中铁瞬态面波检测铁路路基报告

一、工程概况南吕梁山隧道位于山西省临汾市境内，隧道线路贯穿于南吕梁山山脉以东及临汾盆地边缘丘陵区。隧道进口端位于蒲县境内，出口端位于临汾市尧都区与洪洞县交界处，设计为双洞单线隧道，即南吕梁山左线隧道与南吕梁山右线隧道，左右线按中心线间距30m设计，隧道最大埋深约550m。本报告为南吕梁山左线隧道检测。隧道左线进口里程DK298+175,出口里程DK321+618,左线全长23443m。其中左线DK298+175〜DK308+235.79段位于缓和曲线（缓和曲线长120m,圆曲线半径1200m）,其余均位于直线段。隧道内设计为单面下坡，左线坡度分别为8%。，12.6%。，10.9%。下坡出洞。山西中南部铁路通道ZNTJ-6标南吕梁山左线隧道穿越山西省南吕梁山山脉以东及临汾盆地边缘丘陵区，隧道基底岩体完整性较差、风化严重，节理裂隙发育且局部夹有泥层或泥砂层，导致路基承载力和抗剪强度较低。为保证301轴重重载铁路运营安全，对隧道基底进行加固，以保证无砟轨道隧道基底的承载力和稳定性，满足重载铁路运营期间承载力的要求。二、隧道基底加固方式1、对于DK298+175〜DK321+618段基底为富水软弱不均地层（基底为石灰岩段、及砂泥互层段）采用小导管注浆加固基底,减小基底的变形满足列车动荷载作用。注浆孔按浆液扩散半径3m设计，梅花型布置，环、纵向间距200cmX200cm；注浆孔采用潜孔钻机开孔，孔径60mm；采用卩42mm，壁厚3.5mm的焊缝钢管（深入仰拱下地层不小于1.5m）。2、注浆材料为纯水泥浆，水灰比为1：1，注浆用水泥强度等级为P.O42.5。注浆初压力为0.5〜1.0Mpa,终压1.5Mpa。三、检测目的、方案及依据受中铁隧道集团二处有限公司山西中南部铁路通道ZNTJ-6标项目经理部委托，我队于2019年05月21日至2019年05月28日，对山西中南部铁路通道ZNTJ-6标南吕梁山左线隧道基底加固效果进行了瞬态面波法检测。本报告检测评估段为：DK298+720〜DK310+700段左线中间部分，共长3583米。检测目的利用瞬态瑞雷面波的频散特性，通过检测测试，分析计算得到基底注浆层频散曲线图，再通过分析频散曲线的形态特征和各分层的波速大小，反演出基底不同深度的剪切波速度。根据评判要求的层相波速标准进行评判，计算达标率，对基底注浆加固质量做出评价。通过电阻率测深法：测量反演出基底注浆加固后的电阻率成像图，根据电阻率判断基底注浆后的影响范围及密实程度。检测方案根据晋豫鲁铁路股份有限公司下发的《关于明确隧底加固处理质量验收程序的通知》，确定此次检测方案如下：2.1瞬态瑞雷面波测试法2.2电阻率测深法(本次只作为检测方法验证)检测依据3.1《铁路隧道设计规范》(TB10003-2019)；3.2《铁路工程不良地质勘查规程》(TB10027-2019)；3.3《隧底加固处理质量验收程序的通知》；3.4《铁路工程结构混凝土强度检测规程》(TB1046-2019)3.5《多道瞬态面波勘察技术规程》(JCJ/T143—2019)。1瞬态面波法1.1方法原理在地面施一适当的竖向激振力(大锤敲击地面或吊高重物自由下落)，地下介质中可产生纵波、横波和瑞利波。可用如下的波动方程来描述它们的运动。其中氛炉为质点位移场的势函数，Vp和Vs分别为纵波和横波的速度。对于平面波可得(1)式的一个解为：K为波数，Vr为瑞利波速，A、B为常数。由式可得到瑞利波传播的二个特性：一是瑞利波振幅随深度衰减，能量大致被限制在一个波长以内；二是由地面振动波的瞬时相位可确定瑞利波传播的相速度。瞬态面波法即根据这二个特性，在相距一定距离的地面二点安置拾振器，接收面波振动，通过频谱分析，做出波长——波速频散曲线，从而算出地下土层的瑞利波速Vr。瑞利波速和横波波速的关系为当从0.25至0.5时，Vr/Vs从0.92至0.95。由此可将瑞利波波速换算成横波波速。1.2仪器设备1.2.1仪器：瞬态多道瑞利波的数据采集必须选用多道数据采集系统，最少12道以上。由于面波分析是在频率域中进行，各种频率成份能量差异很大，要想取得尽可能多的地下信息，尤其是地下深部的信息，而上部的信息又不能产生失真，仪器的动态范围必须要大，AD转换一般要在16位以上，最好达20位，本机的噪音水平一定要低，折合输入端的噪音要小于或等于5微伏峰值电压；并且频响范围要宽，尤其低频频响要好，频率下限应小于1Hz，上限应大于1000Hz.这几项要求均高于普通浅层地震仪，因此可以这么说，浅层地震仪可以做的工作，面波仪均适用，而面波仪所做的工作，浅层地震仪的指标往往不能满足。1.2.2拾振器：由于面波频率成分较低，所以必须选择低频拾振器。究竟频率下限是多少的拾振器可达到要求，则可根据场地地层波速值和探测深度确定，若探测深度以波长一半计，则如果波速为200m/s,A/2为5m,则f为10Hz。这时，拾振器的下限频率至少要选择在10Hz以下。1.3.采集技术要求1．各道采样必须设计排列在面波域内，且采集到足够长的记录2．尽量使采集到的波型单一，即：不使直达波的后续波或反射、折射波干扰面波，同时避免周围的干扰振动。3．采集的波形不能失真。1.4现场试验研究野外试验得到的资料对整个方法至关重要。因此，在现场试验时，要对试验条件进行研究对比，因地制宜的进行现场试验。为达到测试目的，需要解决以下几个问题：激发源如何能够激发出要求频率段的信号；检波器如何与混凝土或石碴耦合：选择多大频率的检波器；选择多大的偏移距；选择多大的检波距：选择多大的时间采样率等。围绕以上几个问题进行了试验研究。激发源根据要求，检测混凝土注浆深度为3.5m，设计深度为5m，由半波长解释法，取波长A=10m。一般黄土基底的垛波速在100〜200m/s之间，则计算出要求探测的最低频率为10Hz,所以，要求激发出的频率为10Hz以上的波为宜。检波器和混凝土的耦合检波器不能直接插入混凝土耦合，采用石膏与混凝土粘结，一是功效低，二是如果粘结处混凝土正好活动，粘结后耦合也不好，所以，采用粘稠泥浆点耦合，将检波器加金属底座板用丝扣上紧成为一体粘入泥浆。经试验证明，接收到的波形稳定，同相轴一致性较好。检波器的选择一般路基土的瑞利波波速在100〜200m/s，探测深度为5m时，要求检波器的最低频率为10〜20Hz，即检波器的最低频率不得高于20Hz。在试验现场，结合道轨枕木间距限制，分别选择了偏移距D=1.0m,0.6m和.3m,检波距=0.6m和检波距=0.3m，用不同频率(4Hz，10Hz，38Hz)的检波器做了几组试验。试验结果表明28Hz的检波器仅能测出3.0m左右以内的波速，4Hz.10Hz检测深度大于10m，结果和分析一致。所以，应采用低频的检波器10Hz。偏移距D的选择根据检测深度要求，注浆加固层V4米，我们采用12道检波器，以满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度为原则，选择比较小的偏移距:△x=0.6m。1.5工作布置野外测试一般采用纵测线观测系统，即激振点和检波器排列在一条直线上，以测试点为中心对称布置，选用12道检波器接收方式，以测点为中心，道间距厶x=0.6m等间隔，采用单边接收的形式。瞬态瑞雷面波测试现场工作布置如图4.2所示，图中M为测点，检波器距离为厶x=0.6m。工作布置图4.21.5.1采用率及采样点数一般工程勘探中为了提高采用精度，提高更多地质信息，数据采用率通常为0.2-0.5ms。根据采用定律，一个周期内至少要有两个采样点才能不发生假频，不发生假频的截止频率最高为2500HZ，而有效频率范围在2-30HZ，因此，为了满足面波采集的要求，而不会发生假频现象。实际检测中采样频率为0.2ms与采样点数1024结合使用。1.5.2、 检测采样要求本次检测采样是用SWS面波仪来接收信号的。由于SWS面波仪敏感度高，检测环境又为中长隧道,所以，在现场检测时，一定要处理好一些干扰波的影响。为了做到这一点，一是激发震源时落锤一定要短促有力，避免有回振，而且，要尽量减小周围环境中的振动的影响，特别是在有列车通过的前后停止检测；二是对有干扰的点通过多次信号迭加功能，剔除干扰杂波，使得采集的信号质量能够有保证。2电阻率测深法2.1、方法原理高密度电阻率测深法也称电阻率C-T法。该方法是利用常规电阻率的测量方法及电阻率成象（C-T）等高新技术来进行高分辨率、高效率的电法勘探。基本原理是以地下介质的导电性差异为基础，研究在施加外电场的作用下地下半空间地质体传导电流的分布规律。特点是：具有较高的横向分辨率和纵向分辨率，电极一次性布设完成，减少了因电极设置而引起的故障与干扰；同时能够获得较为丰富的关于地电断面的地质信息。图4-2电阻率C—T测试示意图2.2、 仪器设备高密度电阻率法勘探系统由两部分组成，野外数据的采集使用中装集

团重庆地质仪器厂生产的DUK—2A型高密度电阻率法测量系统，该仪器

性能稳定、测量速度快。该设备由两套系统组成，其一为DZD—6A多功

能直流电法仪，有自动完成测量、计算、记录、存储等功能;其二为DUK-2A

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多极电路转换器，用来自动转换电极与电缆的联接。外业工作布置如图3-2所示，一次性布设大线电缆（即布置60路电极，35.4米），由仪器自动检查电缆与电极之间的接触关系，自动连接并且自动转换，自动测量，自动记录。2.3、参数选择本次高密度电阻率法测试采用技术参数如下：电极排列为温纳装置方式，电极距0.6m,最小隔离系数n.=l,最大隔离系数n=6，供电时间min max2s,电极数最大60路，最大探测深度控制在6m,重点解决浅部路基注浆加固后的电阻率变化成像。五、完成检测工作量根据中铁隧道集团山西省南吕梁山铁路通道ZNTJ-6标五分部项目部委托下达的检测任务表,采用瞬态瑞雷面波法和电阻率测深法,完成检测工作量见下表：六、南吕梁山（左）隧道基底注浆处理检测表六、南吕梁山（左）隧道基底注浆处理检测表序号里程测线（m）检测物理点数（个）起点里程结束里程面波法（点）电测深（断面）1DK298+720DK300+9972277103642DK305+130DK305+22090323DK308+965DK309+66269729424DK309+993DK310+33233916425DK310+520DK310+700180763583型281检测数据的检查整理对于当天检测的数据,收工后当晚必须100/%传输到电脑中备份保存,同时记录好文件名称和编号，特别是测点对应的隧道里程位置，记录好仪器采集的设置参数。2检测数据的计算处理测量采集到的原始资料是瑞雷波沿地面传播的振动波形，需要对原始资料进行整理、分析及解释后得到频散曲线图。频散曲线是测试的主要成果，反映的是瑞利波速随深度的变化情况及路基的状况。主要步骤如下：对原始资料进行整理，检查核对；在分析介质中，瑞雷波具有频散特性，即不同频率的波有不同的传播速度；在面波的时间距离域中剔除干扰波、提取有效面波波形；在频率波数域中提取能量谱，通过傅里叶变换计算各频率条件下瑞雷波的传播；由不同频率下的面波波速绘制实测频散曲线;根据频散曲线的变化，通过定性和定量的解释，确定地层的层厚度和层速度；先进行定性解释，建立初步的理论分层模型，然后做正演模拟计算，得到理论频散曲线，然后与实测曲线对比不断修正解释结果，得到最终频散曲线图,拟合成像为速度彩色断面图。七、注浆效果检测评估方法1、频散曲线的形态分析频散曲线是瞬态瑞雷波法得到的最为直观的图形，通过分析注浆后频散曲线的变化情况可以定性评估注浆效果。该方法的基础是依据瑞雷波的频散特性，即在均匀介质中，瑞雷波的传播速度与频率无关，不会发生频散现象；在分层介质中，瑞雷波具有频散特性，即不同频率的波有不同的传播速度。介质特性发生明显变化时，频散曲线会随之改变，出现“之”子型拐曲、频散点缺失等。如现场试验点所得频散曲线，见图7-1、7—2对于土层和破碎裂隙岩层未注浆前，由于地层松散较弱，密实度低，反映的频散曲线稀少、杂乱，面波传播速度低、深度也较小。反演成果图见图7—3、7—4,土层105.8m/s~172.5m/s,岩石315.5m/s~772.3m/s。注浆后浆液充填土层和岩层中洞穴、裂缝，固结了松散的土层和较破碎的岩层，使得介质特性加固改良，频散曲线变为光滑,之字型拐曲减少，波速值明显提升，在785m/s〜2474m/s，承载力随之提高。对于微风化或完整的岩层由于其空隙较小、密实度高，承载能力较强，其频散曲线平直圆滑；注浆之后的浆液基本不能进入空隙中，因此频散曲线形态基本不变，波速值与注浆前相当。2波速分析面波波速主要受介质的矿物成分、结构、密度及孔隙率的影响，因此同一介质不同状态的波速不同，同一状态不同介质的波速也不同。土层、岩层的矿物成分、结构、及孔隙率有明显差别，注浆前波速大小相差甚大，理想状态下注浆之后波速都有提高，但波速提高值和提高后的波速也有明显差异，因此需要对不同介质分别评价。在下伏基岩裂隙发育的情况下，会由于真空吸蚀和地下水潜蚀作用而变得疏松甚至形成空洞或缝隙。注浆处理后，随着浆液对裂隙层的充填凝固胶结，使得裂隙岩层的面波速度有所提高。采集到的频散点相对较为密集，整体上频散曲线光滑，频散点基本在一条线上，之字型拐曲减少。见

下图：实测面波点频散曲线图7-6下图：实测面波点频散曲线图7-63、注浆加固层检测频散曲线评价根据检测采集到的面波数据计算得到频散曲线图，通过分析频散曲线的形态变化和介质层波速大小，可以定性和定量评价注浆质量。隧道基底主要属于多层介质，上覆层为仰拱填充层,下覆层为黄土层或岩石层,岩石层又分为砂岩夹泥岩或灰岩层，在波速上有较大差异。如下检测点频散曲线图7-7瞬态面波检测点频散曲线拟合图7-7从以上成果图可以看出：在0〜1.7m没有采集到频散点，可以独自为一层，为已知仰拱填充层.若沿着第一个频散点向速度轴画垂线，可得到第一层相速度为618.2m/s〜707.4m/s;平均层相速度v2675.8m/s。s实测面波点成果图7-8实测面波点成果图7-9实测面波点成果图7-10在1.7m〜3.5m之间为下覆注浆层，采集到的频散点相对较为密集，整体上频散曲线光滑，频散点基本在一条线上，之字型拐曲减少。平均层相速度在1260m/s〜1560m/s间。说明注浆加固后松散岩层得到了固结加固，密实度提高，介质特性得到改良，承载能力增强。3.6m以下大于注浆加固层深度，显示出原介质特性，有的发生频散现象，波速降低，密实度减小，为薄弱层；有的则没有发生频散现象，波速呈线性增大，密实度较强。总的说来，介质密实度越高，完整性越好，传播速度能力就越强，波速值也就越高。因此依据实测瑞雷面波计算出的介质频散曲线特性和层间速度大小，按照波速回归方程式：岩石V=23.998H+360 (HV10m)可判断评估不同介质层采用水泥注浆加固后的密实度和承载力变化4、瞬态面波检测成果表南吕梁山左线隧道瞬态面波检测层相波速统计表编号里程位置检测点深度(m)波速（m/s）平均波速(m/s)达标率(%)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用岩体评判公式V223.998H+360回判测区注浆范围内的岩体注浆质量，检测物理点1