电测深法在高铁路基岩溶注浆效果检测中的应用

王乾龙 何明峰 邓 瑞 季凇达

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

随着西南地区高铁建设逐步推进，区域内岩溶问题成为制约项目实施和安全运营的关键。为保障铁路项目的施工质量和运营安全，迫切需要对铁路路基病害探测[1]和注浆效果[2-4]开展针对性的研究工作。电测深法在路基岩溶勘察及注浆效果检测中应用较为广泛[5-6]，常作为路基注浆效果检测的首选方法。唐毅将电测深法应用于南广线岩溶注浆效果检测中，并以平均视电阻率变化率作为评价参数评估注浆效果[7]；任新红等通过灰岩模型研究了电测深法在多种测试断面下的检测效果[8]；胡仁强通过模型试验与现场测试对比分析研究了电测深法的应用效果[9]。不难看出，单一物探方法具有一定局限性，后来发展形成以物探为主、钻探为辅的综合检测技术[10-14]。

注浆效果检测技术已发展多年，但至今仍缺乏统一明确的评价标准规范[15]；钻探成本较高，且覆盖面极小；原位测试多以压水、注水试验作为评判标准，难以进行全局性把控，仍多以定性和半定量解释为主。物探方法具有高效便捷且成本低的特点，且电测深法相对瞬态面波法对覆盖型路基岩溶更具适用性。然而，目前对电测深法定量评价的研究多以模型试验为主，且多以经验为主，缺乏数据支撑。因此，深入研究电测深法评价岩溶注浆加固效果的定量化问题很有必要。

2 基本原理

电测深法是电阻率法勘探的一种，根据电极排列形式(装置类型)不同，又可分为若干形式，其中对称四极电测深法较为常用，其电极排列形式见图1。

图1 对称四极测深装置

对于对称四极电测深装置，O为MN的中点，则视电阻率ρs表达式为

(1)

对于溶洞、裂隙、破碎带等异常地质体，在电测深法进行探测时，往往表现出视电阻率值的异常。岩溶注浆后，原溶洞或裂隙中人为填充的水泥会影响所测区域的视电阻率。按照剖面连续检测，具有较高的分辨率，能较好分辨出注浆前后异常地质体的电性差异，从而对岩溶注浆效果进行有效评价[16]。

3 实测案例分析

某在建高铁地处西南岩溶地区，该区域属亚热带卡斯特地貌，岩溶以覆盖型居多。岩溶成因以地下水长期冲刷溶蚀为主，溶洞内多有黏土或泥沙充填物。区域内地貌主要以低丘台地为主，间有孤峰，岩层露头溶蚀可见，地层以石炭系灰岩为主，覆盖土层厚度深浅不一。根据钻探揭露，铁路沿线路基岩溶发育程度较高，普遍存在岩溶地面塌陷风险，需进行岩溶注浆整治。岩溶整治注浆施工按Ⅰ序、Ⅱ序分期进行，Ⅰ序孔间距为7 m，Ⅱ序孔在Ⅰ序孔基础上加密。Ⅱ序孔注浆施工完成后，待浆液龄期达到要求后开展现场检测。

在岩溶检测试验测区选择上，根据地区岩溶发育情况，选取3种较为典型的测区。第一类是覆盖层深度小于10 m，且下伏地层为裂隙灰岩；第二类是覆盖层深度大于20 m，且下伏地层为裂隙灰岩；第三类是覆盖层深度介于10～20 m之间，且下伏地层为溶蚀裂隙或溶洞较发育灰岩。

3.1 第一类岩溶地层

第一类岩溶地层是覆盖层深度小于10 m，且下伏地层为裂隙灰岩。选定的试验测区的地质概况为：上覆第四系全新统人工填土层、坡积土、残积土、松软土、红黏土、粉质黏土、角砾土等，下伏基岩为灰岩、白云岩、白云质灰岩等。测区地下发育有孔隙潜水、基岩裂隙-溶隙水。

(1)电测深曲线成果分析

在第一类地质条件下，电测深曲线呈H和HA形(见图2)。浅部表现出一定的高电阻值，与覆盖黏土层有关；随着电极距的增加视电阻率值逐渐下降，结合钻孔取芯可知(见图3)，该段地下水位较浅且土石交界面存在溶蚀破碎现象，造成电阻率降低。

图2 第一类地质条件下实测电测深曲线

图3 第一类地质条件下钻孔芯样及柱状图

(2)视电阻率等值线成果分析

第一类地质条件下，注浆前后视电阻率及其差值等值线见图4。由图4(a)可知，断面浅部和深部视电阻率较高，中部存在低阻异常带，经钻孔芯样对比，浅部为黏土覆盖层，中部为溶蚀破碎带，深部为较完整裂隙基岩。由图4(b)可知，注浆后视电阻率值整体上有所提升，且浅部提升较为明显，现场调查发现，检测段落内表层存在已固结的水泥结石体，推测其为浅部视电阻率提升明显的主要原因。

图4 第一类地质条件下注浆前后视电阻率及其差值等值线

3.2 第二类岩溶地层

第二类是覆盖层深度大于20 m，且下伏地层为裂隙灰岩。选定的试验测区的地质概况为：上覆第四系全新统人工填土层、破残积土软土、红黏土、粉质黏土；下伏基岩为白云质灰岩、灰岩和泥质灰岩。地下水主要是岩溶水与基岩裂隙水。岩层溶蚀破碎较严重，溶洞、溶蚀裂隙较发育。

(1)电测深曲线成果分析

在第二类地质条件下，注浆前电测深曲线主要呈A形(见图5)，即电阻率从浅部至深部呈阶梯式递增趋势。注浆后电测深曲线多呈H形，浅部干燥黏土层裂缝被水泥浆液充填，表现为视电阻率值升高。深部视电阻率值相对注浆前有所下降，推测是深部基岩较破碎且呈无裂隙水导致基岩视电阻率背景值比水泥结石体电阻率高，注浆后下部充填有较多水泥浆液，导致基岩深部视电阻率值降低。经过钻孔取芯对比(见图6)，发现浅部黏土层裂隙充填有水泥结石体，基岩段较破碎充填有水泥结石体，进一步验证了上述推测结果。

图5 第二类地质条件下实测电测深曲线

图6 第二类地质条件下钻孔芯样及柱状图

(2)视电阻率等值线成果分析

图7 第二类地质条件下注浆前后视电阻率及其差值等值线

3.3 第三类岩溶地层

第三类是覆盖层深度为10～20 m之间，且下伏地层为伏溶蚀裂隙或溶洞较发育灰岩。选定的试验测区的地质概况为：上覆第四系全新统人工填土层，破残积软土、松软土、红黏土、角砾土与粉质黏土；下伏基岩为灰岩、白云质灰岩和硅质岩。地下水主要是第四系孔隙潜水、岩溶水与基岩裂隙水。岩层溶蚀破碎较严重，溶洞、溶隙、溶缝较发育，岩溶中等-强烈发育。

(1)电测深曲线成果分析

在第三种类型地质条件下，注浆前后电测深曲线大致呈G形(见图8)，中浅部视电阻率值变化平稳，深部视电阻率曲线呈近45°。注浆后,视电阻率值相对注浆前均有一定的提高，浅部地层提升相对明显。结合钻孔芯样对比可知(见图9)，覆盖层为含水量较大的黏土地层，部分地层混有灰色水泥浆液。基岩裂隙较发育，芯样多呈碎石状，可见少量水泥结石体，部分基岩段落发育有黏土全填充小型溶洞。

图8 第三类地质条件下实测电测深曲线

图9 第三类地质条件下钻孔芯样及柱状图

(2)视电阻率等值线成果分析

第三类地质条件下，注浆前后视电阻率及其差值等值线图见图10。由图10(a)可知，注浆前地电断面浅部有低阻区(红色矩形框所示)，中深部视电阻率分布均匀，呈递增趋势。注浆后浅部视电阻率值右侧大幅度较小，整体上看大部分区域视电阻率均有提高，推断为注浆加固引起的电阻率变化。经钻孔芯样对比发现，浅部地层多为湿润黏土层且充填未固结水泥浆液，深部基岩溶蚀破碎发育较严重，芯样多呈碎石或碎块状，可见少量水泥结石体。

图10 第三类地质条件下注浆前后视电阻率及差值等值线

4 定量评价标准建立

随着水泥浆液或其他注浆材料的注入，地层断面电性特征也会发生变化，即视电阻率发生变化。而在实际断面检测时，由于地质条件、注浆材料、地下水和岩层岩性等影响因素，视电阻率变化规律错综复杂，无论是视电阻率如何变化，排除背景值引起的系统变化外，其余均可视为注浆带来的变化。

(2)

式中，n表示同一测线剖面上的测点总数；i为同一条测线上的第i个测点；m表示同一测点上的所设置的极距总数；j为同一测点上第j个极距；ρs1ij为第i个测点第j个极距下注浆前测得视电阻率值；ρs2ij为第i个测点第j个极距下注浆后测得视电阻率值。

从整体结构来说，旧规则包括五方面的内容，而新规则扩充为七方面；从具体条款分析，新规则部分内容进一步充实，其阐释更为详细。

上式将系统误差背景值相对弱化，将电阻率变化转换为无量纲参数比对，结果更直观、客观、准确。相较于视电阻率差值等值线，视电阻率变化率等值线更直观地反映注浆前后电性参数的变化趋势(见图11)，将视电阻率变化值量化方便后期定量分析计算。

图11 三类地质条件下的视电阻率变化率等值线

表1 钻芯芯样和视电阻率平均变化率对比

表2 3种典型地质条件下视电阻率平均变化率与面波、钻孔压水试验结果对比

图12 20个压水试验合格测区的分布

图13 20个压水试验合格测区的分布与正态拟合曲线

电测深法对注浆效果的定量评定建立在注浆前后视电阻率变化的基础上。首先，应对测区的地质条件和岩溶发育情况进行初步了解，这是因为不同的地质条件类型对应不同的视电阻率曲线类型和背景值，注浆前后测区电性会发生一定程度的变化。因此，在注浆之前，需要在测区进行一次电测深检测，在终序注浆后，在测区再进行一次电测深检测。通过对比注浆前后的测试结果进行对比分析，并结合钻孔和其他测试手段进行综合分析。

通过分析发现，由于每个测区的地质条件不同，视电阻率的背景值也有差异，因此进行注浆效果评价时，不宜采用视电阻率变化值作为定量评定标准，视电阻率变化率作为评定标准更能反映注浆前后视电阻率的变化趋势，通过视电阻率变化率等值线可更直观地观测到区域性的注浆加固引起的视电阻率变化相对值。

根据统计结果，在压水试验和瞬态面波法检测结果合格的区段，注浆前后视电阻率平均变化率集中分布在15%～25%区间内，且通过钻孔验证发现，在这些区域可见填充有水泥结石体，达到较好的填充效果。在视电阻率平均变化率较小的测区钻孔验证时，未发现有水泥结石体。

另外，在检测时发现，由于场地、天气、仪器设备和操作人员等因素，检测数据存在一定范围的误差。通过控制变量法试验发现，即使是在同一测点、同一操作人员和同一操作仪器、不同测试时间下，两次测量结果也会有一定的偏差，偏差率在5%以下。

考虑注浆前后地质地形条件的变化，系统误差会更大。因此，可以理解为这些变化是系统的误差而非注浆引起的变化。如果注浆前后的视电阻率平均变化率小于15%时，此时无法区分是系统误差还是注浆引起的变化，不能真正地体现出注浆效果引起的变化，可认为是注浆效果“不明显”。

根据以上分析结果，采用电测深物探方法评价区域性注浆加固效果的初步定量评价标准见表3。电测深法注浆效果定量评定标准采用“明显”“较明显”“不明显”3种等级，其中“明显”和“较明显”可直接判定为合格，当评定等级为“不明显”时，需结合其他物探方法或钻孔压水试验方法，综合确定注浆效果是否满足要求。

表3 电测深法注浆效果评价标准

5 结论

(1)研究了电测深法在岩溶注浆效果检测评定的定量分析问题，提出采用视电阻率平均变化率指标和定量评价标准，以评价电测深法检测低阻岩溶异常。