高密度电法在云桂铁路路基岩溶注浆检测的应用

马文涛，文江泉

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都　610031)



高密度电法在云桂铁路路基岩溶注浆检测的应用

马文涛，文江泉

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都610031)

摘要：针对传统铁路路基岩溶注浆检测方法的偶然性和局限性，结合云桂铁路珠琳段岩溶注浆检测，分析高密度电法工作原理及流程，通过研究注浆前后视电阻率变化对注浆效果进行判断， 并采用质量自检孔方法验证， 结果表明：高密度电法能够全面、客观、 快速可靠地检测路基岩溶注浆效果。

关键词：高密度电法；视电阻率；云桂铁路；岩溶注浆检测

1概述

新建铁路所经岩溶发育地区，为了保证该地区铁路路基的长期稳定性，需要对路基进行加固处理，钻孔注浆则是加固岩溶路基的一种有效的方法。传统的路基岩溶注浆效果检测方法是采用抽样钻孔取芯观察和注水试验，由于地质体的各向异性和不均匀性，导致水泥浆液渗透方向和注入量的不定性，故钻孔取芯观察水泥结石率和注水试验检验有一定的偶然性和局限性[1-3]，因此，岩溶注浆效果检测在铁路建设中需要更加快速准确的方法。

高密度电法是一种新兴的物探检测方法，它是通过研究岩土体注浆前后在人工电场作用下传导电流的分布规律，探测一定深度范围内不同电性岩土体反应的特征，根据岩土体注浆前后视电阻率的变化，达到对岩溶路基注浆效果检测的目的[4-5]。与传统方法相比，高密度电法能比较全面、客观地反映受浆介质体的实际状态，具有使用方便灵活、劳动强度低等优点，是一种分辨率较高的物探方法[6-10]。以在建的云桂铁路珠琳段为工程依托，应用高密度电法对岩溶路基注浆效果进行分析，并采用质量自检孔检查的方法验证了高密度电法结果的可靠性。

2高密度电法原理

高密度电法是以岩土体导电性差异为物理基础的一种特殊的直流电探方法。其基本原理与传统的电阻率方法相同，所不同点在于高密度电法采用阵列的方式将全部电极置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现对数据的自动采集和快速处理[11-14]。高密度电法采用三电位电极系，电极的排列方式主要有温纳排列、联合三级排列、偶极排列、微分排列等，本文采用的为温纳α四级排列，其装置模型示意见图1。

图1　温纳α四级排列装置示意

在测量时，电极之间的距离AM=MN=NB=AB/3，4个电极逐点依次沿一个方向移动，测量测线内视电阻率的变化。每次测量时记录点取MN的中点，通过电极间距的增加，从而获得一个剖面数据，依次进行下去获得下一个剖面数据，最后把各个剖面数据组合得到倒梯形断面。其中根据直接测得的M、N间电位差与A、B供电电极中的电流大小，依据公式(1)计算视电阻率

(1)

式中ρs——视电阻率，Ω·m；

ΔUMN——测量电极M、N间的电位差，V；

I——A、B供电电极回路中的电流，mA；

K——装置系数，不同的排列装置K的计算公式不同，无量纲。

3应用分析

3.1工程概况

云桂铁路东起广西南宁，西至云南昆明，全长710 km，为国铁一级电气化双线铁路。本文所研究的试验段位于云南省广南县与丘北县之间的珠琳镇DK620+570～DK620+670，该地区地层产状较为平缓，没有大型沟谷切割，岩性主要为各种成因的第四系覆盖层和二叠系中统吴家坪组中厚层状灰岩、白云质灰岩以及石炭系马平组灰岩、白云质灰岩。地貌类型属云贵高原面上的低山-丘陵地貌，地表及地下岩溶发育，其岩溶组合类型主要为溶丘洼地。通过对各测段进行剖面实测测量，对区内各测段岩土物性参数统计见表1。

表1　岩土物性参数统计

由表1可得知：

(1)第四系粉质黏土含水较高时视电阻率较低，干燥时视电阻率较高；灰岩视电阻率较高，岩溶发育段视电阻率低；

(2)第四系粉质黏土与灰岩间电性差异明显；

(3)岩溶与灰岩间电性差异明显；

(4)水泥浆充填结石后岩土体视电阻率明显提高。

以上各点为高密度电法检测注浆效果提供了较好的物理前提。

3.2数据采集及处理

高密度电法系统包括数据的采集和资料的处理两部分(图2)。

图2　高密度电法工作示意

数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪及WDZJ-3多路电极转换器。现场高密度电法测试的电极装置采用温纳α排列，1～30号电极为小里程，31～60号电极为大里程。点距为5 m，共60根电极，最小供电极距为15 m，最大供电极距为295 m，供电电压为90 V，最小测量信号大于7.5 mV。在野外数据采集中，预先人工打好电极，采集数据前应检测电极的接地电阻，接地电阻异常的浇些盐水。开始测量后，主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存贮测量数据。

资料的处理包括数据预处理和数据反演，多采用Surfer软件和RES2DINN进行。将收集到的原始数据传入计算机进行数据编辑与合成、剔除异常点、进行地形校正及二维反演后，输出二维地电断面图，至此完成整个采集与处理全过程。

3.3注浆效果分析评价3.3.1高密度电法资料解释

高密度电法主要通过对比测段内岩土体注浆前后视电阻率大小对注浆效果进行分析评价。视电阻率分析可以从上覆第四系堆积物(主要为粉质黏土)和下伏基岩两方面考虑，在岩溶发育地区，上覆盖层易形成土洞或裂隙，注浆加固后，随着浆液对土洞或裂隙的充填，视电阻率会有所提高；下伏碳酸岩在溶蚀作用下易形成溶蚀破碎带及溶洞等，其具有各向异性和不均一性，注浆充填固结后，视电阻率也会有明显提高。

根据高密度电法测得DK620+570～DK620+670测段内注浆前后电阻率剖面见图3、图4。

图3　DK620+570～DK620+670中线注浆前视电阻率剖面

图4　DK620+570～DK620+670中线注浆后视电阻率剖面

由注浆前后视电阻率剖面图分析可知：

(1)根据测段内岩土物性参数(表1)，粉质黏土视电阻率变化范围为20～50 Ω·m，灰岩视电阻率为280～1 200 Ω·m，可以明显分辨出岩土分界线；

(2)注浆前覆盖层中存在明显低阻异常区，主要分布于DK462+570～DK462+590，深度为1.25～11.3 m，DK462+600～DK462+640，深度为2.5～9.4 m，呈由浅到深的圈闭状，视电阻率变化范围为17.7～35.1 Ω·m，而下伏基岩视电阻率变化均匀，无低阻异常反应；

(3)注浆后覆盖层中原先存在的低阻异常区视电阻率明显提高，由17.7～35.1 Ω·m提高至78.8 Ω·m左右，形态由原来的圈闭状变为条带状，而下伏基岩视电阻率亦有提高，由275～545 Ω·m提高至308～1 202 Ω·m，故由此可判断试验段注浆加固效果显著。

3.3.2结果验证

为了判别高密度电法对岩溶注浆效果检测的准确与否，采用传统的质量自检孔检查方法，其标准为检查孔岩芯可见多处水泥结石体，基本填满可见缝隙；检查孔的单位注浆量不超过周围4孔单位平均注浆量的15%。

对DK462+570～DK462+670试验段内自检孔检查结果进行统计，见表2。

表2　自检孔检查结果统计

由表2可知，4个检查孔的单位注浆量分别为5.61%，8.03%，9.26%，10.7%，均小于标准要求的15%；自检孔在覆盖层和基岩中均发现水泥结石体，水泥结石体在覆盖层中呈劈裂状、楔形状充填，在下伏灰岩裂隙中呈块状、条带状充填。因此，表明试验段内岩溶注浆加固效果明显，同时亦验证了高密度电法对注浆检测所得结论的可靠性。

4结论及建议

通过应用高密度电法对云桂铁路珠琳段路基岩溶注浆效果进行检测， 并得到质量自检孔检查方法的验证， 说明高密度电法能够全面、客观、 快速可靠地检测路基岩溶注浆效果。另外，为了提高注浆效果检测的精确性，可以采用瞬态面波、地震CT等物探方法及取芯观察、注水试验等传统方法与高密度电法相互配合，加以对比验证。

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Application of High Density Resistivity in Testing Karst Grouting in Yun-gui Railway Subgrade

MA Wen-tao， WEN Jiang-quan

(Faculty of Geosciences and Environmental Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031)

Abstract：In view of the contingency and limitations of traditional detection methods for karst grouting of railway subgrade， this paper dissects the grouting inspection of Zhu-lin section of Yun-gui railway， analyzes the working principle and process of high density resistivity， accesses the effect of grouting through the change of apparent resistivity before and after grouting and verifies it with self-test holes. The results show that the high density resistivity is a comprehensive， objective and reliable way to test the effect of karst grouting in railway subgrade．

Key words：High density resistivity; Apparent resistivity; Yun-gui railway; Inspection of karst grouting

中图分类号：U213.1+4

文献标识码：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.010

文章编号：1004-2954(2015)04-0035-03

作者简介：马文涛(1987—)，男，硕士研究生，E-mail：mawentao516@163.com。

收稿日期：2014-07-15； 修回日期：2014-08-10