摘要：我国岩溶地质比较发育，类型之多为世界罕见。工程施工中，经常采用各种探测手段对施工区域岩溶进行探测，如地质雷达法、高密度电法等。文章结合高铁岩溶隧道工程施工实例，论述了瞬态面波法的原理及工作方法，分析其优缺点，为同类施工提供参考。

关键词：隧道工程；瞬态面波法；岩溶地质；溶洞；地质雷达法；高密度电法 文献标识码：A

中图分类号：P631 文章编号：1009-2374（2016）12-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.065

岩溶是可溶性岩层（包括碳酸盐、硫酸盐、岩盐等，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏等）受具有溶解能力的水进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的长期作用而成的。隧道施工中遇到情况各异的溶洞，都会给施工带来一定的困难，对隧道的危害也是多方面，因此了解与施工有密切关系的溶洞就显得至关重要。除了熟悉设计提供

的溶洞里程、规模及类型外，必须在隧道施工中掌握更为详细的资料，如溶洞位置、溶洞大小、填充情况、发育程度、储水及补给等，以便于对溶洞进行处理，确保施工安全。

1 工程概况

新建合福铁路DK202+006.75岗山隧道位于安徽省泾县靠山西南侧，岗山隧道工程地质岩性表层为Qel+dl粉质黏土，灰黄，褐灰色，硬塑。厚约0.5～6.0m，Qel+dl粗角砾土，褐黄色稍湿稍密，其中碎石含量约53，粒径约1～8cm，主要成分为砂岩及灰岩，P2l二迭系上统龙潭组灰岩，灰白色，青灰色，全风化～弱风化，隐晶-微晶结构，中厚层构造。C1～3石灰系上统～下统并层，浅灰色，灰白色，全风化～弱风化，隐晶-微晶结构，中厚层构造。D3W泥盆系上统五通组粉砂岩：灰白色，青灰色，全风化～弱风化，中粒结构，块状构造。S3m志留系下统茅山组粉砂岩：灰白色，青灰色，全风化～弱风化，中粒结构，块状构造。隧址区不良地质现象主要为岩溶。地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水、构造裂隙水及岩溶水，水量受大气降雨影响较大。孔隙水较发育，裂隙水不发育。DK202+370～DK202+354段明洞地质表层为粉质黏土，局部夹砾石，下伏灰岩，灰白～青灰色，岩体破碎。明洞基底开挖后，地层揭示为灰岩，局部溶腔出露充填黏土。根据高速铁路隧道工程施工技术指南要求：二次衬砌施工前，应采用物探手段检查周边环形加固层及层外围岩情况，重点检查拱部、底板、边墙5m内是否存在有害空洞，隧道底部是否密实。为保证施工安全，需进一步探明此段岩溶发育情况，以便为处理方案提供依据。

2 面波探测原理

通常，工程勘查中應用的面波技术为瞬态面波法，是用一定重量的锤子锤击垫板或少量炸药爆炸激发产生面波，每次激发均能产生多种频率，这样检波器能接收到各种频率成分的信号。

瞬态面波法又称表面波频谱分析法。瑞利波（简称R波）在非均匀介质中传播具有频散特性，所以不同频率（波长）的R波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明，当探测的岩土层介质较为均一时，R波的相速度随深度的加大而按线性增加，只有出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化，该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波，且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系（一般为相应频率R波的半个波长），由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。

人工激发产生面波后，由垂向检波器接收面波的竖向分量，根据频谱分析，可以得到两信号的自功率谱、互功率谱、传递函数及相干函数；由互功率谱可以得到两信号由于波传播过程中的时间滞后所产生的相位差的关系，即求得实测的频散曲线，再由成层地基动力学理论和反分析法可求得剪切波速度和深度的关系。计算公式为：

式中：为测试深度；为面波的速度；为所选单频面波的频率；为离散点的频率步长；为频率增加而增加的勘探深度。由于负号的作用，勘探深度是随着频率的增加而减小的。

3 探测施工

3.1 现场布置及要求

根据勘查要求，结合现场条件，在DK202+354～DK202+370段（实际里程）沿明洞基底延展方向各施工三条测线，采用面波波速映像法探测，其中RSL-1测线为隧道轴线左5m位置、RSL-2测线为隧道轴线位置、RSL-3测线为隧道轴线右5m位置。

采集面波的检波器按如下四个原则布设：（1）采用线性等道间距排列方式，震源在检波器排列以外延长线上激发；（2）道间距应小于最小勘探深度所需波长的二分之一；（3）检波器排列长度应大于预期面波最大波长的一半（相应最大探测深度）；（4）偏移距的大小需根据任务要求通过现场试验确定。

现场采用单边排列观测系统布置，其是指仅在接收点排列一侧激发的观测形式。其中某一单边排列接收道数为R=4、道间距为I=2m、偏移距为O=4m、移动步距为P=1m。

3.2 数据采集及结果处理

本次探查采用Geopen型12道地震探测仪及4.5Hz低频频检波器，采用18磅重锤激发产生面波，分别对测线RSL-1、RSL-2和RSL-3进行探测。

现场数据采集时，所有测点均安排同一人使用锤击方式产生面波，并尽量使每次锤击下落高度一致，锤击力度均匀，以达到理想探测效果。现场各种施工机械均停止作业并熄火，防止产生振动，整个探测过程约30min。

根据实际揭露地质情况分析，探测里程局部地段岩溶发育，溶洞空腔基本为泥质填充，考虑面波在均匀介质中，表现为无频散特性，因此可通过探测结果中面波的影像结果，分析其中的“之”字形拐点，并根据提供的地质资料，获取对应的异常区域。

图1为DK202+354～DK202+370里程段岩溶勘查面波影像结果。根据地质资料可知，该里程段为灰岩。现场揭露可见该里程局部地段岩溶发育，浅部表现泥岩互层、互夹现象，面波影像评价其波速值低，岩层岩溶为粉质黏土填充，强度低；深部岩层波速值有所增大，岩体强度有所提高，但整体表现不均匀，表明岩层内部受泥质填充程度不均，泥石交融，其中局部存在较低速带，主要为泥质填充物集中区，推测为较大范围岩溶段，主要表现在YC1、YC2和YC3。

根据分析结果，推测溶洞发育范围及大小如下：YC1（测线RSL-1）DK202+354～DK202+358处溶洞为顶埋深6m，底埋深10.5m，水平规模约2.8m，YC2（测線RSL-2）DK202+366～DK202+370处溶洞为顶埋深4m，底埋深11.5m，水平规模约4m，YC3（测线RSL-3）DK202+361～DK202+363处溶洞为顶埋深4.5m，底埋深8m，水平规模约3.5m。

4 钻孔验证

为利于对溶洞的下一步处理，同时侧向对探测结果进行验证，现场采用XJ100型竖向工程钻机对异常地段进行钻孔。根据物探钻孔结果显示，在探测异常位置均发现大小不一的溶洞，溶洞位置、埋深等与探测结果相符。

5 技术优点及缺点

根据面波法探测的原理，结合施工中的应用实例，分析出面波法具有以下优缺点：

优点：（1）浅层分辨率高：同一介质中面波较其他类型的弹性波传播速度小，且只在表层某一深度内传播；（2）不受各地层速度关系的影响：面波法只要求具有波速差异，即使差异只有10%也可以精确进行分辨；（3）探测过程需求简单：面波法的工作条件较其他浅层地震方法工作条件操作简单，施工场地小，资料处理快，工作效率高；（4）面波易于激发，单人操作即可激发。

缺点：（1）测试深度相对较浅，一般为20～30m；当测试深度加大时，要求配备较高等级的仪器；（2）测试处的地层为水平层状展布、当层间波阻抗差异较小时划分的层位与钻孔剖面有一定误差等；（3）面波容易受其他振动影响。施工时需要尽量将其他能产生振动的设备停止运转或移出影响区域。

6 结语

由于隧道地质情况的复杂性和人们对地球认识的局限性，给隧道施工带来了很多困难，同时岩溶溶洞具有隐蔽性和不确定性，对铁路隧道施工会造成重大的安全隐患，所以应根据施工场地的地形条件及施工条件，选择经济高效的探测方法对溶洞进行勘查，查明其赋存状态，以消除安全隐患。瞬态面波法能较好地探测出岩溶的异常区域，为后续的施工处理提供必要的依据，且该法操作简单、易于操作，现场仅少量工人配合就能达到良好的效果。同时，由于每种探测手法均存在局限性，特别是在岩溶段施工时，应综合运用各种探测手法的优势，准确地对岩溶进行探测，必要时并辅以地质钻孔侧向验证探测结果，为岩溶的后续处理提供依据。

参考文献

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[4] 杨成林，等.瑞雷波勘探[M].北京：地质出版社，1993.

[5] 李哲生.瞬态多道瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中的应用[J].工程勘察，1996，（3）.

作者简介：耿明星（1984-），男，河南驻马店人，供职于中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，研究方向：高速铁路、高速公路施工。

（责任编辑：秦逊玉）