浅层地震折射波法在铁路隧道工程勘察中的应用.pdf

92：2023年4 月规划设计与勘察江西建材浅层地震折射波法在铁路隧道工程勘察中的应用邓建安中铁上海设计院集团有限公司长沙设计院，湖南长沙410000摘要：文中以某铁路隧道工程为例，简述了隧址区的地形、地貌及地质特征，探讨了浅层地震折射波法在铁路勘察中的应用要点，分析了钻孔波速测试方法。实践表明，在铁路勘察中妥善应用浅层地震折射波法，可明确现场的地质条件，对铁路规划设计与建设有益。关键词：铁路勘察；浅层地震折射波法；钻孔波速测试中图分类号：U25文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 0 9 2-0 3Application of Shallow Seismic Refraction Wave Method in RailwayTunnel Engineering InvestigationDeng JiananChangsha Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd.,Changsha,Hunan 410000Abstract:Taking a railway tunnel project as an example,this paper briefly described the topography,geomorphology and geologicalcharacteristics of the tunnel site,then discussed the application points of shallow seismic refraction wave method in railway investigation,and analyzed the test method of borehole wave velocity.The practice shows that the geological condition of the site can be defined by usingshallow seismic refraction method properly in railway investigation,which is beneficial to railway planning,design and construction.Key words:Railway survey;Shallow seismic refraction wave method;Borehole wave velocity test0引言铁路隧道勘察方法多样，其中，浅层地震折射法颇具代表性。其具有精度高、效率高的特点，深受勘察工作者的青睐。应用浅层地震折射法，有利于掌握现场的岩土动力学参数，基于勘察数据绘制地质构造剖面图和断裂分布图，据此针对性地组织设计和建设活动，保证施工安全和质量(1-3 。本文分析了浅层地震折射波法的应用要点，以提高勘察方法的应用水平。1工程概况某铁路隧道全长7 0 0 m，地面高程最低为4 2 1.0 5m，最高为534.98m。隧道所在地区属丘陵地貌，基岩以下伏安山岩、白垩系小岭组流纹岩为主，地表以土夹碎石土居多，地质情况较复杂。为了隧道施工安全可靠，本文利用浅层地震折射波法对围岩地质进行全面探测，以期掌握隧道土石分界情况，根据围岩特性进行围岩分级，查明地质构造（断层、破碎带等）的分布情况。2隧址区地形、地貌及地质特征隧道进出口边坡坡角较均小于2 5，边坡较平缓，上覆土层均为坡洪积，以碎石土为主，进口段厚度较大，厚度约为2 6 m；出口段厚度稍薄，厚度约为1 3 m。山脊与山坡上覆土层为第四系残积土，土层较薄，厚度约为1 2 m；沟谷地段上覆土层为第四系残积土，厚度约为5m。下伏基岩为安山岩，全风化厚度约为1 4 m；强风化及弱 微风化层厚度大于10 m。隧道工程勘察期间恰逢冬季，现场气温较低，存在厚度为0.4 0.6 m的冻土层。作者简介：邓建安（198 7-），男，湖南资兴人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程地质勘察。从影响机制的角度来看，折射波法速度层与地质风化分层存在关联，因此，可参照折射波法速度分层结果对岩石风化层进行层次划分。总体来看，工程现场具有适宜应用浅层地震折射波法的条件，可将其用于现场勘察活动中。3浅层地震折射波法的应用3.1野外作业3.1.1测线布置以现场线路中桩点和设计线路地形图为准布设测线，于中线布设地震折射纵剖面。测线无阻碍，若遇到建筑物、高压线等，视障碍物的分布情况对测线进行调整，规避障碍物，但必须确保调整后的折线能够满足测量要求 4 。若测线的转折角在15以上，可在转折点及测线外延长线上补充激发点，为测试创设有利条件。3.1.2观测系统根据浅层地震折射波法的勘探要求，配置精度和可靠性良好的双重追逐相遇观测系统，系统在应用中可及时追踪目的层，保证观测结果的精度。3.1.3数据采集野外数据采集利用R24多道地震仪，搭配2 8 Hz垂直检波器。按8 m道间距布置，每个排列2 4 道，相邻两排列重叠2 道。各排列的小中炮、端点炮、远炮均为2 个，并排列中间1炮。远炮偏移距6 0 m，用2 4 磅重锤锤击以产生震源；近炮在排列端头，无偏移距。设计采样点数共计10 2 4 个，采样频率为1次/0.5ms，记录时间为512 ms。未做滤波处理，以免波形相位的变化导致初至波时间判断缺乏准确性。3.2资料处理与解释.93江西建材2023年4 月规划设计与勘察野外工作后，检查原始波形记录，识别有效波，必要时进行校正，再基于处理后的野外波形记录绘制时距曲线，从中揭示测点地震界面的深度，并根据深度解释结果绘制剖面，用于反映地震界面的深度变化 5-6 3.2.1原始记录的检查检查内容包含记录的点线号、激发方式及激发点位置；仪器的工作条件记录；观测系统的类型及工作日期；各道工序的开展状况，例如是否存在异常；干扰波的出现状况等。3.2.2波形的对比和分析根据“统一界面的有效波在相邻道上的特点相似”进行波的对比。（1）同相性。同一界面的波到达相邻地面接收点的路径基本一致，根据此特点，有效波的同相位到达相邻两道的时间一致或仅存在较小差异，此时，从记录道上的同相位连线在形态上呈现出平滑特性。相邻相位的同相轴分布也存在平行的位置关系。（2）波的相似性。波来自同一界面时，相邻道的振动图具有高度的相似性，对应至波形记录中，则微相邻道振动图的相位数、视周期、振动持续时间及强度等，也具有高度的相似性。（3）振幅。有效波的能量明显超过干扰背景的能量，换言之，此时的振幅变化表现出明显增强的趋势。3.2.3校正同一测线存在多个激发点且未共处相同的水平面时（例如，井中深度不同、部分在坑中而部分在地面），即便是相同激发点的剖面，各检波点的位置也存在差异，而具体分布特性主要受到地形起伏的影响，导致检波点不处于相同的高度，即并未共处相同的水平面。3.2.4绘制时距曲线根据地震记录确定各检波点相应道有效波的旅行时，再绘制时距曲线。其中，震源为坐标原点，横坐标表示点的距离，纵坐标表示时间。时距曲线的绘制流程如下：拾取初至时间绘制时距曲线地震解释高程输人绘制折射界面地质解释输出剖面。本文以某铁路隧道工程的K33+981K34+095段为例，按前文提及的方法绘制中轴测线时距曲线，结果如图1所示。50.00K34095Z140.00SU/30.00K340.20.00K34095Z310.00K340.0.0001535557595115震源点距离/m图1时距曲线绘制结果（K33+981K34+095段）3.3to、函数法求解界面深度to法（to差数时距曲线法）在折射界面的曲率半径超过其埋深时，具有可行性，求解结果准确且效率高。以二层地层结构为例，用t。法求解界面深度的方程具体如下：(x)VVh(x)(1)22式中，h（x）为地下埋深炮点到达界面点后反射到地面的炮检距（m）；V I、V 为在一个水平的速度分界面，上下两层的速度(m/s)。t。法求解的具体流程，如图2 所示。根据直达波速度根据时距曲线图确定V求作差数时距曲线（X）将VI、V、t o 带人根据（X）曲线方程求h求V图2t。法求解界面深度流程图结合图2，对t。法求解界面深度的要点进行探讨。（1）根据直达波速确定VI。（2）两条相遇时，距曲线对应的折射波初至时间总和与互换时间用T表示。差值则为to,to=t,+tz-T,t、t 2、T 均可通过读图确定。（3）通过差数时距曲线方程的应用，确定V，的具体取值，首先进行如下计算：0(x)=t,-t,+T(2)式中，0（x）为差数时距曲线斜率（%）；t,为界面处的透射率（折射）（m/s）；t,为界面处的反射率（m/s）；T 为互换时(s)。在式（2）的基础上进行求导，再做性质变换，得到下式。dxV,=2cos xde(x)(3)式中，dx为上倾方向时距曲线的斜率（%）；为倾角（）。xV22(4)0 (x)式中，x为道间距（m）。3.4绘制地震地质解释图并解释以铁路隧道工程地质条件为参考，对地层做分层处理，形成全风化、强风化和弱微风化层。在确定地层分类方法的基础上，对界面速度和隧道地层厚度进行分类。隧道进出口处的岩体呈破碎状，岩体的波速将由于临近隧道口而减小，且完整性变差，稳定性有限，考虑到此地质条件的特殊性，在隧道进出口施工时，加强对围岩的监测与支护，以防围岩塌。从各部位的纵波波速来看，其具有隧道进口小于出口的特点。进口地质条件较差，尤为明显的是K33+990K34+063区段，原因在于这一部分的强风化层和覆盖层厚度大，施工期间可能因地质条件较为脆弱而引发失稳塌事故，因此，必须根据地质特性加强支护措施，最大限度地减小隧道施工对围岩的扰动，有效缩短围岩暴露在外界的时间。4钻孔波速测试4.1测试方法4.1.1测试原理通过内部触发向岩石、岩体等介质发射声波，进而接受介质物理特性调制的声波，通过对声学参数（传播速度、频率、振幅等）的分析，评价声波在不同介质中的特性，从中获得参考信息，有效优化隧道工程设计和解决施工问题。4.1.2测试方法基本思路是针对隧道进、出口钻探，安排孔中波速测试。具体方法为钻进成孔，向孔内放置单发双收测试井探头，探测耦94上接第91页）2023年4 月规划设计与勘察江西建材合剂采用钻孔中的水即可。测试期间，确定2 个换能器接收发射信号的时间，单位为s。信号经水耦合后沿孔壁的岩石发生传播，记为ti、t 2，根据采集数据确定时差4 t=t,+ti，测试所用的2个换能器位置始终不变，距离为4,=2 0 cm。在获取上述数据后，根据声波理论计算岩石的声波波速4，（m/s），即4,=4,/4,。按前文提及的方法测试各段岩石的声波速度，最终对岩体整体的声波速度进行评价。4.2综合分析（1）本铁路隧道工程隧道进出口段强风化等岩层波速基本相同，唯一区别在于地震波速略大。在强风化等岩层中，井下波速实测值大幅度超过地震波的测速，其中，进口段地震波速度的最大值约为2 50 0 m/s，井下波速的最大值为3 50 0 m/s；出口段地震波速度的最大值约为2 8 0 0 m/s，井下波速则高达50 0 0 m/s，两者测定的强风化等岩层厚度仅存在微小的差异。（2）对比分析钻孔波速测试结果可知，在地下强风化层厚度和基岩埋深的探测中，浅层地震折射波法具有可行性，确定的基岩和风化层的纵波速度在地质条件分析中具有参考价值。分析纵、横剖面成果和钻孔波速测试结果得知，隧道进口段岩层波速低于出口段；从围岩稳定性的角度来看，出口段应优于进口段。进口段覆盖层和全一强风化层厚度较大，洞顶上方基岩层较薄且呈破碎状，在隧道施工过程中，可能由于扰动过强和地质条件较差而引起塌，需以超前支护的方法维持隧道进口段的稳定性。要包括幼儿休息室及各类活动室等，室内空间针对幼儿相关活动的尺度进行设计，同时内设空调和各类电教设施，通过自动化的手段让幼儿活动、休息、用餐，都能在舒适的环境中进行。（2）半开共享空间实现“自由化”。此类空间主要包括扩大化的外廊，这是本项目的最大亮点空间。不同于以往活动空间，其仅限于以班级为单位的狭窄分隔，将课室外廊扩大化处理。在此空间里，不同年龄及班级的孩子可以自由组合进行各种活动，能够灵活组织各种教学。本项目采用外廊设窗及增加护窗栏杆的措施，保障外廊能够既不受风雨影响，又有大面积可开启窗与室外通风。内廊局部还设有吸顶风扇，促进内外空间气流循环流通。（3）室外空间体现“自然化”。本项目在室外空间设计方面不追求华丽的效果，还原大自然的朴实亲和，希望园林绿化环境能够最大程度地供孩子们进行游玩、学习及亲密接触。户外设置一片带小斜坡的草地供幼儿尽情翻滚，设一条婉蜓曲折的小路供幼儿追逐嬉戏，让孩子们从环境中获得知识，在户外游戏中成长。3.5建筑装修一体化设计师对室内装修的设备尺寸、线路走向、插头开关、上下水等位置进行了综合统筹，在土建阶段，已合理预留了空洞，预先埋设了固定件，有效避免装修重复调整，有效节约了建筑材料，提高了建筑结构的安全性，缩短了施工周期，减少了二次装修的废料垃圾和噪声污染。土建施工图与装修设计人员相互配合，统一设计，要求施工达到设计图深度，避免现场返工，减少材料浪费，缩短施工时间。5结语综上所述，浅层地震折射波法是隧道地质勘察中的重要方法，勘察结果的全面性和准确性均较良好。对于特殊的地质勘察工作，可在浅层地震折射波法的基础上引人高密度电法，两种方法各有独特的优势，取长补短，可获得完整且准确的勘察结果，为隧道设计与施工提供参考依据。勘察单位可在条件允许时，妥善应用浅层地震折射波法，掌握现场地质特性，为勘察设计提供有力依据。参考文献【1】卫红学.浅层地震勘探在垃圾坝检测中的应用【J.中国高新科技，2 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