基于井间地震CT技术的水泥浆灌注质量检测

陈 忠，杨海兵，朱月笙，赵为洪，郑 伟

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局807队，江苏 南京 210041； 2.江苏华东新能源勘探有限公司，江苏 南京 210007)

0 引言

在灰岩地区，由于地下水径流发达，地基中土洞、疏松体、溶洞十分发育，常发生地面塌陷，从而影响了地面建(构)筑物长期安全运营。对此，常规手段是对土洞、疏松体、溶洞进行灌注水泥浆作业[1-2]，确保地基土本身及灰岩面以下一定深度范围内地层密实。灌浆作业结束后，需要对灌注质量进行检测，判断土洞、溶洞和疏松体是否被水泥浆充满，灌注是否密实均匀等信息。常规水泥浆灌注质量评价方法有钻孔取芯目测、钻孔电视检测、地质雷达[3]、井间电磁波CT检测[4]。前两种方法只能得到孔壁上水泥浆灌注痕迹，不能检测一定面积范围内的水泥浆灌注质量，而地质雷达、井间电磁波CT受地下水影响明显[5]，检测深度、距离受到限制。针对常规检测水泥浆灌注质量技术的不足，作者采用井间地震CT技术，以井间地震CT数据为基础，对水泥浆灌注质量进行了评价。

1 工程概况及场地工程地质条件

拟建建筑物由2幢47层住宅楼、1幢58层商业办公楼及2层～7层商业裙房组成。场地地层分布情况见表1。

表1 场地地层分布情况表

场地第四纪沉积物下伏灰岩为早、中三叠世青龙组(T1+2x)，埋深75.6 m～86.2 m，青龙组灰岩为一套浅海相碳酸盐沉积物，成分为碳酸钙(CaCO3)，中厚层，含泥质，微晶结构，裂隙发育，岩芯破碎现象较普遍，说明古岩溶强烈发育，溶洞多为泥质充填，半充填及空溶洞较少。

2 水泥浆灌注技术

用水泥浆对地基进行了灌浆处理，以提高地基承载力，同时充填岩溶洞隙，灌浆方式用袖阀管高压注浆形式，灌浆对象为桩端周围土、下伏灰岩[6-7]。场地内注浆加固工程共布置了36个注浆孔(见图1)，注浆孔深度90 m，深度为灰岩面下6 m，遇溶洞将溶洞全部注浆处理，注浆孔间距10 m。

基于节约成本的考虑，注浆前利用注浆孔，采用井间地震CT查明场地范围及有影响地段的岩溶洞隙的位置、规模、埋深，岩溶堆积物的性状；注浆28 d后采用井间地震CT对注浆孔进行探测，查明场地范围及有影响地段的岩溶注浆后填充效果，要求纵波波速不小于2 000 m/s。如果未达到注浆地段纵波波速不小于2 000 m/s的要求，则应进行二次及多次注浆，直至达到要求。

3 水泥浆灌注质量检测

3.1 检测原理

地震纵波在介质中传播时，其路径随介质的破碎、溶蚀、风化程度等反映出的密度而变化，根据接收到的初至波走时信息，对介质的内部结构进行判释。然后依据所测得的精确旅行时间进行反演计算，求出目标体的大小、深度等，井间地震CT是利用不同岩土体的弹性纵波速度差异来划分地质体，重建地下介质结构图像[8-11]。

地震纵波走时介质速度的分布关系，可用如下方程表示：

其中，t为走时(纵波由发射到接收所需的时间)；V(x)为介质的纵波速度；R(t)为射线的路径；dx为射线穿越子区域的长度。

由上式可以推断出地震纵波CT的原理：当地震纵波穿过介质的速度发生变化时，其走时也随着发生改变，将多条通过介质的地震纵波射线走时提取出来，反算出介质的地震纵波速度空间分布图像，通过速度空间分布推断出介质的密度，进而由密度得到水泥浆灌注质量。

孔间地震CT技术的观测系统主要有以下几种：

1)共炮点数据采集系统，将震源固定在一口井中，在相邻的一口或多口井中按一定距离移动接收点来完成数据采集(见图2)。

2)共接收点数据采集系统，将检波器固定在一口井或多口井中，在相邻井中按一定距离移动震源来完成数据采集。

3)炮点和接收点同步移动数据采集系统，炮点和接收点平行同步，由浅向深或由深向浅按一定距离等间距移动,每炮一个检波器或多个检波器接收。

3.2 现场数据采集

现场数据采集系统主要设备如表2所示。

表2 井间地震CT主要设备、性能指标参数表

数据采集采用炮点和接收点同步移动数据采集系统，主要步骤如下：

1)把道间距0.5 m，12道水声检波器放入检测范围内某一注浆孔中。

2)把电火花震源放入检测范围内另一个注浆孔中。

3)调整激发点的深度使其与最下边检波器等深度相等并激发，另一注浆孔中的12道水声检波器接收并记录数据。

4)上提震源1.0 m进行第二个激发点的激发并记录数据，并重复该过程12次。

5)震源上提5.5 m，上提检波器3.0 m，使得震源位置和最下边检波器处于同一深度的位置。

6)重复步骤2)～步骤5)，直至目标孔段数据采集结束为止。

7)数据一侧采集结束后，将检波器和震源交换孔位，重复步骤2)～步骤6)的工作。

3.3 检测结果分析

资料的数据处理按以下步骤进行：以提高信噪比为目的的数据滤波；读取初至运行时；计算机反演；CT图像成图。其中在计算机反演、CT图像成图时，通过二维最短路径最小走时法射线追踪确定模型旅行时和雅可比矩阵的正演模拟及最小二乘共轭梯度法LSQR算法的反演计算，由旅行时数据反演井间纵波速度的分布(见图3)。

由图3可知：

1)测试深度-75 m～-88 m，剖面宽度14 m。

2)ZK2在-75 m～-80.8 m范围为黏土层，-80.8 m～-88 m为灰岩层，而ZK19在-75 m～-79.85 m范围为黏土层，-79.85 m～-88 m为灰岩层。

3)土岩结合面高程-79.8 m～-80.5 m。

4)注浆前用井间地震CT技术探测，剖面测点间平均纵波速度Vpa=2 521 m/s，最小波速Vmin=1 635 m/s，最大波速Vmax=3 369 m/s。

5)剖面总体波速上部小于下部，土岩结合面之下存在低速区，波速不大于2 000 m/s，通过注浆孔钻探推测岩溶较为发育，多为黏土或碎石充填。

6)第一次注浆后，土岩结合面之下的低速区，波速在2 000 m/s～2 100 m/s之间。

7)第二次注浆后，剖面内测点间平均纵波速度Vpa=2 725 m/s，最小波速Vmin=2 135 m/s，最大波速Vmax=3 369 m/s，低速区消失，波速不小于2 100 m/s。

4 结语

1)可以利用井间地震CT技术，通过纵波速度可以判断灰岩地基中水泥浆灌浆质量，溶洞、土洞或疏松体由于被水泥浆充满，纵波速度显著提高。

2)从速度图像上看，井间地震CT技术对岩土层界限相对比较清晰，对溶洞洞体显示的“低速度”异常区也较明显。