離軍高速公路橋隧下伏采空區處治效果超聲波檢測研究

王 鵬，魏義強

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

山西是煤炭大省,在全省范圍內分布著眾多煤礦,經過多年的開采，在地下形成了大大小小的采空區，隨著山西省高速公路建設的發展，越來越多的路段不可避免的要經過煤礦采空區。由于采煤對地層結構的破壞,導致采空區上覆巖層在重力作用下產生冒落、塌陷，并在地表出現大面積變形、裂縫、沉陷坑等現象，嚴重影響和破壞高速公路的建設和正常運營。因此，在工程可行性研究階段就應該高度重視，應進行專項研究，以消除后患。

文章以青島至銀川國道主干線離石—軍渡段高速公路為工程背景，對高速公路下存在煤礦采空區的大雨亮隧道、礬水溝大橋、閆家條隧道、師婆溝隧道、康家溝大橋和廟梁隧道的下伏采空塌陷區的處治進行了檢測和研究，主要以超聲波檢測為主，結合鉆孔取芯、孔內電視、壓力注漿等現場試驗方法，檢查采空區注漿處治的效果，對煤礦采空區的治理提出了合理的建議。

1 工程治理概況

1.1 工程概況

擬建高速公路是青島—銀川國道主干線山西省離石—軍渡段高速公路位于山西省柳林縣境內的組成部分，沿線地形起伏大，線路全長約38.542 km。經分析及穩定性評價，其中需要治理的煤礦采空區有4處，采空區影響線路總長度5.21 km。鉆探總進尺141 141 m，注漿總量302 999 m3。

1.2 煤礦采空區概況和特征

根據施工圖設計階段工程地質勘察，沿線分布有10個煤礦，其中青龍煤礦、同德煤礦、師婆溝煤礦及康家溝煤礦采空區需做處治。其煤礦分布見圖1。

圖1 煤礦分布示意圖

2 注漿效果超聲波檢測

該段采空區采用全充填壓力注漿法，即在地表打孔，通過壓漿泵、注漿管，將水泥粉煤灰漿液注入采空區及其上覆巖體裂隙中，漿液經過固化，膠結巖層裂隙帶，同時，采空區內的漿液形成的結石體對其上覆巖層形成支撐作用，阻止上覆巖層的進一步冒落，防止因冒落而引起的地面沉陷變形，保證橋隧的穩定。

在注漿施工結束6個月后，由業主組織，選擇橋涵、橋梁、地形、地貌變化等有代表性的注漿區地段進行布孔檢驗。檢查孔按施工灌漿孔數的2%布置，在有疑點的部位共布置檢查孔51個，孔深為地面至采空區底板的深度，對這些檢查孔進行以超聲波為主的檢測。

2.1 超聲波測試原理

采用超聲脈沖波檢測混凝土結構缺陷的基本原理是，利用脈沖波在技術條件相同的混凝土中傳播的時間(或速度)、接收波的振幅和頻率等聲學參數的相對變化，來判定混凝土的缺陷。由于超聲脈沖波傳播速度的快慢，與混凝土的密實程度有直接關系，對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，若超聲波通過的速度快，首波信號的波幅和頻率大，則混凝土密實，相反則混凝土不密實。由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率，脈沖波在混凝土中傳播時，遇著蜂窩、空洞或裂縫等缺陷，便在缺陷界面發生反射和散射，聲能被衰減，其中頻率較高的成分衰減更快，因此接收信號的波幅明顯降低，頻率明顯減小或者頻率譜中高頻成分明顯減少。再者經缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差，疊加后互相干擾，致使接收信號的波形發生畸變。根據以上原理，可以利用混凝土聲學參數測量值和相對變化綜合分析、判別其缺陷的位置和范圍，或者估算缺陷的尺寸。

2.2 物理特性

注漿材料為水泥粉煤灰漿，在采空區被充填的情況下，縱波速度Vp>1 500 m/s；如果采空區未被充填，那么縱波速度Vp<1 500 m/s。因此，縱波速度1 500 m/s是判斷采空區是否被充填的一個重要指標。縱波速度愈大，說明充填物的強度愈高。

由于煤層被采空后，均伴有巖層垮塌和變形，因此在巖體中存在有很多裂隙。裂隙的存在導致縱波速度值減小，若巖體裂隙被水泥粉煤灰漿充填，那么巖體縱波速度值大于充填物而小于完整巖體。

2.3 測試方法

本次測試采用一發二收式單孔測試換能器及RSM-SY5智能聲波檢測儀，該方法可以消除井液對測定結果的影響，巖體的波速為：

式中：d：兩接收換能器的距離；

ts1、ts2：聲波從發射換能器到第一、第二接收換能器的旅行時間；

Vm：接收換能器之間巖體縱波速度。

本次測試井下探頭為一發雙收超聲波換能器，其接收換能器間距為0.2 m，頻率為50 kHz。

由于本次檢查孔為清水鉆進，測試前先將換能器（縱波探頭）放入孔底，向孔內注滿清水。從孔底每間隔50 cm，測讀一組數據，測試數據存貯于計算機內供室內資料整理。測試工作按規程規范要求進行，工作過程中儀器性能穩定，測試時以水來實現換能器與孔壁巖體的偶合。

2.4 數據處理及判定

2.4.1 數據處理

室內分別讀出通道CH1及CH2的聲時，并去除異常值，兩接收換能器的距離已知本測試系統為20 cm，輸入后計算出雙收縱波波速vm，并繪制雙收縱波波速—孔深剖面。石英砂巖及粉砂巖波速（vc）取值為4 000 m/s，完整泥巖波速（vc）取值為3 500 m/s。

2.4.2 巖體完整性判定

現場實測孔內巖體的波速與新鮮巖石的波速，從而得到了孔內巖體的完整性系數Cm：

式中：vm：在巖體中測的波速；

vc：在同一巖體新鮮巖樣中測的波速。依據《公路工程地質勘察規范》（JTJ 064—98），巖體的完整性系數劃分巖體的完整性見表1。

表1 巖體完整程度分類表

對巖體的完整性分類可以說明，巖體完整性類別越高，說明孔內巖體的裂隙、孔洞越不發育，注漿處理的效果越好（或巖體自身的完整性好），反之則說明巖體的裂隙、孔洞發育。

3 工程檢測結果

筆者參加了位于山西省柳林縣境內離石—軍渡段高速公路橋隧下伏采空區處治工程的質量檢測工作，對存在煤礦采空區的四隧兩橋下的注漿處理效果進行了波速檢測。下面筆者將對檢測中所發現的各種問題以及筆者的一些建議作詳細的闡述。

在現場進行檢測時，有時會遇到聲波曲線異常的情況，波形不能穩定，通過調節增益等都不能恢復正常，在室內對這些數據進行分析時發現這些異常的波形無法分析，經初步分析，可能是孔內泥漿太多傳感器信號不好引發的問題，因此筆者建議用清水洗孔，當循環水為清水時再進行超聲波檢測，這樣應該能收到較好的效果。

另外，在進行室內的巖體完整性分析時，當地新鮮完整巖體的波速取值均為經驗值，沒有針對當地巖體進行實測，在計算巖體完整性系數時影響較大。因此筆者建議對當地的新鮮巖體進行實地波速測量或者是在注漿處理前后分別進行聲波檢測，通過計算其波速提高率來評價注漿質量的好壞，這樣對比才能更好地反映出注漿治理的效果。

根據對現場所測數據分析知：巖體的平均縱波波速均大于1 500 m/s，巖層的冒落帶和裂隙帶注漿處理效果較好，巖體的完整性類別較高，已經達到了處治的目的，能夠滿足該工程等級的要求。

[1]方磊，唐蓓華，滕玉明，朱中衛.RS和GIS在高速公路采空區路段工程可行性研究中的應用，公路交通科技，2004（21）

[2]黃湘平，史承明.超聲波檢測混凝土不密實區和空洞，陜西工學院學報，2005（21）