单孔波速法和超声波法在复杂岩性地段对注浆质量的检测

付刚飞，刘 峰

（1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.华北地质勘查局综合普查大队，河北 廊坊 065201）

0 引 言

乌鲁木齐绕城高速（东线）是国家重点建设项目，该路线经过的部分地段地质条件复杂。为保证施工技术质量，在地质条件复杂的地段开展治理技术研究，其中，施工区与注浆工程有关的主要岩层为卵石层、强风化基岩、强风化煤层以及中风化基岩等4种，类型多样，为注浆治理带来很大难度。本文针对项目地质特征，应用单孔波速法和超声波检测技术对注浆质量进行研究。

1 单孔波速法的原理与检测方法

1.1 单孔波速法概述

PS测井是P波（纵波）、S波（横波）速度测井的简称，亦称波速检层，属原位测试工作。PS测井能可靠地测定地层纵向的纵波和横波速度，进而计算出各种土层或岩层的泊松比、剪切模量、扬氏模量E、体积模量K、拉梅常数、风化数Kv、岩石完整性系数Cm、岩体波速v0等多种岩土力学动测参数，为场地的地震效应评价及地面工程地质勘察提供必要的岩石物性参数和标定参数，亦可用于检验岩土加固与改良效果，因而被广泛用于解决工程勘探及水文勘探中所面临的地质问题［1-4］。另外，PS测井可以原位测定P波和S波的波速，避免由于测定环境变化所带来的偏差。PS测井分单孔法和跨孔法2种，工程上一般采用单孔法。

1.2 单孔波速法的设备与工作原理

1.2.1 试验仪器设备

试验采用吉林大学工程技术研究所生产的Miniseis24型综合工程探测仪（图1），其主要性能为：采用12道或24道可选数字地震仪，具有信号增强、延时、内外触发、前置放大、滤波、数字采集等功能；采样率可选，最小采样间隔为0.01ms；记录长度不小于1 024点且可选；有1个发射通道和2个接受通道；采用三分量检波器；通频带为2Hz～2 000kHz；放大内部噪音不大于1μV。

图1 Miniseis24型综合工程探测仪

1.2.2 试验过程及步骤

试验采用锤击法：将激振板放在离孔口约3m处的地面，并保持两者之间接触良好；用锤敲击激振板，使地层产生震动，接受信号进行数据处理。主要步骤如下。

（1）平整场地，使激震板离孔口的水平距离约3m。

（2）接通电源，在地面检查测试仪正常后即可进行试验。

（3）把三分量检波器放入孔内预定深度，在地面用气筒充气，胶囊膨胀使三分量检波器紧贴孔壁。

（4）用铁锤敲击激振板，地表产生纵波经地层传播，由孔内三分量检波器的水平检波器接收波信号，该信号经电缆送入仪器放大并记录；然后反向敲击，至获得3次清晰波形时为止，该测试点试验结束。

（5）胶囊放气，把孔内三分量检波器放到下一测试点的深度，重复上述步骤。

（6）整个钻孔测试完后，检查野外测试记录是否完整，并测定孔内水位。

1.2.3 数据处理方法

波速测试采用单孔法，如图2所示。

图2 波速测试计算

O为孔口，dx为激振板中心到孔口的距离。第i测试点至第i-1测试点的波速

式中：dh为第i点至第i-1点的地层厚度；ti、ti-l为第i点和第i-1点Vi的走时；αi、αi-1分别为激振源A到第i点和第i-1点的连线与井轴线的夹角。

单孔法的优点是：直接对地层测试，结果相对精确且不需要任何场地（只要能成孔），不同的岩性有不同的波速值来判断采空区的充填效果，测试简单便捷；缺点是需要钻孔，一般情况下当勘测场地有其他钻孔时，可适时选用勘探钻孔进行单孔波测试。

2 钻孔超声波法的原理与方法

2.1 钻孔超声波法概述

岩石中声波的传播特征是岩石物理性态的反映，岩石介质内的声速越高，反映出岩石越致密坚硬或裂隙较少，风化程度微弱，岩性较好，反之亦然。注浆技术正是充填空洞裂隙断裂等的一种有效手段。由于浆液的注入，原岩体的空隙被充塞，浆液的凝胶、固结将原来破碎（不连续的结构面）的岩体胶结为较完整的岩体。注浆改变了原岩体的力学性态及其自身的结构，故注浆后岩体的声速一般应比注浆前有明显的提高；其次，因岩体常处于地下水和气体的包围中，注浆后岩体裂隙中的水或其他充填物将被水泥结石体所替代，岩石密度和强度都将提高，其声速值也相应增大，因此根据超声波检测岩体注浆前后声学参数值的对比，便可评价注浆质量的优劣［5-8］。

2.2 钻孔超声波法的设备与工作原理

（1）试验仪器设备。试验采用武汉中岩有限公司生产的SR-RCT松动圈测井仪（图3），其主要性能为：采样间隔为0.1～200μs；接收灵敏度大于30；记录长度为0.5～1k；发射电压500V或1 000 V可选；有1个发射通道和2个接受通道；一次提升测试2个剖面，发射脉宽为0.1～100μs可调；频带宽度为300～500Hz。

图3 SR-RCT松动圈测井仪

（2）试验过程。把仪器的绞车置于成孔，使超声波发射兼接收探头对准钻孔的中心，在探头沿钻孔中心线下降的过程中，脉冲信号发生器发出一系列电脉冲加在发射换能器的压电体上，压电体将此信号转换成超声波脉冲并发射，超声波脉冲穿过钻孔侧壁后部分被反射回来并为接收器所接收。依据反射信号的强弱和反射时间差，操作仪在打印纸上实时打印出曲线，根据图像即可对钻孔成孔质量进行直观判断［9-12］。

（3）数据处理。钻孔内采用一发双收装置，利用声波在一定距离沿钻孔壁岩体滑行的时间来测定岩体的声波速度，根据发射器到2个接收换能器的纵波初到时间Tp1、Tp2及2个接收换能器间距L，即可获得钻孔壁附近岩体的纵波速度

采空区注浆后受注层平均剪切波速（横波）的确定参照现行的《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）关于剪切波速划分场地土类型标准，注浆后的采空区相当于中硬土。由《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG／T D31-03—2011）可知，介质的纵波波速与横波波速（Vs）之比与介质的泊松比有关，纵波与横波的关系式为

由于采空区测井设备大部分测试的是纵波数据，而规范中规定的是横波值，因此需要进行纵横波换算。现场检测岩土体纵波波速，通过纵波波速与1.73的关系计算横波波速并作为参考值，即质量评价标准为纵波波速Vp＞432.5m·s-1。

3 注浆工程质量检测成果分析

3.1 单孔波波速测试

钻孔内测试点有28个，采样间隔1.0m，其中背景值测试孔3个、注浆后检测孔16个。选取4个典型钻孔，特征如图4～7所示。

从图4～7可以看出：在ZK15检测孔，卵石层单孔法平均横波波速为422m·s-1；在ZK17检测孔，卵石层单孔法平均横波波速为435m·s-1；ZK18检测孔，卵石层单孔法平均横波波速为422 m·s-1；在ZK19检测孔，卵石层单孔法平均横波波速为412m·s-1。

图4 ZK15孔单孔波速测试结果

3.2 钻孔超声波检测

钻孔内测试点有28个，采样间隔为0.5m，其中背景值测试孔3个，注浆后检测孔16个。选取4个典型钻孔，特征如图8～11所示。

图5 ZK17孔单孔波速测试结果

图6 ZK18孔单孔波速测试结果

图7 ZK19孔单孔波速测试结果

图8 ZK15孔超声波测试结果

从图8～11可以看出：ZK15孔强风化基岩平均超声波纵波速为2 702m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 562m·s-1；煤层平均超声波纵波速为2 352m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 360 m·s-1；中风化基岩平均超声波纵波速为2 857m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 651m·s-1。ZK17孔强风化基岩平均超声波纵波速为2 745m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 587m·s-1；煤层平均超声波纵波速为2 358m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 363m·s-1；中风化基岩平均超声波纵波速为2 861m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 654m·s-1。ZK18孔强风化基岩平均超声波纵波速为2 650m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 532m·s-1；中风化基岩平均超声波纵波速为2 863m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 655 m·s-1。ZK19孔强风化基岩平均超声波纵波速为2 659m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 537 m·s-1；强风化煤层平均超声波纵波速为2 357 m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 362m·s-1；中风化基岩平均超声波纵波速为2 900m·s-1，换算后平均超声波横波速为1 676m·s-1。

图9 ZK17孔超声波测试结果

图10 ZK18孔超声波测试结果

3.3 钻孔波速检测成果与分析

根据检测情况，背景值孔和检测孔检测结果列于表1、2。

本次检测主要针对基岩地层，但在检测过程中测得杂填土的横波波速平均值为246m·s-1，粉土层的横波波速平均值为228m·s-1，卵石层的横波波速平均值为367m·s-1。通过背景值与注浆后检测值的对比，卵石层的横波波速平均值为437 m·s-1，横波波速增长了70m·s-1，提高比率为19.1%。注浆后强风化基岩层纵波波速增长了296m·s-1，横波波速增长了171m·s-1，提高比率为12.5%；煤层纵波波速增长了449m·s-1，横波波速增长259m·s-1，提高比率为23.6%；中风化基岩层纵波波速增长了163m·s-1，横波波速增长了94m·s-1，提高比率为6.0%；岩体的横波波速大于250.0m·s-1，表明注浆后岩土体横波波速有所提高，密实度得到提升。

图11 ZK19孔超声波测试结果

4 结 语

为了检测注浆工程的效果以及测试方法的适用性，对注浆前后非注浆区（非采空塌陷段）进行了全孔测试，并按照岩性分段、分类进行波速统计对比，以获取良好的背景资料［13-15］。在此基础上，进行钻孔内单孔波速与超声波速测试，准确评价采空区注浆工程的质量。

单孔法波速检测主要针对浅层岩土层，在本次检测中主要检测第四系松散物。第四系卵石层注浆前横波平均波速为343m·s-1，注浆后横波平均波速为401m·s-1，增长了58m·s-1，提高比率为17.0%。注浆工程对卵石层有一定的影响，由于卵石层相对稳定，空隙以及裂隙不发育，注浆前后波速变化不大，检测结果与实际情况吻合。

超声波波速检测主要针对深层岩土层，在本次检测中主要以强风化煤层检测为主，其次为强风化基岩与中风化基岩。

（1）煤层注浆前横波平均波速为1 197m·s-1，注浆后横波平均波速为1 451m·s-1，增长了254 m·s-1，提高比率为21.2%。由于煤层是受注层，空洞、裂隙发育，水泥粉煤灰结石体多，注浆前后波速变化大，两者差值为254m·s-1，处理前后波速比为1∶1.11，注浆效果明显。

表1 钻孔波速检测结果

（2）强风化基岩注浆前横波平均波速为1 383 m·s-1，注浆后横波平均波速为1 535m·s-1，增长了152m·s-1，提高比率为11.0%。由于强风化基岩大多位于煤层之上，裂隙发育，水泥粉煤灰结石体较多，注浆前后波速变化较大，两者差值为152m·s-1，处理前后波速比为1∶1.11，注浆对该岩层影响较大，注浆效果较好。

表2 超声波检测成果

（3）中风化基岩注浆前横波平均波速为1 567 m·s-1，注浆后横波平均波速为1 707m·s-1，增长140m·s-1，提高比率为8.9%。由于中风化基岩大多位于煤层之下，裂隙不发育，水泥粉煤灰结石体较少，相对于其他2个岩层，注浆前后波速变化不大，两者差值为140m·s-1，处理前后波速比为1∶1.09，注浆有一定的效果。