基于并行電法的節理巖體注漿過程監測

周萬福，丁小平，康愛國，呂　超，梁德賢，張亞民（.寧夏公路建設管理局，寧夏 銀川　75000；.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州　6；.交通運輸部 公路科學研究院，北京　00088）

基于并行電法的節理巖體注漿過程監測

周萬福1，丁小平1，康愛國2，呂超3，梁德賢3，張亞民2
（1.寧夏公路建設管理局，寧夏 銀川750001；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116；3.交通運輸部 公路科學研究院，北京100088）

通過節理巖體注漿過程中不同部位的地電場響應特點試驗，獲得了巖體注漿過程中地電場參數瞬時響應規律。對采集數據運用視電阻率反演技術，得到了三維數據體，并能直觀地看出電阻率的變化，從而分析漿液擴散及對巖土體的改造情況。自然電位和激勵電流對漿液具有很好的敏感度，基于一定的電極排列及數據采集方式，可以很好地跟蹤漿液擴散狀態。了解注漿過程中地電場參數的變化有助于對漿液擴散規律的認識，也在一定程度上驗證了注漿改造效果。

節理巖體；注漿；地電場；參數響應

我國是世界上隧道修建規模與難度最大的國家，特別是隨著重大工程建設重心向地形、地質復雜的西部地區轉移，正在或即將修建大量的深長隧道工程，更是會經常遇到軟巖、破碎帶、構造斷裂帶等不良地質現象。據統計，我國鐵路和公路隧道，完全無滲漏情況的寥寥無幾，絕大部分隧道都存在不同程度的滲漏問題，滲漏部位遍及隧道各個部分。開展注漿防滲加固效果檢測和評價方面關鍵問題的研究，將不僅具有重要的現實意義，而且對充實和完善這一領域的科學理論具有重要的學術價值。目前，地球物理的電法手段成為巖土工程中的重要手段，然而，通過自然電場和人工電場相結合，利用自然電場和人工激發電場參數響應規律來反映漿液在巖土體中擴散過程，進行巖土體滲流的瞬態響應的研究目前較少。

基于此，本文進行了現場注漿試驗，通過在巖體模型中鋪設電極進行人工供電，并實時跟蹤監測電極測點處的地電場參數響應，研究注漿過程中的漿液滲流過程和地電場響應。

1　試驗研究

1.1場地條件

本次試驗在一處具有代表性的地點進行，該處巖層產狀190°∠18°，層理發育，各層厚度不一；節理方向雜亂，線密度約為16～18條/m。薄層巖石破碎情況嚴重，對施工造成了一定威脅，有發生變形與滲水的危險。試驗前對測試巖層區域進行了地質雷達測試，以更好地了解其內部構造裂隙發育及展布情況。測試結果表明：0～5 m范圍可見明顯層理；下部層理發育一般，巖石完整性強于表層，密實度較高。但在掘進過程中很可能由于應力釋放，內部裂隙張開，導致原被高地應力壓實在一起的較破裂巖塊分離，造成坍塌或突水事故。

1.2試驗方法

本次試驗目的為跟蹤裂隙巖體注漿漿液的擴散狀態，驗證注漿效果。試驗在六盤山隧道二標段的白堊系下統李洼峽組（K1l）地層中進行，巖體含有多條裂隙。設計4個注漿孔，采用直流并行網絡電法對注漿過程進行監測。在地下空間中進行電法工作，通過對圍巖供電，在圍巖中建立起全空間穩定電流場，該電流場的特征取決于圍巖巖體電場的空間分布。因此，按照下面公式求得的電阻率已不是某種介質的電阻率，而是對周圍電流場分布的三維空間體積范圍內圍巖電性的綜合反映，故稱為全空間視電阻率，用ρs表示。

式中：K為裝置系數；UMN為電位差；I為電流強度。

本次試驗巖層展布約有9 m2，布置有4個注漿孔口管，依次進行注漿。在11：00～11：30先對4個孔注入少量水，11：35開始注漿，采用水泥單液注漿。由于測試面積較小，并行網絡電法布置使用集中式16道電極，構成4×4的電極分布，可以滿足試驗要求。整個注漿及效果檢驗過程共進行60組網絡并行電法數據采集，對每個階段每組AM數據進行解編處理，得到地電場參數：電阻率、自然場和激勵電流，以此分析巖體滲流過程中地電場特征。

2　注漿試驗過程分析

2.1注漿過程中巖層電阻率特征分析

選取注漿前、注漿中、注漿后的電阻率（Resistivity）處理結果進行分析。未注漿前試驗巖體電阻率反演結果見圖1。圖1中可以看出，未注漿前該處巖體電阻率背景值約為200 Ω·m。局部呈高阻反應，可達800～900 Ω·m，由于測試前做過預注水，說明該局部高阻裂隙發育較少，所注水未進入。從另一方面反應了試驗地點巖體發育不均一，節理發育雜亂。

圖1　未注漿前試驗巖體電阻率反演結果（單位：Ω·m）

1號孔注漿過程中電阻率反演結果見圖2。圖2中可以明顯看出坐標（2，3）處出現高阻顯示，約為400 Ω·m。此處正是1號注漿孔所在位置，隨著漿液的注入該處電阻率升高，并將之前所注水驅趕到圖中右上角位置，使此處電阻率有所降低，約為100 Ω·m左右。電阻率背景值未發生變化，仍為200 Ω·m，利用與注漿管處高阻體的界線，可以圈定該注漿管注漿的擴散半徑，擴散半徑約為1 m。

圖2　1號孔注漿過程中電阻率反演結果（單位：Ω·m）

2號孔注漿過程中電阻率反演結果見圖3。圖3中可以看到新增了一處高阻區，該區域對應于2號注漿管位置，即隨著2號管逐漸開始注漿，該注漿管處巖體電阻率增高。同理可以圈定此處注漿擴散半徑，擴散半徑約為0.8 m。巖體電阻率背景值仍未發生變化，為200 Ω·m左右。

圖3　2號孔注漿過程中電阻率反演結果（單位：Ω·m）

3號孔注漿過程中電阻率反演結果見圖4。圖中出現3處高阻區，新增加的一處即為3號孔注漿所致。此處注漿擴散半徑為1.2 m左右。巖體電阻率背景值同樣仍未發生變化，為200 Ω·m左右。

圖4　3號孔注漿過程中電阻率反演結果（單位：Ω·m）

4號孔注漿過程中電阻率反演結果見圖5。巖體電阻率發生明顯變化，且與3號孔漿液擴散范圍交合，從而使3，4號孔周圍形成明顯的高阻，電阻率達到800 Ω·m以上，且巖體整體背景值升高到500 Ω·m。邊角處低阻區的形成是由于高阻體對電流的屏蔽，使電流向該處集中，從而表現為低阻異常。

圖5　4號孔注漿過程中電阻率反演結果（單位：Ω·m）

注漿后連續進行了數天數據采集，注漿后電阻率反演結果見圖6。從圖中可以看出巖體電阻率趨于穩定，多次觀測未發生大的改變，且電阻率值普遍在800 Ω·m左右，表明已達到注漿效果明顯，巖體阻水性能得到很大的提高。

2.2注漿過程中巖體地電響應特征

入滲過程中自然電位歷時曲線見圖7。從圖中可以看出在注漿過程中巖體自然電位有4處明顯的陡降，正好對應4個注漿管的注漿時刻，很明顯巖體自然電位與漿液的注入具有相關性。分析認為這4處陡降是由于注入水泥漿液所致，水泥漿液具有驅水及填塞巖石裂隙的作用，從而降低自然電位的產生。自然電位對漿液注入敏感，反應劇烈。由此，可以得出并行網絡電法是一種追蹤漿液在巖層中擴散情況的有效方法。另外，3道電極的所測自然電位的變化趨勢基本同步，表明了該處巖體的漿液可注性較好，擴散迅速，另一方面保證了巖體注漿的效果。

圖6　注漿后電阻率反演結果（單位：Ω·m）

圖7　入滲過程中自然電位歷時曲線

提取試驗3道電極分別與無窮遠B極的供電電流，形成一次場激勵電流進行分析。入滲過程中激勵電流歷時曲線見圖8。圖8中每個電極的激勵電流總體變化趨勢一致，這同樣驗證了該處巖體漿液可注性好。在11：35～15：00的注漿時間段內，各電極一次場激勵電流出現明顯的下降，這與該時間段內4個注漿孔依次注漿相對應。繼續注漿，激勵電流值上升并恢復，表明在注漿后期漿液對巖體裂隙等的充填已基本完成，與巖體結合較好。在后續幾天的驗證檢測中，激勵電流保持穩定，并比初始值有所減小，從側面驗證了注漿對降低巖體裂隙率及含、透水能力具有一定效果。可以看出，激勵電流對漿液有一定敏感性，當未注漿時，電流基本保持穩定，注漿時，電流值突變。而注漿后，電流值恢復并低于初始值，故通過對比分析在一定程度上驗證注漿的效果。

圖8　入滲過程中激勵電流歷時曲線

3　結論

本次巖體注漿跟蹤及驗證試驗，可以得出以下幾點結論：

1）通過并行網絡電法可以很好地跟蹤漿液的擴散狀態，并能驗證其改造效果。

2）通過對采集數據的視電阻率反演，可以得到三維數據體，并能直觀地看出電阻率變化情況，從而分析漿液擴散及對巖土體的改造情況。

3）自然電位對漿液具有很好的敏感度，通過一定的電極排列及數據采集方式，可以很好的跟蹤漿液的擴散狀態；激勵電流同樣對漿液具有很好的敏感度，可以從另一個角度跟蹤漿液擴散狀態，并能通過前后對比在一定程度上驗證注漿改造效果。

［1］JI H B，CHEN Y X，CHEN S Z.Numerical and Experimental Fractal Pore Network Study on Drying of Porous Media：Model Building［J］.Advanced Materials Research，2012，26（10）：557-559.

［2］KOYAMA T.Stress Flow and Particle Transport in Rock Fractures［D］.Stockholm：Royal Institute of Technology，2007.

［3］PAUL F W，DONALD H G.The Application of Eophysical Methods in the Exploration and Development of Sandstone Aquifers［J］.Quarterly Journal of Engineering Geology& Hydrogeology，1975（8）：73-102.

［4］JU Y，XIE H P，ZHENG Z M，et al.Visualization of the Complex Structure and Stress Field Inside Rock by Means of 3D Printing Technology［J］.Chinese Science Bulletin，2014，59 （32）：3109-3119.

［5］張貴賓，MAURICE A.火山地區二維自然電位異常反演［J］.地球物理學報，1996，36（6）：835-844.

［6］張貴賓，劉劍玲，MAURICE A.火山巖地區勘探地下水過程中自然電位異常的解釋［J］.地球科學（中國地質大學學報），1996，21（3）：341-344.

［7］劉盛東，王勃，周冠群，等.基于地下水滲流中地電場響應的礦井水害預警試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（2）：267-272.

［8］鄭燦堂.應用自然電場法檢測土壩滲漏隱患的技術［J］.地球物理學進展，2005，20（3）：854-858.

［9］鄭燦堂.土壩自然電場的分布特點［J］.地球物理學進展，2005，21（2）：665-669.

［10］王齊仁.自然電場分布規律及其分析［J］.湘潭礦業學院學報，1992，7（1）：38-42.

（責任審編趙其文）

Monitoring of Grouting Process in Jointed Rock Mass Based on Parallel Electrical Method

ZHOU Wanfu1，DING Xiaoping1，KANG Aiguo2，LYU Chao3，LIANG Dexian3，ZHANG Yamin2
（1.Ningxia Highway Construction Administration，Yinchuan Ningxia 750001，China；2.School of Resources and Earth science，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China；3.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China）

T hrough the response characteristics test for different parts of the geoelectric field during the grouting process of jointed rock mass，the instantaneous response law of geoelectric field parameters was achieved.By using apparent resistivity inversion technique to collected data，the 3D data were got，the change of resistivity could be observed directly，and the slurry diffusion and reconstruction condition of rock mass were analyzed.Natural potential duration and exciting current have a good sensitivity to grouting，which could be used to track the slurry diffusion state based on a certain arrangement of electrodes and data collection methods.Understanding the variation of geoelectric field parameters in the grouting process is helpful to summarize the slurry diffusion law and verify the effect of grouting reconstruction to a certain extent.

Jointed rock mass；Grouting；Geoelectric field；Parameter response

TU472.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.22

1003-1995（2016）08-0089-04

2015-11-26；

2016-05-12

交通運輸部西部交通建設科技項目（2013318J12330）；國家自然科學基金（41102201）

周萬福（1966— ），男，教授級高級工程師。