陈火星
中国铁路南昌局集团有限公司龙岩工务段 364000
摘要：注浆是一种地下隐藏工程，目前检测注浆效果的方法较多，主要有人工开挖、载荷试验、标贯、钻探取芯、压水试验、瞬态面波法、电测深法、电磁波CT法等，单一的每种检测方法均有利弊，存在一定的局限性。本文通过工程实例，采用钻探取芯、压水试验、瞬态面波法三种方法探讨综合检测方法在整治岩溶路基注浆效果检测中的应用。
关键词：注浆；岩溶；路基病害；检测方法；钻探取芯法、压水试验、瞬态面波法、应用。
1.工程概况
漳泉线K11+200～+300段线路位于河流漫滩区段，左侧毗邻溪水，右侧60m临山分布多处矿井坑道及采空区，K11+240路基左侧坡脚外12m处原建有铁路给水所，受矿业开采影响，水源被污染，目前已经废弃。该段路基K11+280处2009年也曾经发生路基塌陷现象，铁路公司相关管理部门曾经组织过注浆处理。
2017年6月21日3时38分，K11+250线路中心陷穴，长0.6m*宽0.6m*深0.4m，在封锁抢修工程中陷穴继续扩大发展至长1.2m*宽1.0m*深3.0m，并延伸至右股枕木头。经现场踏勘、物探及地质钻探成果分析后初步判断，K11+200～+300线路下部存在三处塌陷病害异常点。原因为：该段路基地基基础岩溶发育，受大深溪河流水量丰枯变化影响，该段地下水位变化起伏较大，导致该段岩溶地基细颗粒流失显著，充填物地层松散，溶洞顶隔板负压显著，同时受列车震动影响，岩溶地基形成塌陷。
为防止病害范围继续扩大，保证线路运营安全，对K11+200～+300路基本体及地基采取钻孔注浆加固处理。设计注浆钻孔深度一般在25～30m范围内，采用直孔和斜孔相结合的方式对路基进行注浆加固，注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥单液注浆，或根据浆液扩散情况采用水泥、水玻璃双液注浆，钻孔沿线路方向孔间距2～3m。岩层终孔压力控制在0.3～0.5Mpa，闭浆30分钟。形成一道注浆隔离带，起到局部阻隔地下水之间的水力联系，加固路基松散填土层、圆砾土层及溶洞或基岩裂隙的作用，从而保证路基本体的安全。
2.钻探取芯检测
钻探取芯检测，是注浆效果检查的方法之一。本次共布置检查孔6孔，其中有6孔见有水泥结石，可见结石率100%。
3.压水试验检测
3.1压水试验设备和方法
本次压水试验所采用的主要设备为国产XY-100工程地质钻机、水表、双缸往复式水泵、时钟和压力表等。压水试验采用自上而下按土层和岩层分段进行压水试验，压水试验段的钻孔直径采用108mm。
3.2 压水试验结果
根据本段的压水试验结果，基岩面以上注浆后土层在100～150KPa压力下的单位吸水率为0.073～0.187（L/min·m·m），平均单位吸水率为0.115（L/min·m·m）；注浆后灰岩段地层在100～150KPa压力下的单位吸水率为0.028～0.075（L/min·m·m），平均单位吸水率为0.051（L/min·m·m）。
4.瞬态面波检测
4.1 概述
由于地质体的各向异性和不均匀性，导致水泥浆液渗透方向和注入量的不定性，因此钻孔取芯观察水泥结石率具有一定的偶然性。压水试验检验虽是一种比较好的方法，但工作效率低，有一定的局限性。瞬态面波法是随着计算机技术的发展而发展起来的一种新的物探检测方法。它是根据岩土体注浆前后面波速度大小和面波频散曲线形态变化进行综合分析评价注浆效果，能比较全面、客观地反映受浆介质体的实际状态，具有使用方便灵活、劳动强度低等优点，可以大面积的实施检测，能达到立体评价压浆质量的作用。
4.2面波检测原理及工作方法
在介质的弹性不连续面和介质表面，由于纵波和横波的反射和叠加形成一种沿介质不连续面或沿介质表面传播的波，这就是1885年由英国学者瑞雷提出来的面波的概念。
在均匀半无限空间中，瑞利面波水平方向的位移U（Z）和垂直方向的位移W（Z）可由（1）式和（2）式表示：
中：VP—纵波速度，VS—横波速度，VR—瑞利面波速度，ρ—密度，G—剪切模量δ—泊松比，E——杨氏模量，λ——拉梅常数。
VP、VS都是与介质的泊松比、密度、杨氏模量、剪切模量等有关，同理，由（3）、（4）式可见瑞利面波速度VR，也同VP、VS一样，可由介质的泊松比、密度、杨氏模量等力学参数来确定。
由此可见，瞬态面波技术是基于瑞雷波运动学特征和动力学特征，利用它的频散特性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行土层划分、研究岩土的工程性质的一种物理勘探方法，可以解决诸多的岩土工程问题。面波测试原理如下图1所示，面波在路基面传播具有一个重要特征就是它的频散特性，从理论上讲，面波在单一均匀介质中传播时，不会发生频散，而当介质物性发生变化时，面波传播会发生频散，对应的频散曲线会在相应地质情况发生变化的深度出现“之”字形拐曲甚至离散，也就是说，在非均匀介质中，不同频率的瑞雷波其传播速度是不同的。在上覆层疏松或有空洞存在，灰岩有岩溶发育时，物性都发生了变化，速度降低，因此在相应深度就会出现明显的“之”字形拐曲，在基岩中，当岩溶发育较严重时，甚至会导致频散曲线中断。在经压浆处理后，由于水泥浆的充填固结，使地层物性趋于均匀，相应频散曲线的频散情况会有明显的改善，变得光滑连续。因此通过对注浆段单点频散曲线的形态进行定性分析，根据各点面波速度绘制等VR图，进行分析比对，可以对岩溶注浆段的效果进行全面和整体的定性评价。
此外，面波浅层分辨率较高，且有别于折射或反射方法，不受各地层速度关系的影响，且野外场地要求不高，外业数据采集可操作性强，因此在评价地基完整性方面有着较大的优势。
4.3 外业工作布置与观测
4.3.1外业工作布置
结合现场注浆情况分别沿K11+200～K11+320线路中心左侧3m段（左侧路肩）、K11+200～K11+320线路中心左侧21m段（左侧坡脚）、K11+200～K11+320线路中心右侧3m段（右侧路肩）、K11+200～K11+320线路中心右侧14m段（右侧坡脚）布置地震面波测线四条，地震面波测点间距4m，共完成测线480m，地震面波测点124个。
4.3.2外业观测
地震作业使用WZG-24A型地震仪进行数据采集。
地震面波法采用采用锤击震源单边激发，4Hz检波器，24道采集，采样率0.5ms，采样点数2048，记录长度1024ms，全频接收，道间距2米，8m偏移距采集，点距4米，每24道作为一个记录排列。
4.3.3检查工作与质量评价
外业工作数据采集严格按照《铁路工程物理勘探规程》、《多道瞬态面波勘察技术规程》以及《铁路路基工程施工质量验收标准》要求进行，地震面波记录同相轴清晰，频率特征一致，远炮检距选取合理，检查点对比分析满足外业数据采集规范要求，质量合格。
4.4 物探资料整理与解释
4.4.1物探资料资料处理流程
地震面波资料处理相对较复杂，包括：1、回放现场采集的数据波形；2、X-T域进行瑞雷面波的识别，切除干扰波，提取面波；3、F-K域进行频谱分析，频率域面波极大值提取；4、Z-V域绘制频散曲线并对曲线进行拟合，反演求出各层速度、厚度，绘制出频散曲线成果图。
以K11+256.5左3m（检-1）压水试验孔处面波资料处理为例，通过在时间域对原始数据进行回放，如图2所示，利用黄色帚形时距窗口提取面波，并将X-T域弹性波数据使用二维傅立叶变换转换为频率波数域的频率谱数据，如图3所示，然后在F-K域对频谱数据进行谱分析，再沿频谱峰值（面波能量极大值）搜索面波的基阶模态，根据能量轴的频率和波数值，最后在深度速度域中绘制频散曲线如图4所示，频散点多而边续，并且频散曲线较光滑，无明显的“之”字形拐点，说明该点路基完整，无软弱层存在。对频散曲线进行速度比对，层厚La=2.0m，面波速度Va=250m/s，层厚La=10.0m，波速Va=290m/s，层厚La=20.0m，波速 Va=425m/s，层厚La=30.0m，波速Va=510m/s。
图2 K11+256.5左3m面波记录
图3 K11+256.5左3m频率基阶图
图4 K11+256.5左3m面波频散曲线
4.4.2压水试验孔位面波资料解释
按照以上对压水试验孔面波资料处理过程，对K11+200～+300段各压水试验孔位处面波资料分别进行解释，频散曲线见附图，各条频散曲线均匀连续，曲线圆滑，无明显的“之”字形拐点以及错断现象出现，其解释深度及相应层位瑞雷波速度如下表所示：
由于K11+200～+300段各个压水试验孔的单位吸水量注浆前基本在0.404～1.740L/min*㎡之间，注浆后其单位吸水量有非常明显的降低，均在0.073～0.284L/ min*㎡以内，同时从钻孔取芯的结果来看，岩芯完整且节理裂隙内浆液分布均匀，说明各个压水试验点处注浆效果显著，因此其相应测点处的面波频散曲线所反应的面波速度可以作为整体注浆效果评价的标准。
4.4.2 注浆段面波资料解释
4.4.2.1 K11+200～K11+320段线路中心左侧3m（左侧路肩）
K11+200～K11+320段线路中心左侧3m（左侧路肩）解释的各检测点面波频散曲线图见附图4。从单条频散曲线来看，各面波检测点频散点多而连续，曲线光滑，从形态上来看，无明显的“之”字形拐点以及曲线错断现象。
在本次注浆前对K11+200～K11+320段线路中心左侧3m（左侧路肩）进行过瑞雷面波检测，绘制的面波等VR图如图5所示。在注浆后，为了对注浆效果进行评价，重新对该段路基采用瑞雷面波方法进行了检测，绘制的面波等VR图如下图6所示。
从图5来看，注浆前K11+200～+260段面波速度明显偏低，速度等值线下凹，表明该范围内岩溶发育或覆盖层软弱松散。从图6来看，注浆后K11+200～+300段等值线整体较平顺，无明显低速异常区，层厚LR=10m处，波速VR=280～300m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=420～460m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=500～530m/s之间，比对上表1压水试验孔位检测点各层速度指标，各层速度基本均在压水试验孔面波频散曲线速度范围以内，表明注浆充填均匀，岩溶空洞和软弱松散等不均匀体有效固结为一个整体，地基的强度和其它力学指标有了明显的改善，该段整体注浆效果合格。未注浆段K11+300～K11+320受旁侧注浆影响，下部基岩面波速度较注浆前有所提高。
4.4.2.2 K11+200～K11+320段线路中心左侧21m（左侧坡脚）
K11+200～K11+320段线路中心左侧21m（左侧坡脚）解释各检测点面波频散曲线图见附图，从单条频散曲线来看，各个面波检测点频散点多而连续，曲线光滑，从形态上来看，无明显的“之”字形拐点以及曲线错断现象。
根据各检测点面波频散曲线反演各层面波速度绘制的K11+200～K11+320段线路中心左侧21m（左侧坡脚）面波等VR图如图7所示：
从等VR图上来看，K11+200～K11+280段面波速度整体较高，层厚LR=10m处，波速VR=430～530m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=650～800m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=700～810m/s之间；K11+280～K11+300在层厚LR=10m处，波速VR=340～430m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=440～650m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=550～670m/s之间，比对上表1压水试验孔位检测点各层速度指标，各层速度均在压水试验孔面波频散曲线速度范围以内，说明注浆充填均匀，岩溶空洞和软弱松散等不均匀体有效固结为一个整体，地基的强度和其它力学指标有了明显的改善，该段注浆效果合格。
4.4.2.3 K11+200～K11+320段线路中心右侧3m（右侧路肩）
K11+200～K11+320段线路中心右侧3m（右侧路肩）解释各检测点面波频散曲线图见附图，从单条频散曲线来看，各个面波检测点频散点多而连续，曲线光滑，从形态上来看，无明显的“之”字形拐点以及曲线错断现象。
在本次注浆前对K11+200～K11+320段线路中心右侧3m（右侧路肩）进行过瑞雷面波。检测，绘制的面波等VR图如图8所示。在注浆后，为了对注浆效果进行评价，重新对该段路基采用瑞雷面波方法进行了检测，绘制的面波等VR图如下图9所示。
从图8来看，注浆前K11+200～+270段面波速度明显偏低，速度等值线下凹，表明该范围岩溶发育或覆盖层软弱松散。从图9来看，注浆后K11+200～+300段等值线整体较平顺，无明显低速异常区，层厚LR=10m处，波速VR=280～320m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=420～460m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=500～510m/s之间，比对上表1压水试验孔位检测点各层速度指标，各层速度均在压水试验孔面波频散曲线速度范围以内，表明该范围内注浆充填均匀，岩溶空洞和软弱松散等不均匀体有效固结为一个整体，地基的强度和其它力学指标有了明显的改善，该段注浆效果合格。未注浆段K11+300～K11+320受旁侧注浆影响，下部基岩面波速度较注浆前有所提高。
4.4.2.4 K11+200～K11+320段线路中心右侧14m（右侧坡脚）
K11+200～K11+320段线路中心右侧14m（右侧坡脚）解释各检测点面波频散曲线图见附图，从单条频散曲线来看，各个面波检测点频散点多而连续，曲线光滑，从形态上来看，无明显的“之”字形拐点以及曲线错断现象。
根据各检测点面波频散曲线反演各层面波速度绘制K11+200～K11+320段线路中心右侧14m（右侧坡脚）面波等VR图如下图10所示。
从等VR图上来看，面波速度等值线较平顺，无明显的低速异常区域，且该测段面波速度整体较高。层厚LR=10m处，波速VR=420～660m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=540～780m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=700～850m/s之间，比对上表1压水试验孔位检测点各层速度指标，各层速度均在压水试验孔面波频散曲线速度范围以内，表明注浆充填均匀，岩溶空洞和软弱松散等不均匀体有效固结为一个整体，地基的强度和其它力学指标有了明显的改善，该段注浆效果合格。
5．注浆效果综合评价
1、根据比较注浆前后的钻探取芯检查孔所揭示的工程地质条件，包括覆盖层厚度、钻孔见岩溶率、钻孔线岩溶率等两者基本相同。注浆后钻孔岩芯中部份可见呈片状的水泥结石，溶洞充填物主要为粉质黏土夹卵石、灰岩碎块及煤，硬塑，充填物密实，局部可见水泥结石。
2、根据压水试验统计结果，土层单位吸水率平均值注浆前为1.122 L/min.m.m、注浆后为0.115 L/min.m.m。基岩单位平均吸水率平均值注浆前为0.830 L/min.m.m、注浆后为0.051 L/min.m.m。注浆后土层的单位吸水率为注浆土层的26.62%，降低了73.38%；注浆后岩层的单位吸水率为未注浆岩层的13.3%；降低了86.7%。水泥浆液充填了土层和岩层的空洞和裂隙，有效地固结了松散土层和节理、裂隙及溶蚀空洞发育的岩石，在岩土体结合处形成了有效的隔水帷幕，提高了岩土体的强度，注浆效果明显，质量合格。
3、面波检测表明：综合K11+200～K11+320段左3m、左21m、右3m、右14m测线面波处理结果，从单条频散曲线来看，各个面波检测点频散点曲线光滑，从形态上来看，无明显的“之”字形拐点以及曲线错断现象；从各测线面波等VR图来看，整体上面波速度随深度均匀成层状分布，层厚LR=10m处，波速VR=280～660m/s之间，层厚LR=20m处，波速VR=420～780m/s之间，层厚LR=30m处，波速VR=500～850m/s。又因为路肩地势高于坡脚，注浆时浆液会聚集于坡脚，因此坡脚较路肩面波速度偏高。同时对比各层速度基本均在压水试验孔位检测点面波速度范围以内，说明本测段内注浆较好的充填了节理、裂隙等结构面及溶蚀空洞，对软弱松散不均匀体产生了有效的固结作用，地基的强度和其它力学指标有了较明显的改善，注浆质量合格。
通过以上三种检测方法综合判定本段岩溶注浆效果明显，质量合格。
论文作者:陈火星
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第24期
论文发表时间:2019/7/31
标签：波速论文; 注浆论文; 散曲论文; 岩溶论文; 路基论文; 路肩论文; 线路论文; 《建筑模拟》2019年第24期论文;