基于井間地震CT技術的水泥漿灌注質量檢測

陳 忠，楊海兵，朱月笙，趙為洪，鄭 偉

(1.江蘇省有色金屬華東地質勘查局807隊，江蘇 南京 210041； 2.江蘇華東新能源勘探有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

在灰巖地區，由于地下水徑流發達，地基中土洞、疏松體、溶洞十分發育，常發生地面塌陷，從而影響了地面建(構)筑物長期安全運營。對此，常規手段是對土洞、疏松體、溶洞進行灌注水泥漿作業[1-2]，確保地基土本身及灰巖面以下一定深度范圍內地層密實。灌漿作業結束后，需要對灌注質量進行檢測，判斷土洞、溶洞和疏松體是否被水泥漿充滿，灌注是否密實均勻等信息。常規水泥漿灌注質量評價方法有鉆孔取芯目測、鉆孔電視檢測、地質雷達[3]、井間電磁波CT檢測[4]。前兩種方法只能得到孔壁上水泥漿灌注痕跡，不能檢測一定面積范圍內的水泥漿灌注質量，而地質雷達、井間電磁波CT受地下水影響明顯[5]，檢測深度、距離受到限制。針對常規檢測水泥漿灌注質量技術的不足，作者采用井間地震CT技術，以井間地震CT數據為基礎，對水泥漿灌注質量進行了評價。

1 工程概況及場地工程地質條件

擬建建筑物由2幢47層住宅樓、1幢58層商業辦公樓及2層～7層商業裙房組成。場地地層分布情況見表1。

表1 場地地層分布情況表

場地第四紀沉積物下伏灰巖為早、中三疊世青龍組(T1+2x)，埋深75.6 m～86.2 m，青龍組灰巖為一套淺海相碳酸鹽沉積物，成分為碳酸鈣(CaCO3)，中厚層，含泥質，微晶結構，裂隙發育，巖芯破碎現象較普遍，說明古巖溶強烈發育，溶洞多為泥質充填，半充填及空溶洞較少。

2 水泥漿灌注技術

用水泥漿對地基進行了灌漿處理，以提高地基承載力，同時充填巖溶洞隙，灌漿方式用袖閥管高壓注漿形式，灌漿對象為樁端周圍土、下伏灰巖[6-7]。場地內注漿加固工程共布置了36個注漿孔(見圖1)，注漿孔深度90 m，深度為灰巖面下6 m，遇溶洞將溶洞全部注漿處理，注漿孔間距10 m。

基于節約成本的考慮，注漿前利用注漿孔，采用井間地震CT查明場地范圍及有影響地段的巖溶洞隙的位置、規模、埋深，巖溶堆積物的性狀；注漿28 d后采用井間地震CT對注漿孔進行探測，查明場地范圍及有影響地段的巖溶注漿后填充效果，要求縱波波速不小于2 000 m/s。如果未達到注漿地段縱波波速不小于2 000 m/s的要求，則應進行二次及多次注漿，直至達到要求。

3 水泥漿灌注質量檢測

3.1 檢測原理

地震縱波在介質中傳播時，其路徑隨介質的破碎、溶蝕、風化程度等反映出的密度而變化，根據接收到的初至波走時信息，對介質的內部結構進行判釋。然后依據所測得的精確旅行時間進行反演計算，求出目標體的大小、深度等，井間地震CT是利用不同巖土體的彈性縱波速度差異來劃分地質體，重建地下介質結構圖像[8-11]。

地震縱波走時介質速度的分布關系，可用如下方程表示：

其中，t為走時(縱波由發射到接收所需的時間)；V(x)為介質的縱波速度；R(t)為射線的路徑；dx為射線穿越子區域的長度。

由上式可以推斷出地震縱波CT的原理：當地震縱波穿過介質的速度發生變化時，其走時也隨著發生改變，將多條通過介質的地震縱波射線走時提取出來，反算出介質的地震縱波速度空間分布圖像，通過速度空間分布推斷出介質的密度，進而由密度得到水泥漿灌注質量。

孔間地震CT技術的觀測系統主要有以下幾種：

1)共炮點數據采集系統，將震源固定在一口井中，在相鄰的一口或多口井中按一定距離移動接收點來完成數據采集(見圖2)。

2)共接收點數據采集系統，將檢波器固定在一口井或多口井中，在相鄰井中按一定距離移動震源來完成數據采集。

3)炮點和接收點同步移動數據采集系統，炮點和接收點平行同步，由淺向深或由深向淺按一定距離等間距移動,每炮一個檢波器或多個檢波器接收。

3.2 現場數據采集

現場數據采集系統主要設備如表2所示。

表2 井間地震CT主要設備、性能指標參數表

數據采集采用炮點和接收點同步移動數據采集系統，主要步驟如下：

1)把道間距0.5 m，12道水聲檢波器放入檢測范圍內某一注漿孔中。

2)把電火花震源放入檢測范圍內另一個注漿孔中。

3)調整激發點的深度使其與最下邊檢波器等深度相等并激發，另一注漿孔中的12道水聲檢波器接收并記錄數據。

4)上提震源1.0 m進行第二個激發點的激發并記錄數據，并重復該過程12次。

5)震源上提5.5 m，上提檢波器3.0 m，使得震源位置和最下邊檢波器處于同一深度的位置。

6)重復步驟2)～步驟5)，直至目標孔段數據采集結束為止。

7)數據一側采集結束后，將檢波器和震源交換孔位，重復步驟2)～步驟6)的工作。

3.3 檢測結果分析

資料的數據處理按以下步驟進行：以提高信噪比為目的的數據濾波；讀取初至運行時；計算機反演；CT圖像成圖。其中在計算機反演、CT圖像成圖時，通過二維最短路徑最小走時法射線追蹤確定模型旅行時和雅可比矩陣的正演模擬及最小二乘共軛梯度法LSQR算法的反演計算，由旅行時數據反演井間縱波速度的分布(見圖3)。

由圖3可知：

1)測試深度-75 m～-88 m，剖面寬度14 m。

2)ZK2在-75 m～-80.8 m范圍為黏土層，-80.8 m～-88 m為灰巖層，而ZK19在-75 m～-79.85 m范圍為黏土層，-79.85 m～-88 m為灰巖層。

3)土巖結合面高程-79.8 m～-80.5 m。

4)注漿前用井間地震CT技術探測，剖面測點間平均縱波速度Vpa=2 521 m/s，最小波速Vmin=1 635 m/s，最大波速Vmax=3 369 m/s。

5)剖面總體波速上部小于下部，土巖結合面之下存在低速區，波速不大于2 000 m/s，通過注漿孔鉆探推測巖溶較為發育，多為黏土或碎石充填。

6)第一次注漿后，土巖結合面之下的低速區，波速在2 000 m/s～2 100 m/s之間。

7)第二次注漿后，剖面內測點間平均縱波速度Vpa=2 725 m/s，最小波速Vmin=2 135 m/s，最大波速Vmax=3 369 m/s，低速區消失，波速不小于2 100 m/s。

4 結語

1)可以利用井間地震CT技術，通過縱波速度可以判斷灰巖地基中水泥漿灌漿質量，溶洞、土洞或疏松體由于被水泥漿充滿，縱波速度顯著提高。

2)從速度圖像上看，井間地震CT技術對巖土層界限相對比較清晰，對溶洞洞體顯示的“低速度”異常區也較明顯。