單孔波速法和超聲波法在復(fù)雜巖性地段對(duì)注漿質(zhì)量的檢測(cè)

付剛飛，劉 峰

（1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；2.華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)，河北 廊坊 065201）

0 引 言

烏魯木齊繞城高速（東線(xiàn)）是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，該路線(xiàn)經(jīng)過(guò)的部分地段地質(zhì)條件復(fù)雜。為保證施工技術(shù)質(zhì)量，在地質(zhì)條件復(fù)雜的地段開(kāi)展治理技術(shù)研究，其中，施工區(qū)與注漿工程有關(guān)的主要巖層為卵石層、強(qiáng)風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化煤層以及中風(fēng)化基巖等4種，類(lèi)型多樣，為注漿治理帶來(lái)很大難度。本文針對(duì)項(xiàng)目地質(zhì)特征，應(yīng)用單孔波速法和超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行研究。

1 單孔波速法的原理與檢測(cè)方法

1.1 單孔波速法概述

PS測(cè)井是P波（縱波）、S波（橫波）速度測(cè)井的簡(jiǎn)稱(chēng)，亦稱(chēng)波速檢層，屬原位測(cè)試工作。PS測(cè)井能可靠地測(cè)定地層縱向的縱波和橫波速度，進(jìn)而計(jì)算出各種土層或巖層的泊松比、剪切模量、揚(yáng)氏模量E、體積模量K、拉梅常數(shù)、風(fēng)化數(shù)Kv、巖石完整性系數(shù)Cm、巖體波速v0等多種巖土力學(xué)動(dòng)測(cè)參數(shù)，為場(chǎng)地的地震效應(yīng)評(píng)價(jià)及地面工程地質(zhì)勘察提供必要的巖石物性參數(shù)和標(biāo)定參數(shù)，亦可用于檢驗(yàn)巖土加固與改良效果，因而被廣泛用于解決工程勘探及水文勘探中所面臨的地質(zhì)問(wèn)題［1-4］。另外，PS測(cè)井可以原位測(cè)定P波和S波的波速，避免由于測(cè)定環(huán)境變化所帶來(lái)的偏差。PS測(cè)井分單孔法和跨孔法2種，工程上一般采用單孔法。

1.2 單孔波速法的設(shè)備與工作原理

1.2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所生產(chǎn)的Miniseis24型綜合工程探測(cè)儀（圖1），其主要性能為：采用12道或24道可選數(shù)字地震儀，具有信號(hào)增強(qiáng)、延時(shí)、內(nèi)外觸發(fā)、前置放大、濾波、數(shù)字采集等功能；采樣率可選，最小采樣間隔為0.01ms；記錄長(zhǎng)度不小于1 024點(diǎn)且可選；有1個(gè)發(fā)射通道和2個(gè)接受通道；采用三分量檢波器；通頻帶為2Hz～2 000kHz；放大內(nèi)部噪音不大于1μV。

圖1 Miniseis24型綜合工程探測(cè)儀

1.2.2 試驗(yàn)過(guò)程及步驟

試驗(yàn)采用錘擊法：將激振板放在離孔口約3m處的地面，并保持兩者之間接觸良好；用錘敲擊激振板，使地層產(chǎn)生震動(dòng)，接受信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主要步驟如下。

（1）平整場(chǎng)地，使激震板離孔口的水平距離約3m。

（2）接通電源，在地面檢查測(cè)試儀正常后即可進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）把三分量檢波器放入孔內(nèi)預(yù)定深度，在地面用氣筒充氣，膠囊膨脹使三分量檢波器緊貼孔壁。

（4）用鐵錘敲擊激振板，地表產(chǎn)生縱波經(jīng)地層傳播，由孔內(nèi)三分量檢波器的水平檢波器接收波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電纜送入儀器放大并記錄；然后反向敲擊，至獲得3次清晰波形時(shí)為止，該測(cè)試點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)束。

（5）膠囊放氣，把孔內(nèi)三分量檢波器放到下一測(cè)試點(diǎn)的深度，重復(fù)上述步驟。

（6）整個(gè)鉆孔測(cè)試完后，檢查野外測(cè)試記錄是否完整，并測(cè)定孔內(nèi)水位。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

波速測(cè)試采用單孔法，如圖2所示。

圖2 波速測(cè)試計(jì)算

O為孔口，dx為激振板中心到孔口的距離。第i測(cè)試點(diǎn)至第i-1測(cè)試點(diǎn)的波速

式中：dh為第i點(diǎn)至第i-1點(diǎn)的地層厚度；ti、ti-l為第i點(diǎn)和第i-1點(diǎn)Vi的走時(shí)；αi、αi-1分別為激振源A到第i點(diǎn)和第i-1點(diǎn)的連線(xiàn)與井軸線(xiàn)的夾角。

單孔法的優(yōu)點(diǎn)是：直接對(duì)地層測(cè)試，結(jié)果相對(duì)精確且不需要任何場(chǎng)地（只要能成孔），不同的巖性有不同的波速值來(lái)判斷采空區(qū)的充填效果，測(cè)試簡(jiǎn)單便捷；缺點(diǎn)是需要鉆孔，一般情況下當(dāng)勘測(cè)場(chǎng)地有其他鉆孔時(shí)，可適時(shí)選用勘探鉆孔進(jìn)行單孔波測(cè)試。

2 鉆孔超聲波法的原理與方法

2.1 鉆孔超聲波法概述

巖石中聲波的傳播特征是巖石物理性態(tài)的反映，巖石介質(zhì)內(nèi)的聲速越高，反映出巖石越致密堅(jiān)硬或裂隙較少，風(fēng)化程度微弱，巖性較好，反之亦然。注漿技術(shù)正是充填空洞裂隙斷裂等的一種有效手段。由于漿液的注入，原巖體的空隙被充塞，漿液的凝膠、固結(jié)將原來(lái)破碎（不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面）的巖體膠結(jié)為較完整的巖體。注漿改變了原巖體的力學(xué)性態(tài)及其自身的結(jié)構(gòu)，故注漿后巖體的聲速一般應(yīng)比注漿前有明顯的提高；其次，因巖體常處于地下水和氣體的包圍中，注漿后巖體裂隙中的水或其他充填物將被水泥結(jié)石體所替代，巖石密度和強(qiáng)度都將提高，其聲速值也相應(yīng)增大，因此根據(jù)超聲波檢測(cè)巖體注漿前后聲學(xué)參數(shù)值的對(duì)比，便可評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量的優(yōu)劣［5-8］。

2.2 鉆孔超聲波法的設(shè)備與工作原理

（1）試驗(yàn)儀器設(shè)備。試驗(yàn)采用武漢中巖有限公司生產(chǎn)的SR-RCT松動(dòng)圈測(cè)井儀（圖3），其主要性能為：采樣間隔為0.1～200μs；接收靈敏度大于30；記錄長(zhǎng)度為0.5～1k；發(fā)射電壓500V或1 000 V可選；有1個(gè)發(fā)射通道和2個(gè)接受通道；一次提升測(cè)試2個(gè)剖面，發(fā)射脈寬為0.1～100μs可調(diào)；頻帶寬度為300～500Hz。

圖3 SR-RCT松動(dòng)圈測(cè)井儀

（2）試驗(yàn)過(guò)程。把儀器的絞車(chē)置于成孔，使超聲波發(fā)射兼接收探頭對(duì)準(zhǔn)鉆孔的中心，在探頭沿鉆孔中心線(xiàn)下降的過(guò)程中，脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一系列電脈沖加在發(fā)射換能器的壓電體上，壓電體將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖并發(fā)射，超聲波脈沖穿過(guò)鉆孔側(cè)壁后部分被反射回來(lái)并為接收器所接收。依據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱和反射時(shí)間差，操作儀在打印紙上實(shí)時(shí)打印出曲線(xiàn)，根據(jù)圖像即可對(duì)鉆孔成孔質(zhì)量進(jìn)行直觀判斷［9-12］。

（3）數(shù)據(jù)處理。鉆孔內(nèi)采用一發(fā)雙收裝置，利用聲波在一定距離沿鉆孔壁巖體滑行的時(shí)間來(lái)測(cè)定巖體的聲波速度，根據(jù)發(fā)射器到2個(gè)接收換能器的縱波初到時(shí)間Tp1、Tp2及2個(gè)接收換能器間距L，即可獲得鉆孔壁附近巖體的縱波速度

采空區(qū)注漿后受注層平均剪切波速（橫波）的確定參照現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）關(guān)于剪切波速劃分場(chǎng)地土類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)，注漿后的采空區(qū)相當(dāng)于中硬土。由《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG／T D31-03—2011）可知，介質(zhì)的縱波波速與橫波波速（Vs）之比與介質(zhì)的泊松比有關(guān)，縱波與橫波的關(guān)系式為

由于采空區(qū)測(cè)井設(shè)備大部分測(cè)試的是縱波數(shù)據(jù)，而規(guī)范中規(guī)定的是橫波值，因此需要進(jìn)行縱橫波換算。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)巖土體縱波波速，通過(guò)縱波波速與1.73的關(guān)系計(jì)算橫波波速并作為參考值，即質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為縱波波速Vp＞432.5m·s-1。

3 注漿工程質(zhì)量檢測(cè)成果分析

3.1 單孔波波速測(cè)試

鉆孔內(nèi)測(cè)試點(diǎn)有28個(gè)，采樣間隔1.0m，其中背景值測(cè)試孔3個(gè)、注漿后檢測(cè)孔16個(gè)。選取4個(gè)典型鉆孔，特征如圖4～7所示。

從圖4～7可以看出：在ZK15檢測(cè)孔，卵石層單孔法平均橫波波速為422m·s-1；在ZK17檢測(cè)孔，卵石層單孔法平均橫波波速為435m·s-1；ZK18檢測(cè)孔，卵石層單孔法平均橫波波速為422 m·s-1；在ZK19檢測(cè)孔，卵石層單孔法平均橫波波速為412m·s-1。

圖4 ZK15孔單孔波速測(cè)試結(jié)果

3.2 鉆孔超聲波檢測(cè)

鉆孔內(nèi)測(cè)試點(diǎn)有28個(gè)，采樣間隔為0.5m，其中背景值測(cè)試孔3個(gè)，注漿后檢測(cè)孔16個(gè)。選取4個(gè)典型鉆孔，特征如圖8～11所示。

圖5 ZK17孔單孔波速測(cè)試結(jié)果

圖6 ZK18孔單孔波速測(cè)試結(jié)果

圖7 ZK19孔單孔波速測(cè)試結(jié)果

圖8 ZK15孔超聲波測(cè)試結(jié)果

從圖8～11可以看出：ZK15孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 702m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 562m·s-1；煤層平均超聲波縱波速為2 352m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 360 m·s-1；中風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 857m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 651m·s-1。ZK17孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 745m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 587m·s-1；煤層平均超聲波縱波速為2 358m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 363m·s-1；中風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 861m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 654m·s-1。ZK18孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 650m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 532m·s-1；中風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 863m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 655 m·s-1。ZK19孔強(qiáng)風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 659m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 537 m·s-1；強(qiáng)風(fēng)化煤層平均超聲波縱波速為2 357 m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 362m·s-1；中風(fēng)化基巖平均超聲波縱波速為2 900m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 676m·s-1。

圖9 ZK17孔超聲波測(cè)試結(jié)果

圖10 ZK18孔超聲波測(cè)試結(jié)果

3.3 鉆孔波速檢測(cè)成果與分析

根據(jù)檢測(cè)情況，背景值孔和檢測(cè)孔檢測(cè)結(jié)果列于表1、2。

本次檢測(cè)主要針對(duì)基巖地層，但在檢測(cè)過(guò)程中測(cè)得雜填土的橫波波速平均值為246m·s-1，粉土層的橫波波速平均值為228m·s-1，卵石層的橫波波速平均值為367m·s-1。通過(guò)背景值與注漿后檢測(cè)值的對(duì)比，卵石層的橫波波速平均值為437 m·s-1，橫波波速增長(zhǎng)了70m·s-1，提高比率為19.1%。注漿后強(qiáng)風(fēng)化基巖層縱波波速增長(zhǎng)了296m·s-1，橫波波速增長(zhǎng)了171m·s-1，提高比率為12.5%；煤層縱波波速增長(zhǎng)了449m·s-1，橫波波速增長(zhǎng)259m·s-1，提高比率為23.6%；中風(fēng)化基巖層縱波波速增長(zhǎng)了163m·s-1，橫波波速增長(zhǎng)了94m·s-1，提高比率為6.0%；巖體的橫波波速大于250.0m·s-1，表明注漿后巖土體橫波波速有所提高，密實(shí)度得到提升。

圖11 ZK19孔超聲波測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

為了檢測(cè)注漿工程的效果以及測(cè)試方法的適用性，對(duì)注漿前后非注漿區(qū)（非采空塌陷段）進(jìn)行了全孔測(cè)試，并按照巖性分段、分類(lèi)進(jìn)行波速統(tǒng)計(jì)對(duì)比，以獲取良好的背景資料［13-15］。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉆孔內(nèi)單孔波速與超聲波速測(cè)試，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)采空區(qū)注漿工程的質(zhì)量。

單孔法波速檢測(cè)主要針對(duì)淺層巖土層，在本次檢測(cè)中主要檢測(cè)第四系松散物。第四系卵石層注漿前橫波平均波速為343m·s-1，注漿后橫波平均波速為401m·s-1，增長(zhǎng)了58m·s-1，提高比率為17.0%。注漿工程對(duì)卵石層有一定的影響，由于卵石層相對(duì)穩(wěn)定，空隙以及裂隙不發(fā)育，注漿前后波速變化不大，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

超聲波波速檢測(cè)主要針對(duì)深層巖土層，在本次檢測(cè)中主要以強(qiáng)風(fēng)化煤層檢測(cè)為主，其次為強(qiáng)風(fēng)化基巖與中風(fēng)化基巖。

（1）煤層注漿前橫波平均波速為1 197m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 451m·s-1，增長(zhǎng)了254 m·s-1，提高比率為21.2%。由于煤層是受注層，空洞、裂隙發(fā)育，水泥粉煤灰結(jié)石體多，注漿前后波速變化大，兩者差值為254m·s-1，處理前后波速比為1∶1.11，注漿效果明顯。

表1 鉆孔波速檢測(cè)結(jié)果

（2）強(qiáng)風(fēng)化基巖注漿前橫波平均波速為1 383 m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 535m·s-1，增長(zhǎng)了152m·s-1，提高比率為11.0%。由于強(qiáng)風(fēng)化基巖大多位于煤層之上，裂隙發(fā)育，水泥粉煤灰結(jié)石體較多，注漿前后波速變化較大，兩者差值為152m·s-1，處理前后波速比為1∶1.11，注漿對(duì)該巖層影響較大，注漿效果較好。

表2 超聲波檢測(cè)成果

（3）中風(fēng)化基巖注漿前橫波平均波速為1 567 m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 707m·s-1，增長(zhǎng)140m·s-1，提高比率為8.9%。由于中風(fēng)化基巖大多位于煤層之下，裂隙不發(fā)育，水泥粉煤灰結(jié)石體較少，相對(duì)于其他2個(gè)巖層，注漿前后波速變化不大，兩者差值為140m·s-1，處理前后波速比為1∶1.09，注漿有一定的效果。