單孔波速法和超聲波法在復雜巖性地段對注漿質量的檢測

付剛飛，劉 峰

（1.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075；2.華北地質勘查局綜合普查大隊，河北 廊坊 065201）

0 引 言

烏魯木齊繞城高速（東線）是國家重點建設項目，該路線經過的部分地段地質條件復雜。為保證施工技術質量，在地質條件復雜的地段開展治理技術研究，其中，施工區與注漿工程有關的主要巖層為卵石層、強風化基巖、強風化煤層以及中風化基巖等4種，類型多樣，為注漿治理帶來很大難度。本文針對項目地質特征，應用單孔波速法和超聲波檢測技術對注漿質量進行研究。

1 單孔波速法的原理與檢測方法

1.1 單孔波速法概述

PS測井是P波（縱波）、S波（橫波）速度測井的簡稱，亦稱波速檢層，屬原位測試工作。PS測井能可靠地測定地層縱向的縱波和橫波速度，進而計算出各種土層或巖層的泊松比、剪切模量、揚氏模量E、體積模量K、拉梅常數、風化數Kv、巖石完整性系數Cm、巖體波速v0等多種巖土力學動測參數，為場地的地震效應評價及地面工程地質勘察提供必要的巖石物性參數和標定參數，亦可用于檢驗巖土加固與改良效果，因而被廣泛用于解決工程勘探及水文勘探中所面臨的地質問題［1-4］。另外，PS測井可以原位測定P波和S波的波速，避免由于測定環境變化所帶來的偏差。PS測井分單孔法和跨孔法2種，工程上一般采用單孔法。

1.2 單孔波速法的設備與工作原理

1.2.1 試驗儀器設備

試驗采用吉林大學工程技術研究所生產的Miniseis24型綜合工程探測儀（圖1），其主要性能為：采用12道或24道可選數字地震儀，具有信號增強、延時、內外觸發、前置放大、濾波、數字采集等功能；采樣率可選，最小采樣間隔為0.01ms；記錄長度不小于1 024點且可選；有1個發射通道和2個接受通道；采用三分量檢波器；通頻帶為2Hz～2 000kHz；放大內部噪音不大于1μV。

圖1 Miniseis24型綜合工程探測儀

1.2.2 試驗過程及步驟

試驗采用錘擊法：將激振板放在離孔口約3m處的地面，并保持兩者之間接觸良好；用錘敲擊激振板，使地層產生震動，接受信號進行數據處理。主要步驟如下。

（1）平整場地，使激震板離孔口的水平距離約3m。

（2）接通電源，在地面檢查測試儀正常后即可進行試驗。

（3）把三分量檢波器放入孔內預定深度，在地面用氣筒充氣，膠囊膨脹使三分量檢波器緊貼孔壁。

（4）用鐵錘敲擊激振板，地表產生縱波經地層傳播，由孔內三分量檢波器的水平檢波器接收波信號，該信號經電纜送入儀器放大并記錄；然后反向敲擊，至獲得3次清晰波形時為止，該測試點試驗結束。

（5）膠囊放氣，把孔內三分量檢波器放到下一測試點的深度，重復上述步驟。

（6）整個鉆孔測試完后，檢查野外測試記錄是否完整，并測定孔內水位。

1.2.3 數據處理方法

波速測試采用單孔法，如圖2所示。

圖2 波速測試計算

O為孔口，dx為激振板中心到孔口的距離。第i測試點至第i-1測試點的波速

式中：dh為第i點至第i-1點的地層厚度；ti、ti-l為第i點和第i-1點Vi的走時；αi、αi-1分別為激振源A到第i點和第i-1點的連線與井軸線的夾角。

單孔法的優點是：直接對地層測試，結果相對精確且不需要任何場地（只要能成孔），不同的巖性有不同的波速值來判斷采空區的充填效果，測試簡單便捷；缺點是需要鉆孔，一般情況下當勘測場地有其他鉆孔時，可適時選用勘探鉆孔進行單孔波測試。

2 鉆孔超聲波法的原理與方法

2.1 鉆孔超聲波法概述

巖石中聲波的傳播特征是巖石物理性態的反映，巖石介質內的聲速越高，反映出巖石越致密堅硬或裂隙較少，風化程度微弱，巖性較好，反之亦然。注漿技術正是充填空洞裂隙斷裂等的一種有效手段。由于漿液的注入，原巖體的空隙被充塞，漿液的凝膠、固結將原來破碎（不連續的結構面）的巖體膠結為較完整的巖體。注漿改變了原巖體的力學性態及其自身的結構，故注漿后巖體的聲速一般應比注漿前有明顯的提高；其次，因巖體常處于地下水和氣體的包圍中，注漿后巖體裂隙中的水或其他充填物將被水泥結石體所替代，巖石密度和強度都將提高，其聲速值也相應增大，因此根據超聲波檢測巖體注漿前后聲學參數值的對比，便可評價注漿質量的優劣［5-8］。

2.2 鉆孔超聲波法的設備與工作原理

（1）試驗儀器設備。試驗采用武漢中巖有限公司生產的SR-RCT松動圈測井儀（圖3），其主要性能為：采樣間隔為0.1～200μs；接收靈敏度大于30；記錄長度為0.5～1k；發射電壓500V或1 000 V可選；有1個發射通道和2個接受通道；一次提升測試2個剖面，發射脈寬為0.1～100μs可調；頻帶寬度為300～500Hz。

圖3 SR-RCT松動圈測井儀

（2）試驗過程。把儀器的絞車置于成孔，使超聲波發射兼接收探頭對準鉆孔的中心，在探頭沿鉆孔中心線下降的過程中，脈沖信號發生器發出一系列電脈沖加在發射換能器的壓電體上，壓電體將此信號轉換成超聲波脈沖并發射，超聲波脈沖穿過鉆孔側壁后部分被反射回來并為接收器所接收。依據反射信號的強弱和反射時間差，操作儀在打印紙上實時打印出曲線，根據圖像即可對鉆孔成孔質量進行直觀判斷［9-12］。

（3）數據處理。鉆孔內采用一發雙收裝置，利用聲波在一定距離沿鉆孔壁巖體滑行的時間來測定巖體的聲波速度，根據發射器到2個接收換能器的縱波初到時間Tp1、Tp2及2個接收換能器間距L，即可獲得鉆孔壁附近巖體的縱波速度

采空區注漿后受注層平均剪切波速（橫波）的確定參照現行的《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）關于剪切波速劃分場地土類型標準，注漿后的采空區相當于中硬土。由《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG／T D31-03—2011）可知，介質的縱波波速與橫波波速（Vs）之比與介質的泊松比有關，縱波與橫波的關系式為

由于采空區測井設備大部分測試的是縱波數據，而規范中規定的是橫波值，因此需要進行縱橫波換算。現場檢測巖土體縱波波速，通過縱波波速與1.73的關系計算橫波波速并作為參考值，即質量評價標準為縱波波速Vp＞432.5m·s-1。

3 注漿工程質量檢測成果分析

3.1 單孔波波速測試

鉆孔內測試點有28個，采樣間隔1.0m，其中背景值測試孔3個、注漿后檢測孔16個。選取4個典型鉆孔，特征如圖4～7所示。

從圖4～7可以看出：在ZK15檢測孔，卵石層單孔法平均橫波波速為422m·s-1；在ZK17檢測孔，卵石層單孔法平均橫波波速為435m·s-1；ZK18檢測孔，卵石層單孔法平均橫波波速為422 m·s-1；在ZK19檢測孔，卵石層單孔法平均橫波波速為412m·s-1。

圖4 ZK15孔單孔波速測試結果

3.2 鉆孔超聲波檢測

鉆孔內測試點有28個，采樣間隔為0.5m，其中背景值測試孔3個，注漿后檢測孔16個。選取4個典型鉆孔，特征如圖8～11所示。

圖5 ZK17孔單孔波速測試結果

圖6 ZK18孔單孔波速測試結果

圖7 ZK19孔單孔波速測試結果

圖8 ZK15孔超聲波測試結果

從圖8～11可以看出：ZK15孔強風化基巖平均超聲波縱波速為2 702m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 562m·s-1；煤層平均超聲波縱波速為2 352m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 360 m·s-1；中風化基巖平均超聲波縱波速為2 857m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 651m·s-1。ZK17孔強風化基巖平均超聲波縱波速為2 745m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 587m·s-1；煤層平均超聲波縱波速為2 358m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 363m·s-1；中風化基巖平均超聲波縱波速為2 861m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 654m·s-1。ZK18孔強風化基巖平均超聲波縱波速為2 650m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 532m·s-1；中風化基巖平均超聲波縱波速為2 863m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 655 m·s-1。ZK19孔強風化基巖平均超聲波縱波速為2 659m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 537 m·s-1；強風化煤層平均超聲波縱波速為2 357 m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 362m·s-1；中風化基巖平均超聲波縱波速為2 900m·s-1，換算后平均超聲波橫波速為1 676m·s-1。

圖9 ZK17孔超聲波測試結果

圖10 ZK18孔超聲波測試結果

3.3 鉆孔波速檢測成果與分析

根據檢測情況，背景值孔和檢測孔檢測結果列于表1、2。

本次檢測主要針對基巖地層，但在檢測過程中測得雜填土的橫波波速平均值為246m·s-1，粉土層的橫波波速平均值為228m·s-1，卵石層的橫波波速平均值為367m·s-1。通過背景值與注漿后檢測值的對比，卵石層的橫波波速平均值為437 m·s-1，橫波波速增長了70m·s-1，提高比率為19.1%。注漿后強風化基巖層縱波波速增長了296m·s-1，橫波波速增長了171m·s-1，提高比率為12.5%；煤層縱波波速增長了449m·s-1，橫波波速增長259m·s-1，提高比率為23.6%；中風化基巖層縱波波速增長了163m·s-1，橫波波速增長了94m·s-1，提高比率為6.0%；巖體的橫波波速大于250.0m·s-1，表明注漿后巖土體橫波波速有所提高，密實度得到提升。

圖11 ZK19孔超聲波測試結果

4 結 語

為了檢測注漿工程的效果以及測試方法的適用性，對注漿前后非注漿區（非采空塌陷段）進行了全孔測試，并按照巖性分段、分類進行波速統計對比，以獲取良好的背景資料［13-15］。在此基礎上，進行鉆孔內單孔波速與超聲波速測試，準確評價采空區注漿工程的質量。

單孔法波速檢測主要針對淺層巖土層，在本次檢測中主要檢測第四系松散物。第四系卵石層注漿前橫波平均波速為343m·s-1，注漿后橫波平均波速為401m·s-1，增長了58m·s-1，提高比率為17.0%。注漿工程對卵石層有一定的影響，由于卵石層相對穩定，空隙以及裂隙不發育，注漿前后波速變化不大，檢測結果與實際情況吻合。

超聲波波速檢測主要針對深層巖土層，在本次檢測中主要以強風化煤層檢測為主，其次為強風化基巖與中風化基巖。

（1）煤層注漿前橫波平均波速為1 197m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 451m·s-1，增長了254 m·s-1，提高比率為21.2%。由于煤層是受注層，空洞、裂隙發育，水泥粉煤灰結石體多，注漿前后波速變化大，兩者差值為254m·s-1，處理前后波速比為1∶1.11，注漿效果明顯。

表1 鉆孔波速檢測結果

（2）強風化基巖注漿前橫波平均波速為1 383 m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 535m·s-1，增長了152m·s-1，提高比率為11.0%。由于強風化基巖大多位于煤層之上，裂隙發育，水泥粉煤灰結石體較多，注漿前后波速變化較大，兩者差值為152m·s-1，處理前后波速比為1∶1.11，注漿對該巖層影響較大，注漿效果較好。

表2 超聲波檢測成果

（3）中風化基巖注漿前橫波平均波速為1 567 m·s-1，注漿后橫波平均波速為1 707m·s-1，增長140m·s-1，提高比率為8.9%。由于中風化基巖大多位于煤層之下，裂隙不發育，水泥粉煤灰結石體較少，相對于其他2個巖層，注漿前后波速變化不大，兩者差值為140m·s-1，處理前后波速比為1∶1.09，注漿有一定的效果。