綜合評定法在西南地區(qū)鐵路巖溶路基注漿質(zhì)量檢測的應用

楊 峰，劉曉甲，李鵬博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 引 言

我國幅員遼闊，喀斯特地貌分布廣泛，在巖溶發(fā)育地區(qū)修建鐵路不僅增加了修建難度及費用，而且對鐵路運營安全造成了極大的安全隱患[1-4]。探測發(fā)現(xiàn)隱伏巖溶并對地下巖溶進行注漿整治[5-8]，處理后采取一定的手段進行注漿效果評價[9-11]，對于鐵路建設安全運營具有重要的作用，但目前還沒發(fā)現(xiàn)哪一種方法能夠完美地解決這個問題，單一的檢測方法具有一定的局限性。鉆孔取芯能直觀地觀察水泥結(jié)實體充填情況，但由于地下介質(zhì)具有各項異性和不均勻性，而且注入的水泥漿液無法確定滲透方向和注入量[12]，加上一般鉆探過程中均伴隨有水和振動，芯樣上面的注漿痕跡或注漿結(jié)實體[13]很可能在鉆進過程中被沖洗掉，所以鉆孔取芯法具有一定的局限性和偶然性。壓水試驗法能夠直接測定巖層的滲透率，是最直接的方法，但目前鐵路上巖溶注漿加固路基壓水試驗檢測還沒有統(tǒng)一的規(guī)程及定量標準，現(xiàn)行采用的評判標準比值法還具有一定的局限性，需進一步研究。電測深法是根據(jù)地下介質(zhì)的電性差異進行檢測，在電性差異明顯的地段效果較好，如溶洞、溶蝕破碎帶等強烈發(fā)育的地方，通過對注漿前后電測深剖面進行對比分析，能夠定性判別注漿充填效果，但在電性差異不顯著的地段效果較差。瞬態(tài)瑞雷面波法[14]為地震法，通過檢波器接收大錘激發(fā)產(chǎn)生的橫波，從而測定地下介質(zhì)的面波速度，能夠定量評價路基巖溶的注漿效果。筆者結(jié)合成貴鐵路巖溶路基檢測的工作經(jīng)驗，采用瞬態(tài)瑞雷面波法、電測深法、鉆孔取芯及壓水試驗綜合方法[15,16]對成貴鐵路工程實例進行綜合評定[17]，達到了檢測目的，可靠性較高，可為同類工程提供參考。

2 巖溶塌陷成因分析

現(xiàn)階段巖溶地面塌陷成因[18]的研究認為，覆蓋型巖溶地面塌陷以土體潛蝕-崩解-運移為主要成因類型，巖溶地面塌陷一般具有三個基本條件，分別是塌陷物質(zhì)、塌陷與儲運通道、塌陷動力。在巖溶發(fā)育地區(qū)修建鐵路，修建過程中如不對隱伏巖溶[19]進行相應處理，運營過程中通過軌道不斷給地面提供動力，塌陷物質(zhì)通過儲運通道不斷轉(zhuǎn)移，形成一個個溶隙和溶縫，日積月累便會形成溶洞、地面塌陷等地質(zhì)災害，給鐵路運營造成嚴重的隱患。目前鐵路上巖溶路基整治的目的是阻隔地表水與地下水之間的水力聯(lián)系[20]，封堵儲運通道。

3 方法原理

3.1 瞬態(tài)瑞雷面波法

瞬態(tài)瑞雷面波法主要利用地下介質(zhì)的彈性差異，通過人工激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在到達速度或密度不同的介質(zhì)交界面上時，會產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象，同時產(chǎn)生瑞雷面波，通過對接收反射回來的彈性波處理分析，從而探明地下介質(zhì)的分布特征。瞬態(tài)瑞雷面波勘探主要是利用了瑞雷波的頻散特性及速度。

瞬態(tài)瑞雷面波法檢測巖溶路基，原理為采用大錘激發(fā)產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊力作震源，表面介質(zhì)在脈沖作用下產(chǎn)生一系列諧波，被檢波器所接收，同時被儀器記錄下來，通過對采集的信號進行分析，提取瑞雷面波速度及頻散取芯，進而對巖溶路基進行評價。瞬態(tài)瑞雷面波原理見圖1。

圖1 瞬態(tài)瑞雷面波法原理Fig.1 Schematic diagram of transient Rayleigh surface wave method

瞬態(tài)瑞雷面波檢測激振點和檢波器通常排列在一條直線上，即縱向觀測系統(tǒng)，如圖2所示，M點為檢測點，檢波器之間的間距為ΔX(單位：m)，ΔX與探測任務相關(guān)，探測深度越大，ΔX也相應越大。

圖2 瞬態(tài)瑞雷面波法排列布置Fig.2 The arrangement of transient Rayleigh surface wave method

3.2 電測深法

電測深即電阻率測深，原理為通過逐次加大供電電極AB極距的大小，測量同—點(即測量電極MN極的中點)不同深度處的視電阻率ρs值，從而定性分析地下介質(zhì)的特征，通過移動排列，測量不同測點地下視電阻率值，經(jīng)過處理分析，形成擬縱斷面圖與注漿前成果圖進行對比分析，判定巖溶路基注漿質(zhì)量。供電電極AB極距小時，電流分布淺，主要測量為淺層介質(zhì)視電阻率，通過逐次加大AB極距來測量更深地層介質(zhì)的視電阻率，一般AB極距越大，測量深度越深，AB極距大小主要根據(jù)探測任務進行確定。

實際采集中采用對稱四極排列，蓄電池箱通過供電電極插入地面給地下供電，通過測量電極接收流經(jīng)介質(zhì)后的電流，測量地面的電位差ΔU、電流I等電學參數(shù)，利用式(1)即可得到視電阻率：

(1)

式中,K為與裝置有關(guān)的參數(shù)；ΔU為電位差，單位為V；I為電流，單位為A；ρs為視電阻率，單位為Ω·m。

對稱四極排列裝置示意圖如圖3所示，由供電電極A、B及測量電極M、N四個電極組成，MN的中點O為測量點。

圖3 對稱四極裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of symmetrical quadrupole device

3.3 鉆孔取芯法

通過在指定位置布置鉆機，鉆取地下一定深度范圍的芯樣，通過對芯樣的觀察，檢測地下巖層巖溶發(fā)育及注漿情況。

3.4 壓水試驗法

壓水試驗通過動力設備將水以一定的水壓壓入鉆孔中，采用封孔設備將水封堵在地下一定深度的壓水試驗段內(nèi)，通過測量一定壓力下注入鉆孔內(nèi)的水流量，獲得地層的滲透率。而地層滲透率與透水率[21]q之間為正相關(guān)關(guān)系，通過分析巖層透水率，從而對地層的注漿效果進行評價。

透水率q，由式(2)確定：

(2)

式中，q為透水率，Lu；L為試段長度，m；Q為壓水流量，L/min；P為壓水壓力，MPa。

4 測線布置原則及評定依據(jù)

4.1 測點布置原則

瞬態(tài)瑞雷面波法：隨機選取，均勻分布，嚴格控制重點區(qū)域，在注漿孔兩側(cè)各布置一個測點。

電測深法：優(yōu)先選取巖溶強烈發(fā)育區(qū)域，在注漿孔兩側(cè)各布置一個測點，其余測點均勻分布在全區(qū)域。

鉆孔取芯及壓水試驗：選取一定比例物探法異常區(qū)域進行鉆探驗證，其余孔位進行均勻布置。

4.2 數(shù)據(jù)采集及處理

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

1)瑞雷面波法：采用縱測線觀測系統(tǒng)，激發(fā)點至記錄點之間的距離與探測任務相關(guān)，一般排列長度與探測深度相當，激發(fā)震源采用大錘敲擊鋼板進行激發(fā)，檢波器接收信號并記錄在儀器中，形成單炮記錄文件。

2)電測深法：采用對稱四級裝置。測區(qū)ABmax=100 m，ABmin=2 m；(AB/3) m級裝置。布極線方向基本沿測線方向，實際現(xiàn)場條件不允許時可垂直測線方向布置。

3)鉆孔取芯：按照《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中鉆探要求進行取樣。鉆孔時均勻鉆進，靠近溶洞頂板時應緩慢施工，有條件時最好采用雙套管鉆進。

4)壓水試驗：安裝壓水試驗設備，向鉆孔內(nèi)壓水，調(diào)整調(diào)節(jié)閥，使試段壓力達到一定值,并保持穩(wěn)定。觀測水表流量，每間隔1～2 min觀測1次，連續(xù)觀測5次，當流量無持續(xù)增大趨勢，且5次流量讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的十分之一，或最大值與最小值之差小于1 L/min時，本階段試驗結(jié)束，最后取0.5 MPa壓力下的計算值作為該孔透水率值。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

瑞雷面波法：原始數(shù)據(jù)——提取面波信號——從頻率(F)-波數(shù)(K)域中提取特征信號——譜分析及相關(guān)計算。

電測深法：格式轉(zhuǎn)換——預處理(轉(zhuǎn)折點、畸變點處理)——繪制ρs曲線類型圖、ρs斷面圖。

鉆孔取芯：現(xiàn)場對芯樣進行記錄和標記，并拍攝照片留存。

壓水試驗：準備→洗孔→下止?jié){塞(試段隔離)→水位觀測→試驗性壓水→壓水觀測(穩(wěn)定壓力及流量)→計算。

4.3 評定依據(jù)

1)瑞雷面波法：

其中，VS為橫波速度，單位為m/s；H為深度，單位為m。

將根據(jù)瑞雷面波曲線分析出的瑞雷波速度與上述公式中計算出相應位置與深度處的VS值相比較。若瑞雷波速度小于上述公式中計算出相應位置與深度處的VS值，那么注漿效果較差，不能滿足設計的要求，需要繼續(xù)注漿加固。若瑞雷波速度不小于上述公式中計算出相應位置與深度處的VS值，那么注漿效果較好，能滿足設計的要求。

2)電測深法：與注漿前電測深異常進行對比分析，檢測段落整治范圍內(nèi)無明顯異常。

3)鉆孔取芯：所取巖芯可見多處注漿水泥結(jié)石體，可見縫隙基本填滿。

4)壓水試驗：注漿后透水率小于注漿施工前的十分之一。

5 工程實例

5.1 工程地質(zhì)概況

某里程段巖溶路基的設計段落長度為78.148 m，總注漿加固孔數(shù)為96孔，屬云貴高原溶蝕低山丘陵地貌。路基段工程地質(zhì)特征：上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積之紅黏土(弱膨脹土),下伏二疊系下統(tǒng)梁山組和棲霞組白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖、頁巖夾雞窩狀煤和石炭系下統(tǒng)大塘組和擺佐組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。據(jù)物探資料及地表調(diào)查揭示，其下伏基巖中巖溶強烈發(fā)育，溶洞(物探揭示土石界面開口型溶洞)、溶隙、溶縫、溶蝕破碎帶發(fā)育，地下水發(fā)育且水位可在土巖界面波動。注漿孔的土巖分層情況：注漿孔均為鉆至基巖面以下5 m，土層0～5.2 m，巖層5.2～32.1 m。

表1 地層物性參數(shù)

5.2 工區(qū)地球物理特征

工區(qū)內(nèi)主要地層巖性為紅黏土、白云質(zhì)灰?guī)r。搜集資料顯示，工區(qū)內(nèi)0～5.2 m一般為紅黏土，下伏基巖以灰?guī)r為主，基巖上部強風化較破碎，深部則較為完整。通過場地試驗工作，各地層物性參數(shù)見表2。

表2 瞬態(tài)瑞雷面波部分檢測結(jié)果

5.3 測線布置

測線測點位置如圖4所示，圖中虛線為電測深布線位置，瞬態(tài)瑞雷面波測點圖中未做標注，鉆孔位置見圖中圓圈所畫位置，本圖僅將文中用到的鉆孔位置標注出來。

圖4 測線位置Fig.4 Location of survey lines

5.4 數(shù)據(jù)采集及處理過程中關(guān)鍵點

1)瞬態(tài)面波檢測過程中人、車輛禁止移動，現(xiàn)場振動；

2)電測深法檢測最好不要選在剛下過雨不久的時間工作，工作中碰到工區(qū)內(nèi)存在的接地電阻偏高時，電極接地方式可采用環(huán)形并聯(lián)，同時澆注大量飽和鹽水，以降低接地電阻；

3)壓水試驗采用的水務必為清水，壓水試驗施做之前要先清孔幾分鐘；

4)采用球形止水塞時為防止封孔效果不好，可在球形止水塞上纏繞干海帶；

5)室內(nèi)處理瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)時，注意瑞雷面波速度需轉(zhuǎn)化為橫波速度后再與經(jīng)公式計算的數(shù)值進行比較；

6)電測深法數(shù)據(jù)處理前，首先對電測深曲線轉(zhuǎn)折點、畸變點進行處理。

5.5 檢測方法

5.5.1 瞬態(tài)瑞雷面波法

采用的儀器設備為Geopen Miniseis24工程檢測儀，配套的有4.5Hz低頻檢波器12個、電纜及鐵錘，前期現(xiàn)場測試效果，選用道間距2 m，炮間距3 m。本段共計檢測兩次，初測中D3K501+848.75(0)、D3K501+847.5(2.5) 異常深度為8～12 m左右，D3K501+858(0)、D3K501+861.5(0)、D3K501+844(2.5)、D3K501+851(2.5)、D3K501+858(2.5) 異常深度為10～18 m左右，不合格面波部分圖像見圖5，檢測瑞雷面波速度值低于規(guī)定值，推測可能存在注漿不均勻、不到位情況，部分檢測結(jié)果見表2。經(jīng)處理后檢測點瑞雷面波速度值均不低于規(guī)定值，復測合格。

圖5 不合格測點圖像Fig.5 Image of unqualified measuring point

5.5.2 電測深法

采用的儀器設備為WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀，配套的4根電極及若干電纜線。本段共計檢測兩次，電測深初測擬縱斷面圖見圖6、圖7。

圖6 D3K501+826～D3K501+882.997左中線偏左、偏右1 m處電測深擬縱斷面Fig.6 Pseudo profile of electrical sounding at 1 m along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

圖7 D3K501+826～D3K501+882.997左中線偏右1.5 m及偏右3.5 m處電測深擬縱斷面Fig.7 Pseudo profile of electrical sounding at 1.5 m and 3.5 m right along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

橫向上對比各電測深曲線類型圖可看出,個別注漿孔位置存在低阻異常，具體為D3K501+848.75(middle)、D3K501+847.5(right2.5)、D3K501+858(middle)、D3K501+861.5(middle)、D3K501+844(right2.5)、D3K501+851(right2.5)、D3K501+858(right2.5)。

經(jīng)注漿處理后進行復測，復測擬縱斷面圖見圖8、圖9。

圖8 D3K501+826～D3K501+882.997左中線偏左、偏右1 m處電測深擬縱斷面Fig.8 Pseudo profile of electrical sounding at 1 m along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

圖9 D3K501+826～D3K501+882.997左中線偏右1.5 m、偏右3.5 m處電測深擬縱斷面Fig.9 Pseudo profile of electrical sounding at 1.5 m and 3.5 m rignt along the middle line of D3K501+826～D3K501+882.997

縱向上，表層為粉質(zhì)黏土，中、下部為注漿后基巖。注漿孔位置視電阻率橫向上整體來看各層均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯物探異常，相對初測電阻率有明顯提高，復測合格。

5.5.3 鉆孔取芯及壓水試驗法

采用XY-1型鉆機進行鉆探，金剛石鉆頭，鉆頭直徑Φ91 mm，壓水試驗采用的設備為球形止水塞(與鉆孔直徑一致)及橡膠隔墊、流量表及壓力表。

該段共完成四次鉆芯壓水檢測，合計鉆孔12個，壓水試驗檢測12個，選取一定數(shù)量的鉆孔位置為物探異常區(qū)域，其余孔位均勻分布至注漿區(qū)域。四次鉆探部分芯樣照片如下：

第一次檢測部分芯樣照片：

孔號ZK3位置D3K501+861右中線孔深/m21.7漿液擴散情況未見明顯注漿擴散痕跡芯樣照片芯樣描述0.0～3.3 m砼;3.3～5.6 m灰?guī)r,較完整;5.6～8.2 m溶洞,全充填黏土;8.2～9.1 m灰?guī)r,較完整;9.1～12.8 m溶洞,全充填黏土;12.8～14.2 m灰?guī)r,較完整;14.2～16.2 m溶洞,全充填黏土;16.2～21.7 m灰?guī)r,較完整。

第二次檢測部分芯樣照片：

孔號ZK5位置D3K501+858左中線孔深/m19.6漿液擴散情況未見明顯注漿擴散痕跡芯樣照片芯樣描述0.0～1.0 m砼;1.0～12.8 m灰?guī)r,較完整;12.8～14.0 m溶洞,全充填黏土;14.0～19.6 m灰?guī)r,較完整。

重新注漿處理后檢測部分芯樣照片：

孔號ZK8位置D3K501+848.75右中線孔深/m12.3漿液擴散情況局部可見明顯注漿擴散痕跡芯樣照片芯樣描述0.0～1.6 m砼;1.6～2.0 m灰?guī)r,較完整;2.0～2.4 m砼;2.4～2.6 m灰?guī)r,較完整;2.6～3.3 m砼;3.3～3.4 m灰?guī)r,較完整;3.4～3.6 m砼;3.6～12.3 m灰?guī)r,較完整。其中2.0～3.6 m可見明顯注漿擴散痕跡,6.4～7.4 m巖芯可見巖溶。

12個鉆孔中ZK1至ZK6均未見明顯漿液擴散痕跡， ZK7至ZK12在不同深度處可見明顯漿液擴散痕跡。

施做壓水試驗的12個孔中：初測ZK1、ZK3孔漏水，ZK2在0.5 MPa壓力下透水率值為2.35，初測僅ZK2滿足要求，初測不合格；(復測ZK4、ZK5孔漏水， ZK6在0.5 MPa壓力下透水率值2.03，初測僅ZK6滿足要求，復測不合格；第二次復測ZK7、ZK8、ZK9孔最大壓力達不到0.5 MPa，三孔均不滿足要求，第二次復測不合格；第三次復測ZK10、ZK11、ZK12在0.5 MPa壓力下透水率值分別為7.45、7.93、8.37，均具弱透水性，小于注漿前透水率值的十分之一，第三次復測合格。

5.6 綜合分析結(jié)論

對選取的段落巖溶路基注漿整治結(jié)束后進行質(zhì)量檢測，采用瞬態(tài)瑞雷面波法、電測深法、鉆孔取芯法及壓水試驗法檢測，檢測完進行綜合評定。本段瞬態(tài)瑞雷面波法及電測深法初次檢測均不合格，經(jīng)注漿處理后復測合格(結(jié)合鉆芯壓水試驗結(jié)果)，瑞雷面波初測及復測共計完成20個測點，電測深同樣完成20個測點。該段鉆芯壓水共計檢測四次，合計鉆孔12個，壓水試驗檢測12個，前三次壓水試驗檢測均存在漏水現(xiàn)象，檢測不合格，鉆探出多個充填型溶洞，鉆探芯樣未見明顯注漿痕跡；第三次壓水試驗復測合格，鉆探芯樣可見明顯注漿痕跡，鉆孔取芯及壓水試驗滿足要求。在電測深異常位置選取了部分孔位進行鉆探驗證，鉆探結(jié)果基本與探測結(jié)果一致，經(jīng)處理后物探異常明顯改善，且鉆芯壓水試驗結(jié)果合格，綜合四種檢測方法，該段路基注漿效果較好。

6 結(jié) 語

四種方法中瞬態(tài)面波及電測深法為無損檢測方法，優(yōu)點是使用方便、靈活、無破壞，能夠在宏觀上把控整個工點的路基巖溶基本情況，鉆孔取芯及壓水試驗則更直觀。采用四種方法對巖溶路基進行綜合評定，在分析物探的資料基礎上，選擇異常區(qū)域或有疑問的測點附近布置鉆孔，結(jié)合鉆孔取芯及壓水試驗檢測結(jié)果，相互驗證，取得了較好的效果，能夠減少誤判，增加檢測的準確性。