電磁波CT法巖溶路基注漿質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

基金項(xiàng)目： 鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2009G010-A）

作者簡(jiǎn)介： 胡熠（1984-），男，博士研究生，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程與巖體工程，電話：13880776780，E-mail：ayize@163.com

文章編號(hào)： 0258-2724（2013）03-0441-08DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.008

摘要： 為探討巖溶路基注漿質(zhì)量電磁波CT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)南廣鐵路巖溶路基試驗(yàn)區(qū)段的64個(gè)剖面進(jìn)行了電磁波CT測(cè)試，對(duì)粘土層、卵石土層和溶洞等地下介質(zhì)注漿前后電磁波吸收系數(shù)的差值進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，在注漿合格的巖溶路基中，粘土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)的差值均小于0.1 dB/m，卵石土層約為0.20 dB/m，溶洞均大于0.4 dB/m，且主要分布在0.6～1.2 dB/m之間；南廣鐵路巖溶路基電磁波CT檢測(cè)注漿合格標(biāo)準(zhǔn)為：卵石土層和溶洞注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值分別大于0.2和0.4 dB/m.

關(guān)鍵詞： 電磁波CT；電磁波吸收系數(shù)；巖溶路基；注漿質(zhì)量；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類(lèi)號(hào)： U416文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，大量高速鐵路修建在巖溶發(fā)育地區(qū).高速鐵路對(duì)地表沉降及巖溶塌陷防治的要求比一般鐵路更高，因此常采用鉆孔注漿的方法對(duì)巖溶路基進(jìn)行加固.由于注漿加固屬于隱蔽工程，對(duì)注漿加固質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)十分重要[1].TB10035—2006《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：對(duì)采用注漿加固的地基，應(yīng)采用物探、壓水試驗(yàn)配合鉆孔取芯等綜合方法進(jìn)行注漿效果檢測(cè)及評(píng)價(jià)[2].

然而，對(duì)于具體的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范沒(méi)有具體規(guī)定，各鐵路設(shè)計(jì)院在注漿加固檢測(cè)中采用的方法和標(biāo)準(zhǔn)不完全統(tǒng)一.鉆孔取芯觀察水泥結(jié)石率是一種直觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，但其檢測(cè)結(jié)果具有很大的偶然性；壓水試驗(yàn)的設(shè)備笨重，工作效率低，且作業(yè)規(guī)程和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)目前尚不統(tǒng)一；物探方法中進(jìn)行過(guò)理論研究并擁有推薦檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的只有瞬態(tài)面波法一種，但瞬態(tài)面波法受覆蓋層厚度、施工現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)和地面障礙物的影響較大，無(wú)法在所有區(qū)段開(kāi)展工作.因此，現(xiàn)有的巖溶注漿加固檢測(cè)方法已不能滿足高速鐵路巖溶路基注漿檢測(cè)的要求，迫切需要研究新的注漿質(zhì)量檢測(cè)方法.

電磁波CT是一種新的物探方法，與其他物探方法相比，電磁波CT對(duì)地下洞穴的位置、大小把握準(zhǔn)確，在覆蓋層較厚或有地面障礙物阻擋時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3].過(guò)去30多年中，電磁波CT在國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)勘探中得到了廣泛應(yīng)用，已擁有較成熟的理論和大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).在注漿檢測(cè)方面，電磁波CT在采空區(qū)注漿加固檢測(cè)中有過(guò)嘗試，對(duì)檢測(cè)方法也進(jìn)行了探索[4-5]，但尚缺乏系統(tǒng)研究，未提出有效、可靠的檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

本文以在建的南廣鐵路為依托，對(duì)用電磁波CT法檢測(cè)注漿加固效果的評(píng)判方法進(jìn)行了研究，得到了適用于南廣鐵路巖溶路基的電磁波CT注漿質(zhì)量檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為南廣鐵路巖溶路基注漿質(zhì)量電磁波CT檢測(cè)評(píng)價(jià)提供了依據(jù)，也為今后巖溶路基注漿質(zhì)量檢測(cè)提供了一種可借鑒的檢測(cè)方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

1電磁波CT檢測(cè)原理

1.1電磁波CT基本原理

1.2檢測(cè)原理

由于水泥漿和巖溶路基中地質(zhì)介質(zhì)的電磁波吸收系數(shù)差異較大（表1），因此，當(dāng)水泥漿注入溶洞或裂隙后，該區(qū)域的電磁波吸收系數(shù)將產(chǎn)生不同程度的變化.

利用這一特性，可以在巖溶路基注漿前后分別進(jìn)行電磁波CT測(cè)量，對(duì)比注漿前后電磁波吸收系數(shù)，根據(jù)注漿前后電磁波吸收系數(shù)的變化情況判斷注漿效果.

2試驗(yàn)區(qū)段選取

為使研究成果能在南廣鐵路全線應(yīng)用，試驗(yàn)區(qū)段在地形地貌、巖溶發(fā)育程度及地下水特征等方面應(yīng)具有代表性.根據(jù)南廣鐵路前期勘察資料，在南廣鐵路158 km巖溶發(fā)育區(qū)中篩選出8段共計(jì)6 557 m巖溶路基作為電磁波CT試驗(yàn)區(qū)段，共進(jìn)行64個(gè)剖面的電磁波CT試驗(yàn).試驗(yàn)區(qū)段沿線覆蓋型巖溶段落長(zhǎng)度占巖溶段落的96.4%，試驗(yàn)區(qū)段地質(zhì)概況見(jiàn)表2.

3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

3.1儀器選取

用電磁波CT法檢測(cè)注漿質(zhì)量，使用的儀器為國(guó)土資源部物化探研究所研制和生產(chǎn)的JW-5Q型地下電磁波儀（圖1）.該套設(shè)備在全國(guó)范圍內(nèi)銷(xiāo)售已超過(guò)200套，在我國(guó)鐵路行業(yè)中具有極高的普及性，用該套設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究，所得結(jié)論能很好地推廣應(yīng)用.

3.2測(cè)量方法及剖面布置

進(jìn)行電磁波CT測(cè)試時(shí)，先將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別放置到測(cè)試孔中預(yù)先設(shè)定的位置，然后保持發(fā)射機(jī)不動(dòng)，按照預(yù)先設(shè)置的間距移動(dòng)接收機(jī)，每到一個(gè)設(shè)定的深度接收一次電磁波場(chǎng)強(qiáng)；當(dāng)完成一個(gè)測(cè)試孔的測(cè)試后，移動(dòng)發(fā)射機(jī)到下一位置，接收機(jī)按照上述步驟繼續(xù)接收電磁波場(chǎng)強(qiáng)，直到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)完成所有位置的發(fā)射和接收，見(jiàn)圖2.

測(cè)量時(shí)需要設(shè)定工作頻率，工作頻率低，透射距離長(zhǎng)，但精度相對(duì)較低；工作頻率高，則透射距離短，但精度較高.測(cè)量時(shí)設(shè)置10、15、20、25和30 MHz同時(shí)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)量結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，由于部分測(cè)試剖面透射距離較遠(yuǎn)且?guī)r層破碎，只有10 MHz頻率能滿足所有剖面的透射要求，因此數(shù)據(jù)處理時(shí)，均采用頻率10 MHz的數(shù)據(jù)進(jìn)行層析解釋?zhuān)员ＷC結(jié)果的統(tǒng)一.

測(cè)試時(shí)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)移動(dòng)間距均為1 m.測(cè)量采用兩孔互換的方式，即完成一個(gè)剖面的測(cè)試后，將接收機(jī)與發(fā)射機(jī)互換到對(duì)方孔中重新測(cè)量一次，并綜合2次的測(cè)量結(jié)果一并進(jìn)行層析處理.

在8個(gè)試驗(yàn)區(qū)段中劃分出11個(gè)電磁波CT測(cè)試區(qū)，利用已有注漿孔作為電磁波CT測(cè)試孔.每個(gè)測(cè)試區(qū)布置4個(gè)測(cè)試孔，測(cè)試孔呈矩形分布（圖3）.分別測(cè)試矩形4邊和2條對(duì)角線方向的6個(gè)剖面.

3.3注漿后測(cè)試時(shí)間的選擇

注漿后水泥漿將隨時(shí)間逐漸凝固，在此期間，水泥漿不同的凝固情況會(huì)得到不同的電磁波CT測(cè)量結(jié)果，不同測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).因此，為采用同一標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)注漿后隨時(shí)間變化的電磁波CT測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，以確定適當(dāng)?shù)臋z測(cè)時(shí)間.選取DK6+205剖面注漿1、3、5、7、9、14、20和28 d后進(jìn)行電磁波CT測(cè)試，分析剖面溶洞位置水泥漿電磁波吸收系數(shù)的變化情況，見(jiàn)圖4.

從圖4可見(jiàn)，注漿后1～7 d，電磁波吸收系數(shù)快速增長(zhǎng)，第7天達(dá)到4.81 dB/m；注漿后7～28 d，電磁波吸收系數(shù)基本保持不變.因此可以認(rèn)為，注漿7 d后水泥漿的電磁波吸收系數(shù)已趨于穩(wěn)定.據(jù)此確定的適當(dāng)?shù)臋z測(cè)時(shí)間為注漿7 d以后.

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)解釋分析

由于試驗(yàn)區(qū)段中電磁波CT測(cè)量剖面較多，因此選擇DK6+355.5剖面為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明.

圖5為DK6+355.5鉆孔剖面，覆蓋層為黏土，剖面中部有明顯溶蝕凹槽，距離左側(cè)8.0 m鉆孔處深度12～13 m為充填溶洞，根據(jù)鉆孔巖心顯示，基巖表面的巖體較破碎，深度到達(dá)15 m以下后基本為完整的石灰?guī)r.

注漿前先采用類(lèi)似壓水試驗(yàn)的方法進(jìn)行洗孔，洗孔水壓為2 MPa，洗孔后巖體裂隙和充填溶洞的貫通性更好，有利于注漿過(guò)程中水泥漿的擴(kuò)散.注漿使用的材料為普通硅酸鹽與水混合形成的純水泥漿液，注漿壓力為0.5 MPa.

注漿前電磁波吸收系數(shù)的測(cè)量在洗孔工作完成后進(jìn)行，得到的電磁波吸收系數(shù)等值線見(jiàn)圖6（L為透射距離）.

從圖6可見(jiàn)，在深度3～8 m范圍內(nèi)，電磁波吸收系數(shù)在2～3 dB/m之間，且等值線過(guò)渡均勻、平緩，對(duì)照鉆孔剖面圖，該范圍正好位于土層中.

當(dāng)深度8 m以下時(shí)，左右兩側(cè)均出現(xiàn)電磁波高吸收異常區(qū)，電磁波吸收系數(shù)達(dá)4 dB/m以上，對(duì)照鉆孔剖面圖，其異常位置位于溶洞和基巖表層的巖體破碎區(qū)域，并大致能顯示出溶蝕凹槽的形態(tài).

當(dāng)深度15 m以下時(shí)，電磁波吸收系數(shù)開(kāi)始逐漸降低，鉆孔剖面圖中顯示為完整基巖，電磁波測(cè)量結(jié)果與鉆孔剖面圖十分吻合.

注漿后對(duì)DK6+355.5剖面進(jìn)行電磁波CT測(cè)量，將注漿后的電磁波吸收系數(shù)減去注漿前的電磁波吸收系數(shù)，得到注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值等值線（圖7）.從圖7可見(jiàn)，注漿后原有的溶洞和巖體破碎區(qū)域電磁波吸收系數(shù)明顯提高，差值達(dá)0.8 dB/m以上，而土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)變化較小，完整基巖區(qū)域注漿前后電磁波吸收系數(shù)基本未發(fā)生變化.

5試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

5.1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

電磁波CT測(cè)試結(jié)束后，采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖、鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)等多種手段對(duì)電磁波CT試驗(yàn)剖面的注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證.確定了41個(gè)注漿合格的剖面，對(duì)這41個(gè)注漿合格剖面中的黏土層、卵石土層、石灰?guī)r層和溶洞4類(lèi)地質(zhì)介質(zhì)注漿前后的電磁波吸收系數(shù)差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.由于不同工作頻率得到的電磁波吸收系數(shù)各不相同，為使所有樣本保持一致性，統(tǒng)計(jì)分析中均采用工作頻率為10 MHz的測(cè)試結(jié)果.

石灰?guī)r層在注漿時(shí)水泥漿幾乎無(wú)法進(jìn)入其中，因此其注漿前后的電磁波吸收系數(shù)基本相同.完整石灰?guī)r層注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值見(jiàn)表3.從表3可見(jiàn)，所有剖面石灰?guī)r層的電磁波吸收系數(shù)差值均小于0.10 dB/m.

黏土層在注漿時(shí)水泥漿雖然較石灰?guī)r層注入得多，但是總體上依然較少.黏土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值見(jiàn)表4.從表4可見(jiàn)，黏土層的電磁波吸收系數(shù)差值最大不超過(guò)0.12 dB/m，其中小卵石土層相對(duì)黏土層和完整石灰?guī)r層空隙多，注漿時(shí)水泥漿更容易進(jìn)入.卵石土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值見(jiàn)表5.可見(jiàn)，卵石土層的電磁波吸收系數(shù)差值均大于0.20 dB/m.

溶洞在注漿過(guò)程中漿液進(jìn)入最多.試驗(yàn)區(qū)段中有的剖面具有多個(gè)溶洞，在統(tǒng)計(jì)工作中把同一剖面中的不同溶洞都算作一個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

溶洞位置注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值見(jiàn)表6.

從表6可見(jiàn)，注漿前后溶洞的電磁波吸收系數(shù)差值最小為0.40 dB/m，最大為2.30 dB/m，多數(shù)在0.60 ～1.20 dB/m之間，占77.8%.

5.2南廣鐵路巖溶路基注漿質(zhì)量電磁波CT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

上述分析結(jié)果表明，黏土和石灰?guī)r層空隙較少，注漿時(shí)水泥漿難以進(jìn)入，除個(gè)別剖面中黏土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值大于0.10 dB/m外，其他都小于0.10 dB/m，這可能是由于測(cè)量誤差引起的.因此可以認(rèn)為，在南廣鐵路試驗(yàn)區(qū)段中，注漿對(duì)黏土和完整基巖幾乎沒(méi)有作用，注漿前后相應(yīng)的電磁波CT測(cè)試結(jié)果差異也不大；而溶洞和卵石土層中水泥漿注入較多，因此，注漿前后電磁波CT測(cè)試結(jié)果差異較明顯，注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值分別大于0.20和0.40 dB/m，遠(yuǎn)大于黏土或石灰?guī)r層，同時(shí)也超出測(cè)量誤差影響范圍.

可見(jiàn)，采用電磁波CT法可以檢測(cè)出溶洞或卵石土的注漿效果.根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得南廣鐵路巖溶路基電磁波CT檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7.

由于上述標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)南廣鐵路試驗(yàn)區(qū)段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)得到的，根據(jù)南廣鐵路巖溶路基段設(shè)計(jì)的注漿方法，注漿前用2 MPa的水壓對(duì)注漿孔進(jìn)行洗孔，洗孔后巖體裂隙間的貫通性更好，同時(shí)原有的充填溶洞也會(huì)變成半充填溶洞或空洞.

由于注漿施工方法的不同，其他地區(qū)的巖溶路基在注漿前會(huì)存在多種不同形式的溶洞，如空洞、黏土充填溶洞和砂充填溶洞等，注漿前電磁波吸收系數(shù)的表現(xiàn)形式存在差異，同時(shí)注漿后電磁波吸收系數(shù)有可能提高，也有可能降低.因此，提出的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不能直接應(yīng)用到其他工程巖溶路基注漿檢測(cè)，但可供同類(lèi)工程參考.

6結(jié)論

通過(guò)電磁波CT法注漿檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1） 電磁波CT可用于南廣鐵路巖溶路基中卵石土層和溶洞注漿質(zhì)量的檢測(cè)，檢測(cè)方法為注漿前后分別進(jìn)行電磁波CT測(cè)試，根據(jù)注漿前后電磁波吸收系數(shù)的差值來(lái)評(píng)判是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn).

（2） 注漿后電磁波吸收系數(shù)將隨水泥漿的凝固程度發(fā)生變化，當(dāng)凝固時(shí)間達(dá)到7 d后，電磁波吸收系數(shù)基本穩(wěn)定，因此注漿后電磁波CT測(cè)試應(yīng)在注漿完成7 d后進(jìn)行.

（3） 南廣鐵路巖溶路基注漿質(zhì)量電磁波CT檢測(cè)注漿合格的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：采用10 MHz工作頻率時(shí)，卵石土層注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值大于0.2 dB/m、溶洞注漿前后電磁波吸收系數(shù)差值大于0.4 dB/m為注漿合格.

上述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)南廣鐵路試驗(yàn)區(qū)段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，選取的范圍非常有限，因此不能直接用于其他工程巖溶路基注漿檢測(cè)，但可供同類(lèi)工程參考.今后還需進(jìn)一步積累資料，修正并完善該檢測(cè)方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

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