综合评定法在西南地区铁路岩溶路基注浆质量检测的应用

杨 峰，刘晓甲，李鹏博

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 引 言

我国幅员辽阔，喀斯特地貌分布广泛，在岩溶发育地区修建铁路不仅增加了修建难度及费用，而且对铁路运营安全造成了极大的安全隐患[1-4]。探测发现隐伏岩溶并对地下岩溶进行注浆整治[5-8]，处理后采取一定的手段进行注浆效果评价[9-11]，对于铁路建设安全运营具有重要的作用，但目前还没发现哪一种方法能够完美地解决这个问题，单一的检测方法具有一定的局限性。钻孔取芯能直观地观察水泥结实体充填情况，但由于地下介质具有各项异性和不均匀性，而且注入的水泥浆液无法确定渗透方向和注入量[12]，加上一般钻探过程中均伴随有水和振动，芯样上面的注浆痕迹或注浆结实体[13]很可能在钻进过程中被冲洗掉，所以钻孔取芯法具有一定的局限性和偶然性。压水试验法能够直接测定岩层的渗透率，是最直接的方法，但目前铁路上岩溶注浆加固路基压水试验检测还没有统一的规程及定量标准，现行采用的评判标准比值法还具有一定的局限性，需进一步研究。电测深法是根据地下介质的电性差异进行检测，在电性差异明显的地段效果较好，如溶洞、溶蚀破碎带等强烈发育的地方，通过对注浆前后电测深剖面进行对比分析，能够定性判别注浆充填效果，但在电性差异不显著的地段效果较差。瞬态瑞雷面波法[14]为地震法，通过检波器接收大锤激发产生的横波，从而测定地下介质的面波速度，能够定量评价路基岩溶的注浆效果。笔者结合成贵铁路岩溶路基检测的工作经验，采用瞬态瑞雷面波法、电测深法、钻孔取芯及压水试验综合方法[15,16]对成贵铁路工程实例进行综合评定[17]，达到了检测目的，可靠性较高，可为同类工程提供参考。

2 岩溶塌陷成因分析

现阶段岩溶地面塌陷成因[18]的研究认为，覆盖型岩溶地面塌陷以土体潜蚀-崩解-运移为主要成因类型，岩溶地面塌陷一般具有三个基本条件，分别是塌陷物质、塌陷与储运通道、塌陷动力。在岩溶发育地区修建铁路，修建过程中如不对隐伏岩溶[19]进行相应处理，运营过程中通过轨道不断给地面提供动力，塌陷物质通过储运通道不断转移，形成一个个溶隙和溶缝，日积月累便会形成溶洞、地面塌陷等地质灾害，给铁路运营造成严重的隐患。目前铁路上岩溶路基整治的目的是阻隔地表水与地下水之间的水力联系[20]，封堵储运通道。

3 方法原理

3.1 瞬态瑞雷面波法

瞬态瑞雷面波法主要利用地下介质的弹性差异，通过人工激发产生的弹性波在到达速度或密度不同的介质交界面上时，会产生反射、折射现象，同时产生瑞雷面波，通过对接收反射回来的弹性波处理分析，从而探明地下介质的分布特征。瞬态瑞雷面波勘探主要是利用了瑞雷波的频散特性及速度。

瞬态瑞雷面波法检测岩溶路基，原理为采用大锤激发产生的瞬态冲击力作震源，表面介质在脉冲作用下产生一系列谐波，被检波器所接收，同时被仪器记录下来，通过对采集的信号进行分析，提取瑞雷面波速度及频散取芯，进而对岩溶路基进行评价。瞬态瑞雷面波原理见图1。

图1 瞬态瑞雷面波法原理Fig.1 Schematic diagram of transient Rayleigh surface wave method

瞬态瑞雷面波检测激振点和检波器通常排列在一条直线上，即纵向观测系统，如图2所示，M点为检测点，检波器之间的间距为ΔX(单位：m)，ΔX与探测任务相关，探测深度越大，ΔX也相应越大。

图2 瞬态瑞雷面波法排列布置Fig.2 The arrangement of transient Rayleigh surface wave method

3.2 电测深法

电测深即电阻率测深，原理为通过逐次加大供电电极AB极距的大小，测量同—点(即测量电极MN极的中点)不同深度处的视电阻率ρs值，从而定性分析地下介质的特征，通过移动排列，测量不同测点地下视电阻率值，经过处理分析，形成拟纵断面图与注浆前成果图进行对比分析，判定岩溶路基注浆质量。供电电极AB极距小时，电流分布浅，主要测量为浅层介质视电阻率，通过逐次加大AB极距来测量更深地层介质的视电阻率，一般AB极距越大，测量深度越深，AB极距大小主要根据探测任务进行确定。

实际采集中采用对称四极排列，蓄电池箱通过供电电极插入地面给地下供电，通过测量电极接收流经介质后的电流，测量地面的电位差ΔU、电流I等电学参数，利用式(1)即可得到视电阻率：

(1)

式中,K为与装置有关的参数；ΔU为电位差，单位为V；I为电流，单位为A；ρs为视电阻率，单位为Ω·m。

对称四极排列装置示意图如图3所示，由供电电极A、B及测量电极M、N四个电极组成，MN的中点O为测量点。

图3 对称四极装置示意图Fig.3 Schematic diagram of symmetrical quadrupole device

3.3 钻孔取芯法

通过在指定位置布置钻机，钻取地下一定深度范围的芯样，通过对芯样的观察，检测地下岩层岩溶发育及注浆情况。

3.4 压水试验法

压水试验通过动力设备将水以一定的水压压入钻孔中，采用封孔设备将水封堵在地下一定深度的压水试验段内，通过测量一定压力下注入钻孔内的水流量，获得地层的渗透率。而地层渗透率与透水率[21]q之间为正相关关系，通过分析岩层透水率，从而对地层的注浆效果进行评价。

透水率q，由式(2)确定：

(2)

式中，q为透水率，Lu；L为试段长度，m；Q为压水流量，L/min；P为压水压力，MPa。

4 测线布置原则及评定依据

4.1 测点布置原则

瞬态瑞雷面波法：随机选取，均匀分布，严格控制重点区域，在注浆孔两侧各布置一个测点。

电测深法：优先选取岩溶强烈发育区域，在注浆孔两侧各布置一个测点，其余测点均匀分布在全区域。

钻孔取芯及压水试验：选取一定比例物探法异常区域进行钻探验证，其余孔位进行均匀布置。

4.2 数据采集及处理

4.2.1 数据采集

1)瑞雷面波法：采用纵测线观测系统，激发点至记录点之间的距离与探测任务相关，一般排列长度与探测深度相当，激发震源采用大锤敲击钢板进行激发，检波器接收信号并记录在仪器中，形成单炮记录文件。

2)电测深法：采用对称四级装置。测区ABmax=100 m，ABmin=2 m；(AB/3) m级装置。布极线方向基本沿测线方向，实际现场条件不允许时可垂直测线方向布置。

3)钻孔取芯：按照《铁路工程地质勘察规范》中钻探要求进行取样。钻孔时均匀钻进，靠近溶洞顶板时应缓慢施工，有条件时最好采用双套管钻进。

4)压水试验：安装压水试验设备，向钻孔内压水，调整调节阀，使试段压力达到一定值,并保持稳定。观测水表流量，每间隔1～2 min观测1次，连续观测5次，当流量无持续增大趋势，且5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的十分之一，或最大值与最小值之差小于1 L/min时，本阶段试验结束，最后取0.5 MPa压力下的计算值作为该孔透水率值。

4.2.2 数据处理

瑞雷面波法：原始数据——提取面波信号——从频率(F)-波数(K)域中提取特征信号——谱分析及相关计算。

电测深法：格式转换——预处理(转折点、畸变点处理)——绘制ρs曲线类型图、ρs断面图。

钻孔取芯：现场对芯样进行记录和标记，并拍摄照片留存。

压水试验：准备→洗孔→下止浆塞(试段隔离)→水位观测→试验性压水→压水观测(稳定压力及流量)→计算。

4.3 评定依据

1)瑞雷面波法：

其中，VS为横波速度，单位为m/s；H为深度，单位为m。

将根据瑞雷面波曲线分析出的瑞雷波速度与上述公式中计算出相应位置与深度处的VS值相比较。若瑞雷波速度小于上述公式中计算出相应位置与深度处的VS值，那么注浆效果较差，不能满足设计的要求，需要继续注浆加固。若瑞雷波速度不小于上述公式中计算出相应位置与深度处的VS值，那么注浆效果较好，能满足设计的要求。

2)电测深法：与注浆前电测深异常进行对比分析，检测段落整治范围内无明显异常。

3)钻孔取芯：所取岩芯可见多处注浆水泥结石体，可见缝隙基本填满。

4)压水试验：注浆后透水率小于注浆施工前的十分之一。

5 工程实例

5.1 工程地质概况

某里程段岩溶路基的设计段落长度为78.148 m，总注浆加固孔数为96孔，属云贵高原溶蚀低山丘陵地貌。路基段工程地质特征：上覆第四系全新统坡残积之红黏土(弱膨胀土),下伏二叠系下统梁山组和栖霞组白云质灰岩、泥灰岩、泥质灰岩、砂岩、页岩夹鸡窝状煤和石炭系下统大塘组和摆佐组白云岩、白云质灰岩。据物探资料及地表调查揭示，其下伏基岩中岩溶强烈发育，溶洞(物探揭示土石界面开口型溶洞)、溶隙、溶缝、溶蚀破碎带发育，地下水发育且水位可在土岩界面波动。注浆孔的土岩分层情况：注浆孔均为钻至基岩面以下5 m，土层0～5.2 m，岩层5.2～32.1 m。

表1 地层物性参数

5.2 工区地球物理特征

工区内主要地层岩性为红黏土、白云质灰岩。搜集资料显示，工区内0～5.2 m一般为红黏土，下伏基岩以灰岩为主，基岩上部强风化较破碎，深部则较为完整。通过场地试验工作，各地层物性参数见表2。

表2 瞬态瑞雷面波部分检测结果

5.3 测线布置

测线测点位置如图4所示，图中虚线为电测深布线位置，瞬态瑞雷面波测点图中未做标注，钻孔位置见图中圆圈所画位置，本图仅将文中用到的钻孔位置标注出来。

图4 测线位置Fig.4 Location of survey lines

5.4 数据采集及处理过程中关键点

1)瞬态面波检测过程中人、车辆禁止移动，现场振动；

2)电测深法检测最好不要选在刚下过雨不久的时间工作，工作中碰到工区内存在的接地电阻偏高时，电极接地方式可采用环形并联，同时浇注大量饱和盐水，以降低接地电阻；

3)压水试验采用的水务必为清水，压水试验施做之前要先清孔几分钟；

4)采用球形止水塞时为防止封孔效果不好，可在球形止水塞上缠绕干海带；

5)室内处理瞬态面波数据时，注意瑞雷面波速度需转化为横波速度后再与经公式计算的数值进行比较；

6)电测深法数据处理前，首先对电测深曲线转折点、畸变点进行处理。

5.5 检测方法

5.5.1 瞬态瑞雷面波法

采用的仪器设备为Geopen Miniseis24工程检测仪，配套的有4.5Hz低频检波器12个、电缆及铁锤，前期现场测试效果，选用道间距2 m，炮间距3 m。本段共计检测两次，初测中D3K501+848.75(0)、D3K501+847.5(2.5) 异常深度为8～12 m左右，D3K501+858(0)、D3K501+861.5(0)、D3K501+844(2.5)、D3K501+851(2.5)、D3K501+858(2.5) 异常深度为10～18 m左右，不合格面波部分图像见图5，检测瑞雷面波速度值低于规定值，推测可能存在注浆不均匀、不到位情况，部分检测结果见表2。经处理后检测点瑞雷面波速度值均不低于规定值，复测合格。

图5 不合格测点图像Fig.5 Image of unqualified measuring point

5.5.2 电测深法

采用的仪器设备为WDJD-3多功能数字直流激电仪，配套的4根电极及若干电缆线。本段共计检测两次，电测深初测拟纵断面图见图6、图7。

图6 D3K501+826～D3K501+882.997左中线偏左、偏右1 m处电测深拟纵断面Fig.6 Pseudo profile of electrical sounding at 1 m along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

图7 D3K501+826～D3K501+882.997左中线偏右1.5 m及偏右3.5 m处电测深拟纵断面Fig.7 Pseudo profile of electrical sounding at 1.5 m and 3.5 m right along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

横向上对比各电测深曲线类型图可看出,个别注浆孔位置存在低阻异常，具体为D3K501+848.75(middle)、D3K501+847.5(right2.5)、D3K501+858(middle)、D3K501+861.5(middle)、D3K501+844(right2.5)、D3K501+851(right2.5)、D3K501+858(right2.5)。

经注浆处理后进行复测，复测拟纵断面图见图8、图9。

图8 D3K501+826～D3K501+882.997左中线偏左、偏右1 m处电测深拟纵断面Fig.8 Pseudo profile of electrical sounding at 1 m along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

图9 D3K501+826～D3K501+882.997左中线偏右1.5 m、偏右3.5 m处电测深拟纵断面Fig.9 Pseudo profile of electrical sounding at 1.5 m and 3.5 m rignt along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

纵向上，表层为粉质黏土，中、下部为注浆后基岩。注浆孔位置视电阻率横向上整体来看各层均匀，未发现明显物探异常，相对初测电阻率有明显提高，复测合格。

5.5.3 钻孔取芯及压水试验法

采用XY-1型钻机进行钻探，金刚石钻头，钻头直径Φ91 mm，压水试验采用的设备为球形止水塞(与钻孔直径一致)及橡胶隔垫、流量表及压力表。

该段共完成四次钻芯压水检测，合计钻孔12个，压水试验检测12个，选取一定数量的钻孔位置为物探异常区域，其余孔位均匀分布至注浆区域。四次钻探部分芯样照片如下：

第一次检测部分芯样照片：

孔号ZK3位置D3K501+861右中线孔深/m21.7浆液扩散情况未见明显注浆扩散痕迹芯样照片芯样描述0.0～3.3 m砼;3.3～5.6 m灰岩,较完整;5.6～8.2 m溶洞,全充填黏土;8.2～9.1 m灰岩,较完整;9.1～12.8 m溶洞,全充填黏土;12.8～14.2 m灰岩,较完整;14.2～16.2 m溶洞,全充填黏土;16.2～21.7 m灰岩,较完整。

第二次检测部分芯样照片：

孔号ZK5位置D3K501+858左中线孔深/m19.6浆液扩散情况未见明显注浆扩散痕迹芯样照片芯样描述0.0～1.0 m砼;1.0～12.8 m灰岩,较完整;12.8～14.0 m溶洞,全充填黏土;14.0～19.6 m灰岩,较完整。

重新注浆处理后检测部分芯样照片：

孔号ZK8位置D3K501+848.75右中线孔深/m12.3浆液扩散情况局部可见明显注浆扩散痕迹芯样照片芯样描述0.0～1.6 m砼;1.6～2.0 m灰岩,较完整;2.0～2.4 m砼;2.4～2.6 m灰岩,较完整;2.6～3.3 m砼;3.3～3.4 m灰岩,较完整;3.4～3.6 m砼;3.6～12.3 m灰岩,较完整。其中2.0～3.6 m可见明显注浆扩散痕迹,6.4～7.4 m岩芯可见岩溶。

12个钻孔中ZK1至ZK6均未见明显浆液扩散痕迹， ZK7至ZK12在不同深度处可见明显浆液扩散痕迹。

施做压水试验的12个孔中：初测ZK1、ZK3孔漏水，ZK2在0.5 MPa压力下透水率值为2.35，初测仅ZK2满足要求，初测不合格；(复测ZK4、ZK5孔漏水， ZK6在0.5 MPa压力下透水率值2.03，初测仅ZK6满足要求，复测不合格；第二次复测ZK7、ZK8、ZK9孔最大压力达不到0.5 MPa，三孔均不满足要求，第二次复测不合格；第三次复测ZK10、ZK11、ZK12在0.5 MPa压力下透水率值分别为7.45、7.93、8.37，均具弱透水性，小于注浆前透水率值的十分之一，第三次复测合格。

5.6 综合分析结论

对选取的段落岩溶路基注浆整治结束后进行质量检测，采用瞬态瑞雷面波法、电测深法、钻孔取芯法及压水试验法检测，检测完进行综合评定。本段瞬态瑞雷面波法及电测深法初次检测均不合格，经注浆处理后复测合格(结合钻芯压水试验结果)，瑞雷面波初测及复测共计完成20个测点，电测深同样完成20个测点。该段钻芯压水共计检测四次，合计钻孔12个，压水试验检测12个，前三次压水试验检测均存在漏水现象，检测不合格，钻探出多个充填型溶洞，钻探芯样未见明显注浆痕迹；第三次压水试验复测合格，钻探芯样可见明显注浆痕迹，钻孔取芯及压水试验满足要求。在电测深异常位置选取了部分孔位进行钻探验证，钻探结果基本与探测结果一致，经处理后物探异常明显改善，且钻芯压水试验结果合格，综合四种检测方法，该段路基注浆效果较好。

6 结 语

四种方法中瞬态面波及电测深法为无损检测方法，优点是使用方便、灵活、无破坏，能够在宏观上把控整个工点的路基岩溶基本情况，钻孔取芯及压水试验则更直观。采用四种方法对岩溶路基进行综合评定，在分析物探的资料基础上，选择异常区域或有疑问的测点附近布置钻孔，结合钻孔取芯及压水试验检测结果，相互验证，取得了较好的效果，能够减少误判，增加检测的准确性。