朱飛飛

(中國鐵路設計集團有限公司 地質勘察設計研究院，天津 300251)

1 引 言

隨著我國“八縱八橫”高速鐵路網的日益完善，作為國民經濟命脈鐵路的工程地質問題也越來越復雜，其中巖溶問題作為一種典型的不良地質問題對鐵路路基、橋基的穩(wěn)定性、承載力和變形產生有重要影響。一般情況下，對巖溶發(fā)育區(qū)，要盡量設法避繞。對于無法避繞的做專項巖溶勘察，并做注漿加固處理。因此精細、高效、穩(wěn)定的巖溶勘察、巖溶注漿加固效果檢測評估手段就顯得尤為重要[1,2]。

巖溶的發(fā)育情況受到巖性、地下水、地質構造等諸多因素的控制，對外表現(xiàn)出極強的不均勻性和各向異性。依靠鉆探只能反映垂向上巖溶發(fā)育情況，很難描述鉆孔周圍橫向上的巖溶發(fā)育情況，且該手段具有較高的時間成本和經濟成本。物探作為一種經濟、高效的手段在巖溶勘察和注漿效果檢測中發(fā)揮著重要作用[4-9]。大量學者研究了巖溶勘察問題，鄧居智等利用探地雷達在某高速公路上進行巖溶探測[10]；朱亞軍等利用高密度電法和瞬變電磁法對武漢江夏區(qū)一新建小區(qū)的地下巖溶進行探測[11]；何禹等利用電磁波CT(Computed Tomography)對山東某鐵礦埋深達300多米的巖溶發(fā)育情況進行探測[12]；苗慶庫等人分別研究了地震CT層析成像技術在京滬線、哈大線等鐵路的地下巖溶的探測問題[13-17]；劉世奇利用地震CT和管波在長昆線進行巖溶勘察[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單一尺度內進行巖溶勘察，單一尺度勢必在方法和原理上具有某些局限性，且很難克服地球物理問題的多解性，同時深基礎橋對巖溶勘察精細程度要求較高，單靠單一尺度的物探勘察難以達到要求，因此建立多尺度的地井聯(lián)合巖溶勘察及注漿加固效果檢測技術成為當前研究熱點。

本文結合前人的研究成果，針對某在建鐵路橋梁框構巖溶勘察及基底注漿效果檢測問題，采用高密度電法和地震CT法的地井聯(lián)合物探勘察技術、注漿加固檢測，以及采用鉆孔取芯和壓水試驗進行分析驗證，以此綜合檢測方案評價注漿質量。

2 方法原理

2.1 巖溶區(qū)域地球物理特征

地下介質的物性差異是進行地球物理勘探的前提條件。地下巖溶發(fā)育后被水或者水、黏土、砂、碎石等的混合物充填，表現(xiàn)為無充填、半充填或全充填。因此其與周圍介質對外表現(xiàn)出強烈的物性差異，即在電阻率、彈性波吸收衰減等的差異。當溶洞被加固的水泥漿液充填凝固后，其與周圍介質物性差異會大幅度減小。具體表現(xiàn)在巖溶發(fā)育區(qū)域電阻率低于125Ω·m、縱波波速低于3 000 m/s，而對于完整灰?guī)r或者是溶洞被加固的水泥漿液，在充滿凝固后，其電阻率將達到200～400 Ω·m，縱波波速將達到4 000～6 000 m/s，基于電性差異地面選取高密度電法、基于縱波差異鉆孔間選取地震CT法對注漿情況進行地井聯(lián)合的綜合檢測[19]。

2.2 高密度電法

高密度電法是以巖體、土體導電性的差異為基礎，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下，地下介質傳導電流分布規(guī)律的一種電法探測方法。因此，它的理論基礎與常規(guī)電阻率法相同，不同的是方法技術。高密度電法野外測量時只需將全部電極布置于觀測剖面的各測點上，然后利用電極轉換裝置和電法儀便可實現(xiàn)數(shù)據的快速采集。圖1為高密度電法測量系統(tǒng)示意圖。相對于常規(guī)電阻率法而言，高密度電法具有測試速度快、數(shù)據量大、成本低、效率高的特點。

圖1 高密度電法測量系統(tǒng)示意圖

2.3 地震CT

地震CT技術又稱為地震層析成像技術，是利用地震波在地下介質中傳播速度的差異，即地震波旅行時的差異對地層彈性波速度進行反演最終獲得地下介質波速分布的方法。該方法可以精細刻畫地下介質的巖溶發(fā)育情況。地震CT技術經過長期的發(fā)展，已成長為較成熟的巖溶勘查方法。

地震CT觀測系統(tǒng)如圖2所示：鉆孔1為激發(fā)孔，鉆孔2為接收孔。其激發(fā)方式為一發(fā)多收，依次提升激發(fā)點位，形成一個密集交叉的射線網絡。然后處理地震記錄獲得地震波走時信息，再通過迭代反演技術獲得速度分布，重建地下介質的二維縱波波速分布，獲取地下介質的二維縱波波速圖像：

圖2 地震CT觀測系統(tǒng)示意圖

(1)

式(1)中，dl是射線路徑長度微分；ti是第i條射線的到達時間；v(x)是速度分布；R(v)是依賴于速度分布的射線路徑?？梢钥闯?，當介質的速度發(fā)生變化時，地震波旅行時也會發(fā)生變化，將式(1)離散化得到：

(2)

其中Si=1/vi,i=1,2,3,…,n

式(2)中，lnm表示第n條射線在第m個單元內的路徑長度；Sm是在第m個單元的慢度;tn是第n條射線的旅行時。

3 應用實例

3.1 工程概況

某新建高速鐵路特大橋里程K0+350～K0+550段落位于湖積平原區(qū)、河流階地區(qū)，地勢平坦開闊，稍有起伏。橋址區(qū)地表水主要為河水、溝渠水、水塘水。地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。橋址區(qū)下伏基巖為二疊系茅口組硅質角礫狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r。據鉆孔揭示，巖石見溶洞、溶槽等。鉆孔見洞率為86.67 %，所揭示溶洞洞高為0.20～53.60 m。溶洞以空洞、半充填及充填形式存在，局部呈串珠狀發(fā)育，溶洞內充填流—軟—硬塑粉質黏土夾角礫，夾少量灰?guī)r碎石及砂巖孤石。該段落基底采用注漿加固處理。

3.2 測線布置與儀器選擇

根據勘查任務，測線點位布置如圖3所示。在K0+350～K0+550段落路線左線布置高密度電法測線一條，記為DP-1。布置地震CT測線兩條，分別為CT-1、CT-2。高密度電法數(shù)據采集使用重慶精凡科技有限公司生產的N2電法儀，為確保成果的信噪比和分辨率且滿足探測深度要求，供電電壓60～420 V，觀測采用施倫貝謝爾裝置，電極距5 m，采集層數(shù)43層，工作電極161根。高密度電法數(shù)據處理利用2DRES軟件，通過原始數(shù)據預處理、有限差分最小二乘反演獲得電阻率剖面。因該區(qū)域巖溶較發(fā)育且深度大，因此對震源的能量有較高的要求。地震CT數(shù)據采集使用美國Geometrics公司生產的Strata Visor NZ地震儀，震源為德國IPG5000高壓儲能電火花震源，檢波器采用國產GH3型高靈敏度24道水聽器，在數(shù)據采集之前已進行震源穩(wěn)定性和水聽器一致性檢測，如圖4所示。初至時間一致、波形一致，震源穩(wěn)定性、水聽器一致性良好，滿足采集要求。本次工作地震CT的跨孔孔距控制在15～20 m范圍內。地震CT數(shù)據處理利用中國鐵路設計集團有限公司研發(fā)軟件——井間巖溶勘探數(shù)據處理系統(tǒng)，先進行初至波拾取，再建立模型進行反演。地震CT原始如圖5所示，初至清晰，數(shù)據質量高。分別在注漿前和一序孔注漿加固后28天進行兩次檢測。

圖3 測線布置示意圖

圖4 震源穩(wěn)定性和水聽器一致性檢測波形

3.3 檢測成果

3.3.1 成果判釋原則

根據檢測任務及規(guī)范要求，成果圖中非可溶巖地層中的低阻、低速區(qū)域通常為巖體風化呈黏土狀或土夾角礫、土夾碎塊狀?？扇軒r地層中電阻率高低劇烈變化界限附近及電阻率相對低值(低于125Ω·m)區(qū)域視為巖溶發(fā)育區(qū)；將彈性波波速低于2 000m/s的區(qū)域劃分為巖溶弱充填，即無充填、半充填或充填物為流塑狀；將波速在2 000～3 000m/s的區(qū)域劃分為巖溶強充填區(qū)域，即全充填且充填物密實。

由于高密度電法和地震CT法在尺度上的差異，本次檢測任務將高密度電法的成果用于巖溶發(fā)育區(qū)域的范圍上探查；將地震CT的成果用于巖溶發(fā)育區(qū)域大小、延展方向和規(guī)模的精細刻畫。

3.3.2 成果分析

圖6為注漿前高密度電法的檢測成果，從圖6中可以看出，在里程K0+355～K0+530，高程-10～-80 m范圍內存在一條由淺到深的條帶狀相對低阻區(qū)域，推斷該區(qū)域巖溶發(fā)育；對高密度電法異常區(qū)域進行鉆孔間地震CT的精細探查，成果如圖8、圖10所示，從圖中可以看出該區(qū)域存在大量的分布不均的相對低速區(qū)域。通過注漿前的地井聯(lián)合物探檢測結果可以推斷，該區(qū)域地下巖溶發(fā)育。

圖6 注漿前高密度電法成果

圖7 注漿后高密度電法成果

圖8～圖11為CT-1和CT-2注漿前后地震CT成果圖。從圖7中可以看出注漿前存在的相對低阻區(qū)域有所收斂(低阻區(qū)域收斂為里程K0+375～K0+490、高程-10～-50 m，面積已大范圍減小)，但是低阻異常仍然存在。在此區(qū)域內進行鉆孔間地震CT法檢測，檢測成果如圖9、圖11所示，從圖8、圖10的檢測成果中可以看出，相對低速的區(qū)域已經大范圍減小，局部仍然存在低速異常，低速異常區(qū)域統(tǒng)計表見表1。

圖8 CT-1測線注漿前地震CT成果

圖9 CT-1測線注漿后地震CT成果

圖10 CT-2測線注漿前地震CT成果

圖11 CT-2測線注漿后地震CT成果

表1 異常區(qū)域

通過地面物探高密度電法探查注漿前后巖溶發(fā)育范圍，再針對電阻率異常區(qū)域采用井中物探手段地震CT法進行巖溶的精細刻畫，經過地井聯(lián)合物探技術的檢測可以說明注漿后該區(qū)域的溶洞已經大范圍減少，該橋址基礎的強度有一定程度的提升，但是局部仍然存在異常區(qū)域。

3.4 鉆孔取芯和壓水試驗驗證

對于局部仍存在異常區(qū)域，為確保檢測成果的可靠性，進一步采用鉆孔取芯和壓水試驗進行驗證。鉆孔取芯獲取異常區(qū)域巖體的芯樣，觀察是否存在漿液痕跡和漿液凝固體；壓水試驗為采用加壓設備將水通過一定壓力壓入鉆孔內，并且通過封堵設備將帶有壓力的水封堵在某一深度范圍內，通過測量在一定壓力下的注水量，即可獲得地層的透水率。壓水試驗是否合格的評判標準為：注漿后的透水率小于注漿前透水率的十分之一[20]。已知注漿前該區(qū)域平均透水率為89.5Lu，只要注漿后透水率小于8.95Lu，即可說明壓水試驗合格。

根據注漿后高密度電法和地震CT綜合檢測成果，提出4個檢查孔孔位，如圖12所示。Z1、Z2、Z3為檢測不合格的檢查孔，Z4為檢測合格的檢查孔。

圖12 驗證孔示意圖

取芯驗證的結果如圖13所示。

圖13 鉆孔取芯芯樣

從鉆孔取芯芯樣可看出Z1孔部分溶腔中已壓入了水泥漿，Z2孔局部空洞區(qū)已形成了水泥柱，但三個檢測異常區(qū)域的驗證孔仍然存在水泥漿灌注不密實、仍為空洞的區(qū)域，個別溶腔注漿滲透效果不明顯，仍然為半—全充填黏土，鉆取的芯樣中未發(fā)現(xiàn)明顯漿液痕跡。Z4孔能看到明顯的水泥柱及漿液痕跡。壓水試驗的檢測結果如表2所示，通過壓水試驗僅Z4孔滿足要求，其他均不符合要求。取芯和壓水試驗的驗證與檢測結論保持一致，對于局部仍然存在相對軟弱的區(qū)域，部分為全充填溶洞，漿液難以注進去，需再一次加壓進行二序孔注漿。

表2 壓水試驗結果

4 結 論

針對巖溶勘察及注漿效果檢測的地井聯(lián)合高密度電法和地震CT法技術，可應用于鐵路橋址基礎的巖溶勘察和巖溶注漿加固效果檢測，得到以下結論：

1)本次研究首先采用地面物探手段高密度電法對地下巖溶發(fā)育情況進行普查，然后結合電阻率異常，利用井中物探手段地震CT法進行巖溶發(fā)育情況的精細刻畫，建立地井聯(lián)合的物探檢測技術。在得到物探成果后，利用鉆孔取芯和壓水試驗進行物探檢測成果檢驗。結果表明，該技術具有可行性，取得的成果可靠。

2)高密度電法作為地面物探手段，可以快速獲取地下電阻率分布情況，準確地進行地層和異常區(qū)域的劃分。在工程勘察，特別是巖溶勘察中具有廣闊的應用前景。

3)地震CT技術具有精準刻畫巖溶發(fā)育程度、溶洞大小、延展方向的能力。其解釋剖面不僅包括測線上的巖溶發(fā)育情況，還包括測線附近投影到測線上的巖溶發(fā)育情況。該方法可以準確判斷巖溶的發(fā)育情況。

4)高密度電法和地震CT法的地井聯(lián)合檢測巖溶注漿加固質量的模式可以克服單一物探尺度的局限性和地球物理問題的多解性，在巖溶勘察和巖溶注漿加固檢測中具有很強的優(yōu)勢。對類似巖溶勘察和注漿加固檢測工作具有示范和指導作用。