岩溶地区铁路既有线路的路基病害探测研究

卢浩

（南宁铁路局科学技术研究所，工程师，广西 柳州 545007）

岩溶又名喀斯特（Karst），是可溶性岩层（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等）以被水溶解为主的化学溶蚀作用，并伴随以机械作用而形成沟槽、裂隙、洞穴，以及由于洞顶塌落而使地表产生陷穴等一系列现象和作用的总称〔1〕。南宁铁路局所辖铁路地区大部分为喀斯特地貌，沿线岩溶病害分布广泛，严重威胁运输安全。为此，南宁铁路局科学技术研究所联合相关单位，成立课题组，开展铁路路基岩溶探测的研究，以利于对路基病害进行治理与监测。

1 探测方法

目前，探测路基岩溶的主要方法是钻孔、人工开挖和物探方法。物探方法与其它2种方法相比较，克服了只能获得随机选取有限点地质病害资料的局限性和成本高、工期长、效率低等弱点，具有既可获得沿路基中心线剖面连续的、详实的地质病害隐患资料，又可节省大量勘探费用的特点。

所有物探方法均是利用探测介质的物性差异来推断、解释介质的地质构造情况。用于工程的物探方法主要有浅层地震法（包括反射波法及瑞雷波法）和电法（包括地质雷达法及高密度电阻率法）2类。浅层地震法是利用介质的波阻抗差异，而电法是利用介质的电性差异。根据物理场的特性和原理，物探方法又可归纳为平面和体积勘探2类。浅层地震法归属于平面（即射线平面）勘探范畴，而电法归属于体积勘探范畴。浅层地震法是反映由激发点、接收点和射线构成的平面内的信息，具有较高的分辨率，适当选择观测系统可获取路基轴线下的地质情况。而电法是反映发射点和接收点之间（或电极间）所构成体积内的综合信息，可分辨物体的大小与总体积比有关，分辨率随深度的增大而明显降低，局部小范围异常难以被探测。另外，由于道碴、轨枕、钢轨的存在以及列车的运行，严重影响电阻率法电极的埋设和在轴线上采集数据。综合以上因素，课题组首选浅层地震法作为既有铁路路基地质病害隐患的主要探测方法。

2 现场探测

课题组在焦柳线岩溶病害较严重的地段主要以浅层地震反射波法对近5.5 km的线路路基进行探测。为验证探测效果，还采用了瑞雷波法、高密度电阻率法进行了比对探测〔2〕。

2.1 浅层地震反射波法探测

2.1.1 工作方法 根据既有铁路的物探条件和探测目的，主测线（即反射波法测线）均沿铁路轴线布置。选用SE2404EX多功能数字地震仪，采用100.0 Hz的高频检波器接收，震源采用频率成份丰富的24磅大锤锤击。

2.1.2 采集参数 记录道数N取1，3，偏移距X0取6.5～20.0 m，道间距dx取1.0，3.0 m，激发间距ds取1.0，4.5 m，垂直叠加次数n取2～6，采样间隔dt=0.5 ms，记录长度tl=500 ms，排列方式：非纵排列、纵排列。

2.1.3 探测结果 图1为K1523+998～K1524+600路段浅层地震深度剖面。

图1中，在测线深度剖面上，存在2组振幅较强、连续性较好的反射波同相轴。第1组反射波同相轴与第四系土层底板相对应，反射波同相轴由2个相位构成，相位数目变化不大，存在多处错断或扭曲和能量迅速减弱现象，它们分别对应于地下断层（或裂隙、节理）和破碎带（体）。第2组反射波同相轴对应于基岩风化层底板，由3～5个相位构成，存在多处反射波同相轴错断或扭曲或相位数目变化和杂乱反射现象及呈眼球状特征，它们分别对应于地下断层（或裂隙、节理）和破碎带（体）及岩溶或异常体。

2.2 比对探测情况瑞雷波法和高密度电阻率法探测的断层和异常体的位置及范围同浅层地震反射波法探测结果基本相符，这说明反射波法探测路基地质病害隐患的有效性和可行性。但高密度电阻率法的范围远比浅层地震深度剖面中的范围要大，其分辨率也比反射波法低，尤其是深层，而且可视性也比浅层地震深度剖面差。这是由于高密度电阻率法属体积勘探范畴，可分辨体积的大小与总体积比有关，分辨率随深度的增大而降低。因此，局部小范围异常难以分辨。

3 结果分析及应用

课题组结合铁路运营特点，根据有关标准和规范，对探测结果进行了分析，并对数据判读标准及地质病害进行了分类分级，以对今后利用物探技术探测既有铁路岩溶病害时，在结果判读及病害分类分级上提供技术参照。

3.1 地质病害的波场特征与地质构造分类

3.1.1 病害的地震波场特征分类 根据主测线地震波场特征（反射波同相轴错断及扭曲、相位数目变化、杂乱反射及呈眼球状特征）将断层（或裂隙、节理）、破碎带（或破碎体、异常体）和岩溶分为I，Ⅱ，Ⅲ类3种级别。不同的级别具有不同的波场特征。例如岩溶根据充填情况的不同，I，Ⅱ，Ⅲ类分别为空洞、疏散物充填和完全充填。其中I类岩溶的地震波场特征为反射波同相轴“眼球形”特征明显，且顶板能量较强；Ⅱ类岩溶地震波场特征为反射波同相轴“眼球形”特征较明显，且顶板能量较弱和岩溶中存在散射波。

3.1.2 病害的地质构造分类 参照《铁路工程岩土分类标准》和有关规程、规范的规定，根据地质情况的发育或破碎程度不同，将断层（或裂隙、节理）、破碎带（或破碎体、异常体）和岩溶分各为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类3种级别，分别对应很发育（或极破碎）、发育（或破碎）、较发育（或较破碎）。不同地质构造级别都规定了利于划分的基本特征。

3.2 地质病害程度分级根据断层（或裂隙、节理）、破碎带（或破碎体、异常体）和岩溶的性质，以及其埋深和共生情况，经综合分析推断，由不良地质体引起的病害隐患类型可归纳为四级：Ⅰ类—严重；Ⅱ类—较严重；III类—一般；Ⅳ类—轻微，并定义了各级别病害隐患的特征。见表1。

表1 地质病害类型分级

续上表

3.3 分类分级在试验探测中的应用实例

3.3.1 地震波场特征分类的应用 在铁路里程为K1525+695～K1525+715处，断层F12反射波同相轴较明显错断，反射波同相轴的数目突然消失，根据地震波场特征分类可定为II类。图2为K1525+200～K1525+800路段浅层地震深度剖面。

3.3.2 地质构造特征分类的应用 由图2可见，F12断层宽度相对较大，内裂隙（或节理）很发育（或由多组裂隙或节理构成），杂乱，岩体呈碎石状，定为Ⅰ类。

破碎带P03无明显反射波同相轴，且能量均匀，根据地震波特征可定为Ⅲ类。同时，P03破碎带（或体）内裂隙（或节理）发育，有一定规则，碎石角砾状结构，可定为I类。

3.3.3 地质病害类型分级表的应用 综合3.3.1和

3.3.2的分析，铁路里程K1525+695～K1525+715处，埋深较浅，且断层F12和破碎带P03共生，F12规模较大，根据表1，此处可定为Ⅰ类病害。

3.4 实测线路病害整治建议课题组对焦柳线岩溶严重地段（K1524+000～K1529+500）进行了探测。根据探测结果，以及对病害隐患类型的分类、地质及地貌资料、水文及气象资料和铁路特点综合研究分析，课题组推断该段路基存在如下26处病害隐患，并建议有关部门根据对病害的分类及铁路相关规范和要求加以整治。

1）K1525+695～K1529+155段存在Ⅰ类特征的严重病害隐患3处，对行车安全的威胁较大。建议有关部门予以高度重视，采用钻探方式进一步确认，获取更准确更全面的工程地质和水文地质资料，以便采取合理的方案及时整治。

2）K1524+180～K1525+020段存在Ⅱ类特征的较严重病害隐患3处，可能对行车安全构成威胁，线路大修时应纳入计划整治。建议有关部门在病害隐患处设置相应“标志”，并进行重点观测，一旦发现异常，应及时采取措施。

3）K1524+140～K1529+290段存在III类特征的一般病害隐患7处，必须定期进行重点监测。

4）K1524+775～K1528+665段存在Ⅳ类特征的轻微病害隐患13处，需定期进行监测。

4 结束语

采用浅层地震反射波法探测岩溶地区既有铁路路基病害，具有费用低廉，快速有效，符合铁路运营要求的特点，探测结果准确可靠，可视性好，是一种较理想的岩溶地区既有铁路路基地质病害勘探的普查方法。课题组对数据判读标准及地质病害进行的分类分级，可使有关业务部门直观地掌握路基地质病害隐患分布情况，有助于根据轻重缓急，有针对性地采取措施，对地质病害进行治理与监测，确保行车安全。

〔1〕顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2003.

〔2〕南宁铁路局科学技术研究所，南宁铁路局工务处，中国地质大学（武汉）地球物理系，南宁铁路局柳州工务段.焦柳线路基地质病害隐患地球物理勘探报告〔R〕.柳州：南宁铁路局科学技术研究所，2005.