王乾龍 何明峰 鄧 瑞 季凇達(dá)

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

隨著西南地區(qū)高鐵建設(shè)逐步推進(jìn)，區(qū)域內(nèi)巖溶問題成為制約項目實施和安全運營的關(guān)鍵。為保障鐵路項目的施工質(zhì)量和運營安全，迫切需要對鐵路路基病害探測[1]和注漿效果[2-4]開展針對性的研究工作。電測深法在路基巖溶勘察及注漿效果檢測中應(yīng)用較為廣泛[5-6]，常作為路基注漿效果檢測的首選方法。唐毅將電測深法應(yīng)用于南廣線巖溶注漿效果檢測中，并以平均視電阻率變化率作為評價參數(shù)評估注漿效果[7]；任新紅等通過灰?guī)r模型研究了電測深法在多種測試斷面下的檢測效果[8]；胡仁強通過模型試驗與現(xiàn)場測試對比分析研究了電測深法的應(yīng)用效果[9]。不難看出，單一物探方法具有一定局限性，后來發(fā)展形成以物探為主、鉆探為輔的綜合檢測技術(shù)[10-14]。

注漿效果檢測技術(shù)已發(fā)展多年，但至今仍缺乏統(tǒng)一明確的評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[15]；鉆探成本較高，且覆蓋面極小；原位測試多以壓水、注水試驗作為評判標(biāo)準(zhǔn)，難以進(jìn)行全局性把控，仍多以定性和半定量解釋為主。物探方法具有高效便捷且成本低的特點，且電測深法相對瞬態(tài)面波法對覆蓋型路基巖溶更具適用性。然而，目前對電測深法定量評價的研究多以模型試驗為主，且多以經(jīng)驗為主，缺乏數(shù)據(jù)支撐。因此，深入研究電測深法評價巖溶注漿加固效果的定量化問題很有必要。

2 基本原理

電測深法是電阻率法勘探的一種，根據(jù)電極排列形式(裝置類型)不同，又可分為若干形式，其中對稱四極電測深法較為常用，其電極排列形式見圖1。

圖1 對稱四極測深裝置

對于對稱四極電測深裝置，O為MN的中點，則視電阻率ρs表達(dá)式為

(1)

對于溶洞、裂隙、破碎帶等異常地質(zhì)體，在電測深法進(jìn)行探測時，往往表現(xiàn)出視電阻率值的異常。巖溶注漿后，原溶洞或裂隙中人為填充的水泥會影響所測區(qū)域的視電阻率。按照剖面連續(xù)檢測，具有較高的分辨率，能較好分辨出注漿前后異常地質(zhì)體的電性差異，從而對巖溶注漿效果進(jìn)行有效評價[16]。

3 實測案例分析

某在建高鐵地處西南巖溶地區(qū)，該區(qū)域?qū)賮啛釒Эㄋ固氐孛?，巖溶以覆蓋型居多。巖溶成因以地下水長期沖刷溶蝕為主，溶洞內(nèi)多有黏土或泥沙充填物。區(qū)域內(nèi)地貌主要以低丘臺地為主，間有孤峰，巖層露頭溶蝕可見，地層以石炭系灰?guī)r為主，覆蓋土層厚度深淺不一。根據(jù)鉆探揭露，鐵路沿線路基巖溶發(fā)育程度較高，普遍存在巖溶地面塌陷風(fēng)險，需進(jìn)行巖溶注漿整治。巖溶整治注漿施工按Ⅰ序、Ⅱ序分期進(jìn)行，Ⅰ序孔間距為7 m，Ⅱ序孔在Ⅰ序孔基礎(chǔ)上加密。Ⅱ序孔注漿施工完成后，待漿液齡期達(dá)到要求后開展現(xiàn)場檢測。

在巖溶檢測試驗測區(qū)選擇上，根據(jù)地區(qū)巖溶發(fā)育情況，選取3種較為典型的測區(qū)。第一類是覆蓋層深度小于10 m，且下伏地層為裂隙灰?guī)r；第二類是覆蓋層深度大于20 m，且下伏地層為裂隙灰?guī)r；第三類是覆蓋層深度介于10～20 m之間，且下伏地層為溶蝕裂隙或溶洞較發(fā)育灰?guī)r。

3.1 第一類巖溶地層

第一類巖溶地層是覆蓋層深度小于10 m，且下伏地層為裂隙灰?guī)r。選定的試驗測區(qū)的地質(zhì)概況為：上覆第四系全新統(tǒng)人工填土層、坡積土、殘積土、松軟土、紅黏土、粉質(zhì)黏土、角礫土等，下伏基巖為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等。測區(qū)地下發(fā)育有孔隙潛水、基巖裂隙-溶隙水。

(1)電測深曲線成果分析

在第一類地質(zhì)條件下，電測深曲線呈H和HA形(見圖2)。淺部表現(xiàn)出一定的高電阻值，與覆蓋黏土層有關(guān)；隨著電極距的增加視電阻率值逐漸下降，結(jié)合鉆孔取芯可知(見圖3)，該段地下水位較淺且土石交界面存在溶蝕破碎現(xiàn)象，造成電阻率降低。

圖2 第一類地質(zhì)條件下實測電測深曲線

圖3 第一類地質(zhì)條件下鉆孔芯樣及柱狀圖

(2)視電阻率等值線成果分析

第一類地質(zhì)條件下，注漿前后視電阻率及其差值等值線見圖4。由圖4(a)可知，斷面淺部和深部視電阻率較高，中部存在低阻異常帶，經(jīng)鉆孔芯樣對比，淺部為黏土覆蓋層，中部為溶蝕破碎帶，深部為較完整裂隙基巖。由圖4(b)可知，注漿后視電阻率值整體上有所提升，且淺部提升較為明顯，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，檢測段落內(nèi)表層存在已固結(jié)的水泥結(jié)石體，推測其為淺部視電阻率提升明顯的主要原因。

圖4 第一類地質(zhì)條件下注漿前后視電阻率及其差值等值線

3.2 第二類巖溶地層

第二類是覆蓋層深度大于20 m，且下伏地層為裂隙灰?guī)r。選定的試驗測區(qū)的地質(zhì)概況為：上覆第四系全新統(tǒng)人工填土層、破殘積土軟土、紅黏土、粉質(zhì)黏土；下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。地下水主要是巖溶水與基巖裂隙水。巖層溶蝕破碎較嚴(yán)重，溶洞、溶蝕裂隙較發(fā)育。

(1)電測深曲線成果分析

在第二類地質(zhì)條件下，注漿前電測深曲線主要呈A形(見圖5)，即電阻率從淺部至深部呈階梯式遞增趨勢。注漿后電測深曲線多呈H形，淺部干燥黏土層裂縫被水泥漿液充填，表現(xiàn)為視電阻率值升高。深部視電阻率值相對注漿前有所下降，推測是深部基巖較破碎且呈無裂隙水導(dǎo)致基巖視電阻率背景值比水泥結(jié)石體電阻率高，注漿后下部充填有較多水泥漿液，導(dǎo)致基巖深部視電阻率值降低。經(jīng)過鉆孔取芯對比(見圖6)，發(fā)現(xiàn)淺部黏土層裂隙充填有水泥結(jié)石體，基巖段較破碎充填有水泥結(jié)石體，進(jìn)一步驗證了上述推測結(jié)果。

圖5 第二類地質(zhì)條件下實測電測深曲線

圖6 第二類地質(zhì)條件下鉆孔芯樣及柱狀圖

(2)視電阻率等值線成果分析

圖7 第二類地質(zhì)條件下注漿前后視電阻率及其差值等值線

3.3 第三類巖溶地層

第三類是覆蓋層深度為10～20 m之間，且下伏地層為伏溶蝕裂隙或溶洞較發(fā)育灰?guī)r。選定的試驗測區(qū)的地質(zhì)概況為：上覆第四系全新統(tǒng)人工填土層，破殘積軟土、松軟土、紅黏土、角礫土與粉質(zhì)黏土；下伏基巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和硅質(zhì)巖。地下水主要是第四系孔隙潛水、巖溶水與基巖裂隙水。巖層溶蝕破碎較嚴(yán)重，溶洞、溶隙、溶縫較發(fā)育，巖溶中等-強烈發(fā)育。

(1)電測深曲線成果分析

在第三種類型地質(zhì)條件下，注漿前后電測深曲線大致呈G形(見圖8)，中淺部視電阻率值變化平穩(wěn)，深部視電阻率曲線呈近45°。注漿后,視電阻率值相對注漿前均有一定的提高，淺部地層提升相對明顯。結(jié)合鉆孔芯樣對比可知(見圖9)，覆蓋層為含水量較大的黏土地層，部分地層混有灰色水泥漿液。基巖裂隙較發(fā)育，芯樣多呈碎石狀，可見少量水泥結(jié)石體，部分基巖段落發(fā)育有黏土全填充小型溶洞。

圖8 第三類地質(zhì)條件下實測電測深曲線

圖9 第三類地質(zhì)條件下鉆孔芯樣及柱狀圖

(2)視電阻率等值線成果分析

第三類地質(zhì)條件下，注漿前后視電阻率及其差值等值線圖見圖10。由圖10(a)可知，注漿前地電斷面淺部有低阻區(qū)(紅色矩形框所示)，中深部視電阻率分布均勻，呈遞增趨勢。注漿后淺部視電阻率值右側(cè)大幅度較小，整體上看大部分區(qū)域視電阻率均有提高，推斷為注漿加固引起的電阻率變化。經(jīng)鉆孔芯樣對比發(fā)現(xiàn)，淺部地層多為濕潤黏土層且充填未固結(jié)水泥漿液，深部基巖溶蝕破碎發(fā)育較嚴(yán)重，芯樣多呈碎石或碎塊狀，可見少量水泥結(jié)石體。

圖10 第三類地質(zhì)條件下注漿前后視電阻率及差值等值線

4 定量評價標(biāo)準(zhǔn)建立

隨著水泥漿液或其他注漿材料的注入，地層斷面電性特征也會發(fā)生變化，即視電阻率發(fā)生變化。而在實際斷面檢測時，由于地質(zhì)條件、注漿材料、地下水和巖層巖性等影響因素，視電阻率變化規(guī)律錯綜復(fù)雜，無論是視電阻率如何變化，排除背景值引起的系統(tǒng)變化外，其余均可視為注漿帶來的變化。

(2)

式中，n表示同一測線剖面上的測點總數(shù)；i為同一條測線上的第i個測點；m表示同一測點上的所設(shè)置的極距總數(shù)；j為同一測點上第j個極距；ρs1ij為第i個測點第j個極距下注漿前測得視電阻率值；ρs2ij為第i個測點第j個極距下注漿后測得視電阻率值。

從整體結(jié)構(gòu)來說，舊規(guī)則包括五方面的內(nèi)容，而新規(guī)則擴充為七方面；從具體條款分析，新規(guī)則部分內(nèi)容進(jìn)一步充實，其闡釋更為詳細(xì)。

上式將系統(tǒng)誤差背景值相對弱化，將電阻率變化轉(zhuǎn)換為無量綱參數(shù)比對，結(jié)果更直觀、客觀、準(zhǔn)確。相較于視電阻率差值等值線，視電阻率變化率等值線更直觀地反映注漿前后電性參數(shù)的變化趨勢(見圖11)，將視電阻率變化值量化方便后期定量分析計算。

圖11 三類地質(zhì)條件下的視電阻率變化率等值線

表1 鉆芯芯樣和視電阻率平均變化率對比

表2 3種典型地質(zhì)條件下視電阻率平均變化率與面波、鉆孔壓水試驗結(jié)果對比

圖12 20個壓水試驗合格測區(qū)的分布

圖13 20個壓水試驗合格測區(qū)的分布與正態(tài)擬合曲線

電測深法對注漿效果的定量評定建立在注漿前后視電阻率變化的基礎(chǔ)上。首先，應(yīng)對測區(qū)的地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育情況進(jìn)行初步了解，這是因為不同的地質(zhì)條件類型對應(yīng)不同的視電阻率曲線類型和背景值，注漿前后測區(qū)電性會發(fā)生一定程度的變化。因此，在注漿之前，需要在測區(qū)進(jìn)行一次電測深檢測，在終序注漿后，在測區(qū)再進(jìn)行一次電測深檢測。通過對比注漿前后的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，并結(jié)合鉆孔和其他測試手段進(jìn)行綜合分析。

通過分析發(fā)現(xiàn)，由于每個測區(qū)的地質(zhì)條件不同，視電阻率的背景值也有差異，因此進(jìn)行注漿效果評價時，不宜采用視電阻率變化值作為定量評定標(biāo)準(zhǔn)，視電阻率變化率作為評定標(biāo)準(zhǔn)更能反映注漿前后視電阻率的變化趨勢，通過視電阻率變化率等值線可更直觀地觀測到區(qū)域性的注漿加固引起的視電阻率變化相對值。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，在壓水試驗和瞬態(tài)面波法檢測結(jié)果合格的區(qū)段，注漿前后視電阻率平均變化率集中分布在15%～25%區(qū)間內(nèi)，且通過鉆孔驗證發(fā)現(xiàn)，在這些區(qū)域可見填充有水泥結(jié)石體，達(dá)到較好的填充效果。在視電阻率平均變化率較小的測區(qū)鉆孔驗證時，未發(fā)現(xiàn)有水泥結(jié)石體。

另外，在檢測時發(fā)現(xiàn)，由于場地、天氣、儀器設(shè)備和操作人員等因素，檢測數(shù)據(jù)存在一定范圍的誤差。通過控制變量法試驗發(fā)現(xiàn)，即使是在同一測點、同一操作人員和同一操作儀器、不同測試時間下，兩次測量結(jié)果也會有一定的偏差，偏差率在5%以下。

考慮注漿前后地質(zhì)地形條件的變化，系統(tǒng)誤差會更大。因此，可以理解為這些變化是系統(tǒng)的誤差而非注漿引起的變化。如果注漿前后的視電阻率平均變化率小于15%時，此時無法區(qū)分是系統(tǒng)誤差還是注漿引起的變化，不能真正地體現(xiàn)出注漿效果引起的變化，可認(rèn)為是注漿效果“不明顯”。

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用電測深物探方法評價區(qū)域性注漿加固效果的初步定量評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。電測深法注漿效果定量評定標(biāo)準(zhǔn)采用“明顯”“較明顯”“不明顯”3種等級，其中“明顯”和“較明顯”可直接判定為合格，當(dāng)評定等級為“不明顯”時，需結(jié)合其他物探方法或鉆孔壓水試驗方法，綜合確定注漿效果是否滿足要求。

表3 電測深法注漿效果評價標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

(1)研究了電測深法在巖溶注漿效果檢測評定的定量分析問題，提出采用視電阻率平均變化率指標(biāo)和定量評價標(biāo)準(zhǔn)，以評價電測深法檢測低阻巖溶異常。