電磁波CT法巖溶路基注漿質量檢測標準

基金項目： 鐵道部科技研究開發計劃項目（2009G010-A）

作者簡介： 胡熠（1984-），男，博士研究生，研究方向為地質工程與巖體工程，電話：13880776780，E-mail：ayize@163.com

文章編號： 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量電磁波CT檢測標準，對南廣鐵路巖溶路基試驗區段的64個剖面進行了電磁波CT測試，對粘土層、卵石土層和溶洞等地下介質注漿前后電磁波吸收系數的差值進行了分析.結果表明，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檢測注漿合格標準為：卵石土層和溶洞注漿前后電磁波吸收系數差值分別大于0.2和0.4 dB/m.

關鍵詞： 電磁波CT；電磁波吸收系數；巖溶路基；注漿質量；檢測標準

中圖分類號： U416文獻標志碼： A

近年來，隨著我國鐵路建設的迅猛發展，大量高速鐵路修建在巖溶發育地區.高速鐵路對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巖溶路基進行加固.由于注漿加固屬于隱蔽工程，對注漿加固質量進行檢測十分重要[1].TB10035—2006《鐵路特殊路基設計規范》規定：對采用注漿加固的地基，應采用物探、壓水試驗配合鉆孔取芯等綜合方法進行注漿效果檢測及評價[2].

然而，對于具體的檢測方法和標準，規范沒有具體規定，各鐵路設計院在注漿加固檢測中采用的方法和標準不完全統一.鉆孔取芯觀察水泥結石率是一種直觀、準確的檢測方法，但其檢測結果具有很大的偶然性；壓水試驗的設備笨重，工作效率低，且作業規程和檢驗標準目前尚不統一；物探方法中進行過理論研究并擁有推薦檢測標準的只有瞬態面波法一種，但瞬態面波法受覆蓋層厚度、施工現場震動和地面障礙物的影響較大，無法在所有區段開展工作.因此，現有的巖溶注漿加固檢測方法已不能滿足高速鐵路巖溶路基注漿檢測的要求，迫切需要研究新的注漿質量檢測方法.

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對地下洞穴的位置、大小把握準確，在覆蓋層較厚或有地面障礙物阻擋時有獨特的優勢[3].過去30多年中，電磁波CT在國內外工程地質勘探中得到了廣泛應用，已擁有較成熟的理論和大量實踐經驗.在注漿檢測方面，電磁波CT在采空區注漿加固檢測中有過嘗試，對檢測方法也進行了探索[4-5]，但尚缺乏系統研究，未提出有效、可靠的檢測評價標準.

本文以在建的南廣鐵路為依托，對用電磁波CT法檢測注漿加固效果的評判方法進行了研究，得到了適用于南廣鐵路巖溶路基的電磁波CT注漿質量檢測評判標準，為南廣鐵路巖溶路基注漿質量電磁波CT檢測評價提供了依據，也為今后巖溶路基注漿質量檢測提供了一種可借鑒的檢測方法和評判標準.

1電磁波CT檢測原理

1.1電磁波CT基本原理

1.2檢測原理

由于水泥漿和巖溶路基中地質介質的電磁波吸收系數差異較大（表1），因此，當水泥漿注入溶洞或裂隙后，該區域的電磁波吸收系數將產生不同程度的變化.

利用這一特性，可以在巖溶路基注漿前后分別進行電磁波CT測量，對比注漿前后電磁波吸收系數，根據注漿前后電磁波吸收系數的變化情況判斷注漿效果.

2試驗區段選取

為使研究成果能在南廣鐵路全線應用，試驗區段在地形地貌、巖溶發育程度及地下水特征等方面應具有代表性.根據南廣鐵路前期勘察資料，在南廣鐵路158 km巖溶發育區中篩選出8段共計6 557 m巖溶路基作為電磁波CT試驗區段，共進行64個剖面的電磁波CT試驗.試驗區段沿線覆蓋型巖溶段落長度占巖溶段落的96.4%，試驗區段地質概況見表2.

3現場試驗方法

3.1儀器選取

用電磁波CT法檢測注漿質量，使用的儀器為國土資源部物化探研究所研制和生產的JW-5Q型地下電磁波儀（圖1）.該套設備在全國范圍內銷售已超過200套，在我國鐵路行業中具有極高的普及性，用該套設備進行試驗研究，所得結論能很好地推廣應用.

3.2測量方法及剖面布置

進行電磁波CT測試時，先將發射機和接收機分別放置到測試孔中預先設定的位置，然后保持發射機不動，按照預先設置的間距移動接收機，每到一個設定的深度接收一次電磁波場強；當完成一個測試孔的測試后，移動發射機到下一位置，接收機按照上述步驟繼續接收電磁波場強，直到發射機和接收機完成所有位置的發射和接收，見圖2.

測量時需要設定工作頻率，工作頻率低，透射距離長，但精度相對較低；工作頻率高，則透射距離短，但精度較高.測量時設置10、15、20、25和30 MHz同時進行測試.測量結束后發現，由于部分測試剖面透射距離較遠且巖層破碎，只有10 MHz頻率能滿足所有剖面的透射要求，因此數據處理時，均采用頻率10 MHz的數據進行層析解釋，以保證結果的統一.

測試時發射機與接收機移動間距均為1 m.測量采用兩孔互換的方式，即完成一個剖面的測試后，將接收機與發射機互換到對方孔中重新測量一次，并綜合2次的測量結果一并進行層析處理.

在8個試驗區段中劃分出11個電磁波CT測試區，利用已有注漿孔作為電磁波CT測試孔.每個測試區布置4個測試孔，測試孔呈矩形分布（圖3）.分別測試矩形4邊和2條對角線方向的6個剖面.

3.3注漿后測試時間的選擇

注漿后水泥漿將隨時間逐漸凝固，在此期間，水泥漿不同的凝固情況會得到不同的電磁波CT測量結果，不同測量結果對應不同檢測標準.因此，為采用同一標準，需要對注漿后隨時間變化的電磁波CT測量結果進行分析，以確定適當的檢測時間.選取DK6+205剖面注漿1、3、5、7、9、14、20和28 d后進行電磁波CT測試，分析剖面溶洞位置水泥漿電磁波吸收系數的變化情況，見圖4.

從圖4可見，注漿后1～7 d，電磁波吸收系數快速增長，第7天達到4.81 dB/m；注漿后7～28 d，電磁波吸收系數基本保持不變.因此可以認為，注漿7 d后水泥漿的電磁波吸收系數已趨于穩定.據此確定的適當的檢測時間為注漿7 d以后.

4現場實測數據解釋分析

由于試驗區段中電磁波CT測量剖面較多，因此選擇DK6+355.5剖面為例，對現場實測數據進行說明.

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8.0 m鉆孔處深度12～13 m為充填溶洞，根據鉆孔巖心顯示，基巖表面的巖體較破碎，深度到達15 m以下后基本為完整的石灰巖.

注漿前先采用類似壓水試驗的方法進行洗孔，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，有利于注漿過程中水泥漿的擴散.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的測量在洗孔工作完成后進行，得到的電磁波吸收系數等值線見圖6（L為透射距離）.

從圖6可見，在深度3～8 m范圍內，電磁波吸收系數在2～3 dB/m之間，且等值線過渡均勻、平緩，對照鉆孔剖面圖，該范圍正好位于土層中.

當深度8 m以下時，左右兩側均出現電磁波高吸收異常區，電磁波吸收系數達4 dB/m以上，對照鉆孔剖面圖，其異常位置位于溶洞和基巖表層的巖體破碎區域，并大致能顯示出溶蝕凹槽的形態.

當深度15 m以下時，電磁波吸收系數開始逐漸降低，鉆孔剖面圖中顯示為完整基巖，電磁波測量結果與鉆孔剖面圖十分吻合.

注漿后對DK6+355.5剖面進行電磁波CT測量，將注漿后的電磁波吸收系數減去注漿前的電磁波吸收系數，得到注漿前后電磁波吸收系數差值等值線（圖7）.從圖7可見，注漿后原有的溶洞和巖體破碎區域電磁波吸收系數明顯提高，差值達0.8 dB/m以上，而土層注漿前后電磁波吸收系數變化較小，完整基巖區域注漿前后電磁波吸收系數基本未發生變化.

5試驗結果統計分析

5.1實測數據統計

電磁波CT測試結束后，采用現場開挖、鉆孔取芯和壓水試驗等多種手段對電磁波CT試驗剖面的注漿效果進行驗證.確定了41個注漿合格的剖面，對這41個注漿合格剖面中的黏土層、卵石土層、石灰巖層和溶洞4類地質介質注漿前后的電磁波吸收系數差值進行統計分析.由于不同工作頻率得到的電磁波吸收系數各不相同，為使所有樣本保持一致性，統計分析中均采用工作頻率為10 MHz的測試結果.

石灰巖層在注漿時水泥漿幾乎無法進入其中，因此其注漿前后的電磁波吸收系數基本相同.完整石灰巖層注漿前后電磁波吸收系數差值見表3.從表3可見，所有剖面石灰巖層的電磁波吸收系數差值均小于0.10 dB/m.

黏土層在注漿時水泥漿雖然較石灰巖層注入得多，但是總體上依然較少.黏土層注漿前后電磁波吸收系數差值見表4.從表4可見，黏土層的電磁波吸收系數差值最大不超過0.12 dB/m，其中小卵石土層相對黏土層和完整石灰巖層空隙多，注漿時水泥漿更容易進入.卵石土層注漿前后電磁波吸收系數差值見表5.可見，卵石土層的電磁波吸收系數差值均大于0.20 dB/m.

溶洞在注漿過程中漿液進入最多.試驗區段中有的剖面具有多個溶洞，在統計工作中把同一剖面中的不同溶洞都算作一個樣本進行統計.

溶洞位置注漿前后電磁波吸收系數差值見表6.

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

5.2南廣鐵路巖溶路基注漿質量電磁波CT檢測標準

上述分析結果表明，黏土和石灰巖層空隙較少，注漿時水泥漿難以進入，除個別剖面中黏土層注漿前后電磁波吸收系數差值大于0.10 dB/m外，其他都小于0.10 dB/m，這可能是由于測量誤差引起的.因此可以認為，在南廣鐵路試驗區段中，注漿對黏土和完整基巖幾乎沒有作用，注漿前后相應的電磁波CT測試結果差異也不大；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測試結果差異較明顯，注漿前后電磁波吸收系數差值分別大于0.20和0.40 dB/m，遠大于黏土或石灰巖層，同時也超出測量誤差影響范圍.

可見，采用電磁波CT法可以檢測出溶洞或卵石土的注漿效果.根據統計結果，得南廣鐵路巖溶路基電磁波CT檢測評判標準見表7.

由于上述標準是依據南廣鐵路試驗區段的現場測試數據得到的，根據南廣鐵路巖溶路基段設計的注漿方法，注漿前用2 MPa的水壓對注漿孔進行洗孔，洗孔后巖體裂隙間的貫通性更好，同時原有的充填溶洞也會變成半充填溶洞或空洞.

由于注漿施工方法的不同，其他地區的巖溶路基在注漿前會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的表現形式存在差異，同時注漿后電磁波吸收系數有可能提高，也有可能降低.因此，提出的評判標準不能直接應用到其他工程巖溶路基注漿檢測，但可供同類工程參考.

6結論

通過電磁波CT法注漿檢測的現場試驗，得到以下結論：

（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量的檢測，檢測方法為注漿前后分別進行電磁波CT測試，根據注漿前后電磁波吸收系數的差值來評判是否達到合格標準.

（2） 注漿后電磁波吸收系數將隨水泥漿的凝固程度發生變化，當凝固時間達到7 d后，電磁波吸收系數基本穩定，因此注漿后電磁波CT測試應在注漿完成7 d后進行.

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

上述評判標準依據南廣鐵路試驗區段的現場測試結果，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，但可供同類工程參考.今后還需進一步積累資料，修正并完善該檢測方法和評判標準.

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