試采用技術(shù)參數(shù)如下：電極排列為溫納裝置方式，電極距0.6m,最小隔離系數(shù)n.=l,最大隔離系數(shù)n=6，供電時(shí)間min max2s,電極數(shù)最大60路，最大探測(cè)深度控制在6m,重點(diǎn)解決淺部路基注漿加固后的電阻率變化成像。五、完成檢測(cè)工作量根據(jù)中鐵隧道集團(tuán)山西省南呂梁山鐵路通道ZNTJ-6標(biāo)五分部項(xiàng)目部委托下達(dá)的檢測(cè)任務(wù)表,采用瞬態(tài)瑞雷面波法和電阻率測(cè)深法,完成檢測(cè)工作量見下表：六、南呂梁山（左）隧道基底注漿處理檢測(cè)表六、南呂梁山（左）隧道基底注漿處理檢測(cè)表序號(hào)里程測(cè)線（m）檢測(cè)物理點(diǎn)數(shù)（個(gè)）起點(diǎn)里程結(jié)束里程面波法（點(diǎn)）電測(cè)深（斷面）1DK298+720DK300+9972277103642DK305+130DK305+22090323DK308+965DK309+66269729424DK309+993DK310+33233916425DK310+520DK310+700180763583型281檢測(cè)數(shù)據(jù)的檢查整理對(duì)于當(dāng)天檢測(cè)的數(shù)據(jù),收工后當(dāng)晚必須100/%傳輸?shù)诫娔X中備份保存,同時(shí)記錄好文件名稱和編號(hào)，特別是測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的隧道里程位置，記錄好儀器采集的設(shè)置參數(shù)。2檢測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理測(cè)量采集到的原始資料是瑞雷波沿地面?zhèn)鞑サ恼駝?dòng)波形，需要對(duì)原始資料進(jìn)行整理、分析及解釋后得到頻散曲線圖。頻散曲線是測(cè)試的主要成果，反映的是瑞利波速隨深度的變化情況及路基的狀況。主要步驟如下：對(duì)原始資料進(jìn)行整理，檢查核對(duì)；在分析介質(zhì)中，瑞雷波具有頻散特性，即不同頻率的波有不同的傳播速度；在面波的時(shí)間距離域中剔除干擾波、提取有效面波波形；在頻率波數(shù)域中提取能量譜，通過(guò)傅里葉變換計(jì)算各頻率條件下瑞雷波的傳播；由不同頻率下的面波波速繪制實(shí)測(cè)頻散曲線;根據(jù)頻散曲線的變化，通過(guò)定性和定量的解釋，確定地層的層厚度和層速度；先進(jìn)行定性解釋，建立初步的理論分層模型，然后做正演模擬計(jì)算，得到理論頻散曲線，然后與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比不斷修正解釋結(jié)果，得到最終頻散曲線圖,擬合成像為速度彩色斷面圖。七、注漿效果檢測(cè)評(píng)估方法1、頻散曲線的形態(tài)分析頻散曲線是瞬態(tài)瑞雷波法得到的最為直觀的圖形，通過(guò)分析注漿后頻散曲線的變化情況可以定性評(píng)估注漿效果。該方法的基礎(chǔ)是依據(jù)瑞雷波的頻散特性，即在均勻介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度與頻率無(wú)關(guān)，不會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象；在分層介質(zhì)中，瑞雷波具有頻散特性，即不同頻率的波有不同的傳播速度。介質(zhì)特性發(fā)生明顯變化時(shí)，頻散曲線會(huì)隨之改變，出現(xiàn)“之”子型拐曲、頻散點(diǎn)缺失等。如現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)所得頻散曲線，見圖7-1、7—2對(duì)于土層和破碎裂隙巖層未注漿前，由于地層松散較弱，密實(shí)度低，反映的頻散曲線稀少、雜亂，面波傳播速度低、深度也較小。反演成果圖見圖7—3、7—4,土層105.8m/s~172.5m/s,巖石315.5m/s~772.3m/s。注漿后漿液充填土層和巖層中洞穴、裂縫，固結(jié)了松散的土層和較破碎的巖層，使得介質(zhì)特性加固改良，頻散曲線變?yōu)楣饣?之字型拐曲減少，波速值明顯提升，在785m/s?2474m/s，承載力隨之提高。對(duì)于微風(fēng)化或完整的巖層由于其空隙較小、密實(shí)度高，承載能力較強(qiáng)，其頻散曲線平直圓滑；注漿之后的漿液基本不能進(jìn)入空隙中，因此頻散曲線形態(tài)基本不變，波速值與注漿前相當(dāng)。2波速分析面波波速主要受介質(zhì)的礦物成分、結(jié)構(gòu)、密度及孔隙率的影響，因此同一介質(zhì)不同狀態(tài)的波速不同，同一狀態(tài)不同介質(zhì)的波速也不同。土層、巖層的礦物成分、結(jié)構(gòu)、及孔隙率有明顯差別，注漿前波速大小相差甚大，理想狀態(tài)下注漿之后波速都有提高，但波速提高值和提高后的波速也有明顯差異，因此需要對(duì)不同介質(zhì)分別評(píng)價(jià)。在下伏基巖裂隙發(fā)育的情況下，會(huì)由于真空吸蝕和地下水潛蝕作用而變得疏松甚至形成空洞或縫隙。注漿處理后，隨著漿液對(duì)裂隙層的充填凝固膠結(jié)，使得裂隙巖層的面波速度有所提高。采集到的頻散點(diǎn)相對(duì)較為密集，整體上頻散曲線光滑，頻散點(diǎn)基本在一條線上，之字型拐曲減少。見

下圖：實(shí)測(cè)面波點(diǎn)頻散曲線圖7-6下圖：實(shí)測(cè)面波點(diǎn)頻散曲線圖7-63、注漿加固層檢測(cè)頻散曲線評(píng)價(jià)根據(jù)檢測(cè)采集到的面波數(shù)據(jù)計(jì)算得到頻散曲線圖，通過(guò)分析頻散曲線的形態(tài)變化和介質(zhì)層波速大小，可以定性和定量評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量。隧道基底主要屬于多層介質(zhì)，上覆層為仰拱填充層,下覆層為黃土層或巖石層,巖石層又分為砂巖夾泥巖或灰?guī)r層，在波速上有較大差異。如下檢測(cè)點(diǎn)頻散曲線圖7-7瞬態(tài)面波檢測(cè)點(diǎn)頻散曲線擬合圖7-7從以上成果圖可以看出：在0?1.7m沒有采集到頻散點(diǎn)，可以獨(dú)自為一層，為已知仰拱填充層.若沿著第一個(gè)頻散點(diǎn)向速度軸畫垂線，可得到第一層相速度為618.2m/s?707.4m/s;平均層相速度v2675.8m/s。s實(shí)測(cè)面波點(diǎn)成果圖7-8實(shí)測(cè)面波點(diǎn)成果圖7-9實(shí)測(cè)面波點(diǎn)成果圖7-10在1.7m?3.5m之間為下覆注漿層，采集到的頻散點(diǎn)相對(duì)較為密集，整體上頻散曲線光滑，頻散點(diǎn)基本在一條線上，之字型拐曲減少。平均層相速度在1260m/s?1560m/s間。說(shuō)明注漿加固后松散巖層得到了固結(jié)加固，密實(shí)度提高，介質(zhì)特性得到改良，承載能力增強(qiáng)。3.6m以下大于注漿加固層深度，顯示出原介質(zhì)特性，有的發(fā)生頻散現(xiàn)象，波速降低，密實(shí)度減小，為薄弱層；有的則沒有發(fā)生頻散現(xiàn)象，波速呈線性增大，密實(shí)度較強(qiáng)?？偟恼f(shuō)來(lái)，介質(zhì)密實(shí)度越高，完整性越好，傳播速度能力就越強(qiáng)，波速值也就越高。因此依據(jù)實(shí)測(cè)瑞雷面波計(jì)算出的介質(zhì)頻散曲線特性和層間速度大小，按照波速回歸方程式：巖石V=23.998H+360 (HV10m)可判斷評(píng)估不同介質(zhì)層采用水泥注漿加固后的密實(shí)度和承載力變化4、瞬態(tài)面波檢測(cè)成果表南呂梁山左線隧道瞬態(tài)面波檢測(cè)層相波速統(tǒng)計(jì)表編號(hào)里程位置檢測(cè)點(diǎn)深度(m)波速（m/s）平均波速(m/s)達(dá)標(biāo)率(%)1DK298+720-DK300+997（左）10360-1.7983?23161713971.7-3.5995?24091371982DK305+130-DK305+220（左）320-1.7847?19871642961.7-3.5795?19481312983DK308+965-DK309+662（左）2940-1.7864?20761632981.7-3.5897?21421143984DK309+993-DK310+332（左）1640-1.7865?24081657931.7-3.5785?24741185985DK310+520-DK310+700（左）760-1.7886?23401731961.7-3.5852?2366123198用巖體評(píng)判公式V223.998H+360回判測(cè)區(qū)注漿范圍內(nèi)的巖體注漿質(zhì)量，檢測(cè)物理點(diǎn)1