電測深法在鐵路地基注漿效果檢測中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了電測深法的工作原理以及電測深法對注漿加固效果的判斷標(biāo)準(zhǔn)，以某在建區(qū)域性干線鐵路為例，結(jié)合兩種巖溶發(fā)育類型的施工單元電測深法檢測結(jié)果，討論了注漿前后地電結(jié)構(gòu)的變化，提出了基于定性分析進行分塊計算視電阻率平均變化率的方法，證明了電測深法定性結(jié)合定量評判標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，為巖溶地基注漿加固檢測方法的選用提供了思路。

關(guān)鍵詞：巖溶地基；注漿效果；電測深法；視電阻率平均變化率

中圖分類號：U213.1

0 引言

巖溶地貌在我國西南地區(qū)分布廣泛，當(dāng)前西南地區(qū)鐵路建設(shè)快速發(fā)展，線路多經(jīng)過巖溶發(fā)育地貌，鐵路施工及運營安全面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，為盡可能降低施工的風(fēng)險，確保工程順利完成，保障線路營運安全，針對巖溶區(qū)進行地基注漿效果檢測工作顯得十分重要［1］。

不同檢測方法的適用條件有所差異，應(yīng)結(jié)合實際情況“對癥下藥”，充分考慮現(xiàn)場施工條件、地質(zhì)情況、工作效率、覆蓋范圍以及投入成本等諸多因素。目前常用的檢測方法有鉆孔取芯法、壓水試驗以及物探法，物探方法中包括電測深法、瞬態(tài)面波法、鉆孔電磁波CT法［2］。鉆孔取芯法和壓水試驗結(jié)果直觀、易于評判，但投入高、效率低，覆蓋范圍有限，存在較大的偶然性，易造成漏判。鉆孔電磁波CT法對溶洞與巖土界面反應(yīng)明顯，但由于測試技術(shù)復(fù)雜、造價高導(dǎo)致無法大規(guī)模使用。瞬態(tài)面波法可根據(jù)注漿前后地層波速及頻散曲線的變化評判注漿效果，但往往因現(xiàn)場大型機械交叉施工的震動干擾導(dǎo)致探測深度受限。電測深法可基于被注地層的電性差異檢測巖溶空洞、破碎區(qū)的注漿充填效果，很大程度上避免了檢測范圍內(nèi)的空洞異常，具有經(jīng)濟、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)勢。因此，深入研究電測深法在巖溶地基注漿效果的應(yīng)用顯得尤為必要。

1 電測深法基本原理

巖石之間的導(dǎo)電性存在差異是電阻率法勘探的物性基礎(chǔ)［3］。作為電阻率法的一種方法，電測深法是基于特有的裝置形式，通過測量與研究人工供以穩(wěn)定電流場在地下分布的特征與規(guī)律，得到巖溶地基注漿前后地電結(jié)構(gòu)的變化，從而評價巖溶地基注漿效果的一種方法。

電測深法是以檢測點為中心，通過逐步擴大供電極距與測量極距，使探測范圍由淺到深，測得檢測點沿深度方向的視電阻率，進一步了解檢測點垂向的地質(zhì)變化情況。同時，通過在測區(qū)進行逐點測量，可將測區(qū)測量結(jié)果繪制成視電阻率斷面等值線圖，達到測區(qū)地電結(jié)構(gòu)可視化的效果。

根據(jù)電極排列形式的差異，可將電測深裝置進行不同分類，其中對稱四極裝置常用于地基注漿效果檢測工作，該裝置具有受地形影響小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、電測深曲線形態(tài)易于判別等優(yōu)點。對稱四極裝置由A、M、N、B 4根電極組合，在測量過程中，以檢測點為中心點O，逐步增大電極間距，測量檢測點垂向視電阻率（圖1）。

供電電極A、B向地下供以穩(wěn)定的電流，同時電極M、N測量并記錄電位差ΔU與電流I，通過式（1）計算對應(yīng)測深點的視電阻率：

對于溶洞、巖溶破碎帶、溶蝕密集發(fā)育的不良地質(zhì)體，注漿前的電測深視電阻率值往往與視電阻率背景值有較大差異。人為充填水泥漿液會影響異常區(qū)視電阻率，可通過視電阻率與地電結(jié)構(gòu)的變化對注漿效果進行評價。

2 注漿效果評價方法

電測深法通過注漿前后觀察地電結(jié)構(gòu)的變化來評價注漿效果，通常解譯人員可將注漿前后兩次檢測數(shù)據(jù)繪制成單點電測深曲線、測區(qū)視電阻率斷面等值線圖，通過曲線形態(tài)的變化對注漿效果進行評價。然而溶洞、巖溶破碎帶等不良地質(zhì)體在不同情況下所表現(xiàn)出的電性特征往往存在差異，如充填型溶洞較完整基巖的電阻率低，而非充填型溶洞比完整基巖的電阻率高。同時，地電結(jié)構(gòu)也會受地下水位影響，充水型溶洞與空腔往往表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。因此圖形判斷的方法對解譯人員的經(jīng)驗要求高，這種多解性會給經(jīng)驗匱乏的工作者在數(shù)據(jù)的解譯上帶來較大的困難。此外，在完整性不同基巖中注入水泥漿所引起的視電阻率數(shù)值變化亦存在較大區(qū)別，往往難以通過帶量綱的參數(shù)進行評價。在先驗信息缺乏的情況下，難以準(zhǔn)確估算注漿后不良地質(zhì)體視電阻率升高或降低的趨勢。

一般而言，無論地下為何種結(jié)構(gòu)，隨著水泥漿或其他充填料的填入，地電結(jié)構(gòu)會隨之產(chǎn)生一定變化，即地下介質(zhì)視電阻率的變化［4］，排除背景值后的變化可認為是注漿引起的。為方便進行定量分析，弱化系統(tǒng)誤差背景值、降低設(shè)計注漿范圍外視電阻率對結(jié)果的影響，同時將視電阻率轉(zhuǎn)化為無量綱參數(shù)，引入注漿區(qū)域視電阻率平均變化率η[TX-*3]，其表達式為［5］：

地下電流場易受到場地、儀器設(shè)備穩(wěn)定性、電流源、操作人員多種因素綜合影響［6］。排除系統(tǒng)誤差與偶然誤差引起的非注漿措施導(dǎo)致視電阻率變化情況，同時去除非注漿區(qū)域視電阻率變化給計算結(jié)果帶來影響［7-8］，結(jié)合前人研究成果，依據(jù)注漿深度范圍內(nèi)的各測深點視電阻率平均變化率［9-10］，可采用表1中的定量評級標(biāo)準(zhǔn)。

式（3）的優(yōu)點在于用法靈活，可先結(jié)合視電阻率斷面等值線圖的定性分析，再對不同施工單元的設(shè)計注漿深度對計算范圍進行調(diào)整，亦可針對單點電測深數(shù)據(jù)分別計算視電阻率平均變化率。

3 工程實例

某在建鐵路為客貨兼顧的區(qū)域性干線鐵路，位于西南的喀斯特地區(qū)，該地區(qū)多發(fā)育覆蓋型巖溶。根據(jù)勘察資料可知，該區(qū)域巖溶發(fā)育程度高，地層巖性自上而下為：第四系全新統(tǒng)坡殘積（Q4dl+el）黏土、細角礫、碎石，下伏基巖為石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r。發(fā)育的巖溶地質(zhì)特征對線路運行帶來巨大安全隱患，因此需對場地不良地質(zhì)體進行整治，對巖溶發(fā)育區(qū)域注漿處理。

結(jié)合勘察資料及設(shè)計圖紙，選取兩段巖溶發(fā)育類型不同的施工單元進行注漿前后的檢測，并比對電測深法檢測結(jié)果，評判注漿整治效果。

3.1 巖土界面溶蝕發(fā)育型

此類型地質(zhì)單元的巖溶主要發(fā)育在上覆土層與基巖交界處，界面附近地質(zhì)變化劇烈、巖體破碎，整治不當(dāng)易導(dǎo)致地面塌陷。此類地質(zhì)單元的電測深曲線一般呈H型或HA型，如圖2所示，曲線首支呈中阻，隨著深度的增加，視電阻率表現(xiàn)為先降低后升高。結(jié)合鉆芯結(jié)果（圖3）可知，曲線首支中阻為覆土層的電性特征，視電阻率下降主要因為巖土分界面溶蝕發(fā)育、巖體破碎、受地下水影響；深部基巖完整、巖溶不發(fā)育，視電阻率呈升高趨勢。注漿前因受溶蝕破碎巖土界面影響，電測深曲線變化劇烈，通過注漿處理，電測深曲線形態(tài)有所改善，深部視電阻率有所提高。

在巖土界面溶蝕發(fā)育型地質(zhì)單元進行注漿處理前后，測得視電阻率斷面等值線圖（圖4）。測區(qū)地電結(jié)構(gòu)清晰，根據(jù)視電阻率可大致分為低阻-高阻的二層結(jié)構(gòu)。結(jié)合鉆探資料，判斷上覆黏土層，下伏灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

注漿前DK9+240～DK9+440段測區(qū)視電阻率等值線橫向連續(xù)性較差，上覆土層與基巖交界附近巖溶發(fā)育，界面視電阻率等值線起伏大、電性結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，等值線多呈明顯凹陷狀、局部向下延伸，推測存在巖溶破碎帶及巖溶塌陷區(qū)。注漿后巖土分界面至深部基巖的視電阻率大部分有所提升，局部降低，視電阻率變化范圍為20～180 Ω·m，通過計算得到測區(qū)視電阻率平均變化率如表2所示。巖土分界面視電阻率等值線橫向連續(xù)性得到改善，視電阻率均勻性變好。故判斷測區(qū)范圍內(nèi)注漿效果明顯，注漿回填對地基的加固起到了較好的效果。通過后續(xù)鉆孔取芯結(jié)果顯示，巖土分界面范圍內(nèi)芯樣中含肉眼可見的漿液擴散痕跡，注漿充填效果較好，與電測深結(jié)論基本一致。

3.2 基巖巖溶發(fā)育型

該類型地質(zhì)單元在覆土層與基巖界面附近巖溶較發(fā)育，同時深部基巖中易發(fā)育溶洞、溶槽、溶溝等不良地質(zhì)體。此類地質(zhì)單元的電測深曲線一般呈KH型或HA型，曲線首支呈中低阻，隨著深度的增加，視電阻率表現(xiàn)為先降低后升高或先升高后降低再升高。結(jié)合圖5可知，曲線首支中阻為覆土層的電性特征，曲線中部視電阻率下降或升高的原因是巖土分界面溶蝕發(fā)育、巖體破碎，并且深部基巖發(fā)育溶洞、溶槽、溶溝等不良地質(zhì)體。注漿前因受溶蝕破碎巖土界面影響，電測深曲線變化劇烈，通過注漿處理，電測深曲線形態(tài)得到改善，中部視電阻率較注漿前有所降低，尾支視電阻率則表現(xiàn)出升高的趨勢，電測深曲線逐漸向G型或H型改變。

注漿前，DK7+500～DK7+700段測區(qū)視電阻率等值線橫向連續(xù)性一般，上覆土層與基巖交界附近巖溶較發(fā)育，界面視電阻率等值線起伏大，基巖局部完整性差，DK7+520、DK7+600、DK7+660處深部等值線多呈明顯凹陷狀、向下延伸的中低阻異常，推測該幾處區(qū)域存在溶洞、溶溝或巖溶破碎帶。通過注漿，測區(qū)范圍內(nèi)視電阻率變化范圍為50～200 Ω·m，電性界面橫向連續(xù)性得到改善，DK7+600及DK7+660位置深部凹陷狀異?；鞠В茰y漿液與基巖結(jié)合效果好。而DK7+520處凹陷狀異常仍然存在，結(jié)合注漿資料推測該區(qū)域附近注漿效果不明顯。如圖7所示。

為對該測區(qū)不同段落分別進行定量評價，正確判斷注漿不理想?yún)^(qū)域，計算得到測區(qū)總體、分段的視電阻率平均變化率（表3）。通過分段比對發(fā)現(xiàn)DK7+500～DK7+540段落η值＜15%，DK7+540～DK7+700段落η值＞25%。

通過鉆孔取芯驗證發(fā)現(xiàn)，DK7+520段在深度為22～26 m位置發(fā)育一處半充填型溶洞，該溶洞與旁側(cè)巖溶體聯(lián)通，漿液沿巖溶管道流散導(dǎo)致溶洞未注滿。

4 結(jié)語

通過電測深法在西南地區(qū)某鐵路項目中地基注漿檢測的應(yīng)用實例，可得出以下結(jié)論：

（1）基于巖溶不良地質(zhì)體與完整基巖存在明顯電性差異，在巖溶地區(qū)進行注漿效果檢測時可優(yōu)先考慮采用電測深法，電測深法具有便捷、高效、結(jié)果清晰等特點。通過電測深法結(jié)果對區(qū)域整體注漿效果進行判釋，再進一步針對效果異常區(qū)采取鉆芯、壓水等檢測方法進行驗證，可有效降低成本。

（2）電測深法成果解釋宜采用定性與定量相互結(jié)合的方法。通過對視電阻率斷面等值線圖判斷注漿對測區(qū)電性結(jié)構(gòu)的改變進行定性分析，進一步定量計算注漿范圍內(nèi)視電阻率平均變化率，綜合判斷測區(qū)注漿效果。

（3）在定量計算測區(qū)視電阻率變化率時，不必拘泥于測區(qū)整體的變化，若存在某段區(qū)域等值線較注漿前無明顯變化時，可考慮單獨計算視電阻率平均變化率，以準(zhǔn)確指導(dǎo)補注工作。

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收稿日期：2024-03-16

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃項目“道路路基服役安全診斷及快速處治技術(shù)應(yīng)用研究”（編號：桂科AB22080012）

作者簡介：張 斯（1993—），碩士，主要從事物探、工程檢測及監(jiān)測工作。