地井联合物探技术在岩溶注浆检测中的应用

朱飞飞

(中国铁路设计集团有限公司 地质勘察设计研究院，天津 300251)

1 引 言

随着我国“八纵八横”高速铁路网的日益完善，作为国民经济命脉铁路的工程地质问题也越来越复杂，其中岩溶问题作为一种典型的不良地质问题对铁路路基、桥基的稳定性、承载力和变形产生有重要影响。一般情况下，对岩溶发育区，要尽量设法避绕。对于无法避绕的做专项岩溶勘察，并做注浆加固处理。因此精细、高效、稳定的岩溶勘察、岩溶注浆加固效果检测评估手段就显得尤为重要[1,2]。

岩溶的发育情况受到岩性、地下水、地质构造等诸多因素的控制，对外表现出极强的不均匀性和各向异性。依靠钻探只能反映垂向上岩溶发育情况，很难描述钻孔周围横向上的岩溶发育情况，且该手段具有较高的时间成本和经济成本。物探作为一种经济、高效的手段在岩溶勘察和注浆效果检测中发挥着重要作用[4-9]。大量学者研究了岩溶勘察问题，邓居智等利用探地雷达在某高速公路上进行岩溶探测[10]；朱亚军等利用高密度电法和瞬变电磁法对武汉江夏区一新建小区的地下岩溶进行探测[11]；何禹等利用电磁波CT(Computed Tomography)对山东某铁矿埋深达300多米的岩溶发育情况进行探测[12]；苗庆库等人分别研究了地震CT层析成像技术在京沪线、哈大线等铁路的地下岩溶的探测问题[13-17]；刘世奇利用地震CT和管波在长昆线进行岩溶勘察[18]。前人的研究均是基于地面物探方法或是井中物探方法的单一尺度内进行岩溶勘察，单一尺度势必在方法和原理上具有某些局限性，且很难克服地球物理问题的多解性，同时深基础桥对岩溶勘察精细程度要求较高，单靠单一尺度的物探勘察难以达到要求，因此建立多尺度的地井联合岩溶勘察及注浆加固效果检测技术成为当前研究热点。

本文结合前人的研究成果，针对某在建铁路桥梁框构岩溶勘察及基底注浆效果检测问题，采用高密度电法和地震CT法的地井联合物探勘察技术、注浆加固检测，以及采用钻孔取芯和压水试验进行分析验证，以此综合检测方案评价注浆质量。

2 方法原理

2.1 岩溶区域地球物理特征

地下介质的物性差异是进行地球物理勘探的前提条件。地下岩溶发育后被水或者水、黏土、砂、碎石等的混合物充填，表现为无充填、半充填或全充填。因此其与周围介质对外表现出强烈的物性差异，即在电阻率、弹性波吸收衰减等的差异。当溶洞被加固的水泥浆液充填凝固后，其与周围介质物性差异会大幅度减小。具体表现在岩溶发育区域电阻率低于125Ω·m、纵波波速低于3 000 m/s，而对于完整灰岩或者是溶洞被加固的水泥浆液，在充满凝固后，其电阻率将达到200～400 Ω·m，纵波波速将达到4 000～6 000 m/s，基于电性差异地面选取高密度电法、基于纵波差异钻孔间选取地震CT法对注浆情况进行地井联合的综合检测[19]。

2.2 高密度电法

高密度电法是以岩体、土体导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下，地下介质传导电流分布规律的一种电法探测方法。因此，它的理论基础与常规电阻率法相同，不同的是方法技术。高密度电法野外测量时只需将全部电极布置于观测剖面的各测点上，然后利用电极转换装置和电法仪便可实现数据的快速采集。图1为高密度电法测量系统示意图。相对于常规电阻率法而言，高密度电法具有测试速度快、数据量大、成本低、效率高的特点。

图1 高密度电法测量系统示意图

2.3 地震CT

地震CT技术又称为地震层析成像技术，是利用地震波在地下介质中传播速度的差异，即地震波旅行时的差异对地层弹性波速度进行反演最终获得地下介质波速分布的方法。该方法可以精细刻画地下介质的岩溶发育情况。地震CT技术经过长期的发展，已成长为较成熟的岩溶勘查方法。

地震CT观测系统如图2所示：钻孔1为激发孔，钻孔2为接收孔。其激发方式为一发多收，依次提升激发点位，形成一个密集交叉的射线网络。然后处理地震记录获得地震波走时信息，再通过迭代反演技术获得速度分布，重建地下介质的二维纵波波速分布，获取地下介质的二维纵波波速图像：

图2 地震CT观测系统示意图

(1)

式(1)中，dl是射线路径长度微分；ti是第i条射线的到达时间；v(x)是速度分布；R(v)是依赖于速度分布的射线路径。可以看出，当介质的速度发生变化时，地震波旅行时也会发生变化，将式(1)离散化得到：

(2)

其中Si=1/vi,i=1,2,3,…,n

式(2)中，lnm表示第n条射线在第m个单元内的路径长度；Sm是在第m个单元的慢度;tn是第n条射线的旅行时。

3 应用实例

3.1 工程概况

某新建高速铁路特大桥里程K0+350～K0+550段落位于湖积平原区、河流阶地区，地势平坦开阔，稍有起伏。桥址区地表水主要为河水、沟渠水、水塘水。地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。桥址区下伏基岩为二叠系茅口组硅质角砾状灰岩、角砾状灰岩、灰岩。据钻孔揭示，岩石见溶洞、溶槽等。钻孔见洞率为86.67 %，所揭示溶洞洞高为0.20～53.60 m。溶洞以空洞、半充填及充填形式存在，局部呈串珠状发育，溶洞内充填流—软—硬塑粉质黏土夹角砾，夹少量灰岩碎石及砂岩孤石。该段落基底采用注浆加固处理。

3.2 测线布置与仪器选择

根据勘查任务，测线点位布置如图3所示。在K0+350～K0+550段落路线左线布置高密度电法测线一条，记为DP-1。布置地震CT测线两条，分别为CT-1、CT-2。高密度电法数据采集使用重庆精凡科技有限公司生产的N2电法仪，为确保成果的信噪比和分辨率且满足探测深度要求，供电电压60～420 V，观测采用施伦贝谢尔装置，电极距5 m，采集层数43层，工作电极161根。高密度电法数据处理利用2DRES软件，通过原始数据预处理、有限差分最小二乘反演获得电阻率剖面。因该区域岩溶较发育且深度大，因此对震源的能量有较高的要求。地震CT数据采集使用美国Geometrics公司生产的Strata Visor NZ地震仪，震源为德国IPG5000高压储能电火花震源，检波器采用国产GH3型高灵敏度24道水听器，在数据采集之前已进行震源稳定性和水听器一致性检测，如图4所示。初至时间一致、波形一致，震源稳定性、水听器一致性良好，满足采集要求。本次工作地震CT的跨孔孔距控制在15～20 m范围内。地震CT数据处理利用中国铁路设计集团有限公司研发软件——井间岩溶勘探数据处理系统，先进行初至波拾取，再建立模型进行反演。地震CT原始如图5所示，初至清晰，数据质量高。分别在注浆前和一序孔注浆加固后28天进行两次检测。

图3 测线布置示意图

图4 震源稳定性和水听器一致性检测波形

3.3 检测成果

3.3.1 成果判释原则

根据检测任务及规范要求，成果图中非可溶岩地层中的低阻、低速区域通常为岩体风化呈黏土状或土夹角砾、土夹碎块状。可溶岩地层中电阻率高低剧烈变化界限附近及电阻率相对低值(低于125Ω·m)区域视为岩溶发育区；将弹性波波速低于2 000m/s的区域划分为岩溶弱充填，即无充填、半充填或充填物为流塑状；将波速在2 000～3 000m/s的区域划分为岩溶强充填区域，即全充填且充填物密实。

由于高密度电法和地震CT法在尺度上的差异，本次检测任务将高密度电法的成果用于岩溶发育区域的范围上探查；将地震CT的成果用于岩溶发育区域大小、延展方向和规模的精细刻画。

3.3.2 成果分析

图6为注浆前高密度电法的检测成果，从图6中可以看出，在里程K0+355～K0+530，高程-10～-80 m范围内存在一条由浅到深的条带状相对低阻区域，推断该区域岩溶发育；对高密度电法异常区域进行钻孔间地震CT的精细探查，成果如图8、图10所示，从图中可以看出该区域存在大量的分布不均的相对低速区域。通过注浆前的地井联合物探检测结果可以推断，该区域地下岩溶发育。

图6 注浆前高密度电法成果

图7 注浆后高密度电法成果

图8～图11为CT-1和CT-2注浆前后地震CT成果图。从图7中可以看出注浆前存在的相对低阻区域有所收敛(低阻区域收敛为里程K0+375～K0+490、高程-10～-50 m，面积已大范围减小)，但是低阻异常仍然存在。在此区域内进行钻孔间地震CT法检测，检测成果如图9、图11所示，从图8、图10的检测成果中可以看出，相对低速的区域已经大范围减小，局部仍然存在低速异常，低速异常区域统计表见表1。

图8 CT-1测线注浆前地震CT成果

图9 CT-1测线注浆后地震CT成果

图10 CT-2测线注浆前地震CT成果

图11 CT-2测线注浆后地震CT成果

表1 异常区域

通过地面物探高密度电法探查注浆前后岩溶发育范围，再针对电阻率异常区域采用井中物探手段地震CT法进行岩溶的精细刻画，经过地井联合物探技术的检测可以说明注浆后该区域的溶洞已经大范围减少，该桥址基础的强度有一定程度的提升，但是局部仍然存在异常区域。

3.4 钻孔取芯和压水试验验证

对于局部仍存在异常区域，为确保检测成果的可靠性，进一步采用钻孔取芯和压水试验进行验证。钻孔取芯获取异常区域岩体的芯样，观察是否存在浆液痕迹和浆液凝固体；压水试验为采用加压设备将水通过一定压力压入钻孔内，并且通过封堵设备将带有压力的水封堵在某一深度范围内，通过测量在一定压力下的注水量，即可获得地层的透水率。压水试验是否合格的评判标准为：注浆后的透水率小于注浆前透水率的十分之一[20]。已知注浆前该区域平均透水率为89.5Lu，只要注浆后透水率小于8.95Lu，即可说明压水试验合格。

根据注浆后高密度电法和地震CT综合检测成果，提出4个检查孔孔位，如图12所示。Z1、Z2、Z3为检测不合格的检查孔，Z4为检测合格的检查孔。

图12 验证孔示意图

取芯验证的结果如图13所示。

图13 钻孔取芯芯样

从钻孔取芯芯样可看出Z1孔部分溶腔中已压入了水泥浆，Z2孔局部空洞区已形成了水泥柱，但三个检测异常区域的验证孔仍然存在水泥浆灌注不密实、仍为空洞的区域，个别溶腔注浆渗透效果不明显，仍然为半—全充填黏土，钻取的芯样中未发现明显浆液痕迹。Z4孔能看到明显的水泥柱及浆液痕迹。压水试验的检测结果如表2所示，通过压水试验仅Z4孔满足要求，其他均不符合要求。取芯和压水试验的验证与检测结论保持一致，对于局部仍然存在相对软弱的区域，部分为全充填溶洞，浆液难以注进去，需再一次加压进行二序孔注浆。

表2 压水试验结果

4 结 论

针对岩溶勘察及注浆效果检测的地井联合高密度电法和地震CT法技术，可应用于铁路桥址基础的岩溶勘察和岩溶注浆加固效果检测，得到以下结论：

1)本次研究首先采用地面物探手段高密度电法对地下岩溶发育情况进行普查，然后结合电阻率异常，利用井中物探手段地震CT法进行岩溶发育情况的精细刻画，建立地井联合的物探检测技术。在得到物探成果后，利用钻孔取芯和压水试验进行物探检测成果检验。结果表明，该技术具有可行性，取得的成果可靠。

2)高密度电法作为地面物探手段，可以快速获取地下电阻率分布情况，准确地进行地层和异常区域的划分。在工程勘察，特别是岩溶勘察中具有广阔的应用前景。

3)地震CT技术具有精准刻画岩溶发育程度、溶洞大小、延展方向的能力。其解释剖面不仅包括测线上的岩溶发育情况，还包括测线附近投影到测线上的岩溶发育情况。该方法可以准确判断岩溶的发育情况。

4)高密度电法和地震CT法的地井联合检测岩溶注浆加固质量的模式可以克服单一物探尺度的局限性和地球物理问题的多解性，在岩溶勘察和岩溶注浆加固检测中具有很强的优势。对类似岩溶勘察和注浆加固检测工作具有示范和指导作用。