張世杰 唐廣輝
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055;)
在可溶巖地區(qū)修建鐵路工程,常常受到巖溶的困擾,由于巖溶的空間發(fā)育形態(tài)十分復(fù)雜,具有很大不確定性,導(dǎo)致巖溶地區(qū)的勘察工作難度很大,目前普遍采用的物探普查、鉆探驗證受到很多因素的制約(如巖石的節(jié)理、裂隙可能被誤判,路塹地段土方尚未開挖,地表起伏的影響,物探本身的多解性),難以查清其發(fā)育狀態(tài),導(dǎo)致加固處理措施針對性不強,通常采用巖溶注漿措施加固[1-2],但注漿工程量無法準(zhǔn)確計算,只能估算。
巖溶注漿數(shù)量大,單價高,準(zhǔn)確核實注漿數(shù)量意義重大,此問題已經(jīng)引起了建設(shè)單位的高度重視,也一直是工程審計工作的重點。如何相對準(zhǔn)確的核定巖溶注漿工程數(shù)量一直是工程界的一道難題。
孔內(nèi)攝像法是沿著鉆孔豎向采用攝像技術(shù)[3-5],對孔壁進行拍攝和觀察,識別孔壁缺陷、位置、形式、程度的檢測方法。
攝像探頭由攝像機、照明光源、錐形反光鏡、透明攝像窗、指北針、遙控調(diào)焦裝置等組成。通過錐形反光鏡攝取孔壁四周圖像,自動采集圖像,并進行展開、拼接處理,經(jīng)計算機進行編輯處理,形成全孔壁柱狀圖像供使用(如圖1)。
圖1 基樁孔內(nèi)攝像設(shè)備連接示意
孔內(nèi)攝像法在基樁檢測、路基填筑檢測、巖體完整性檢測及礦產(chǎn)開采等多領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛[6-13],技術(shù)趨于成熟。
把巖溶區(qū)的鉆孔看作是待檢測的基樁,通過孔內(nèi)攝像的影像資料,可以真實反應(yīng)孔內(nèi)巖溶發(fā)育情況。
但巖溶不同于單獨的基樁,需要的是一個工點區(qū)域內(nèi)巖溶的總體發(fā)育情況,為此采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對各鉆孔的數(shù)據(jù)進行分析,獲得具有統(tǒng)計意義的一定區(qū)域巖溶發(fā)育情況,對于認(rèn)識和把握工點區(qū)域巖溶發(fā)育程度,指導(dǎo)巖溶加固處理,核對注漿加固工程數(shù)量具有現(xiàn)實意義。
根據(jù)現(xiàn)場情況,確定了孔內(nèi)攝像為主,局部發(fā)現(xiàn)溶洞時采用超聲成像技術(shù)確定溶洞空間位置的工作方案。
大范圍開展工作前,通過孔內(nèi)攝像成果和鉆孔巖芯的對比,進一步確定黏性土覆蓋層、角礫土層、巖石風(fēng)化層、節(jié)理裂隙的圖像特點,為準(zhǔn)確分析判斷巖溶的發(fā)育狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。之后開展大范圍的孔內(nèi)攝像工作。
成果整理階段通過軟件把圖像拼接成連續(xù)圖片,并對圖片上的地質(zhì)特征(包括巖石完整、破碎,裂隙發(fā)育程度、傾向、傾角和寬度,溶蝕現(xiàn)象等)進行解釋和描述,典型的孔內(nèi)攝像成果資料如圖2、表1所示。
圖2 孔內(nèi)攝像成果
表1 攝像成果分析匯總
由于所有的裂隙都是損耗漿液的因素,所有裂隙都作為參與線溶率的統(tǒng)計。上表裂隙總寬度217.5 mm,鉆孔總長度4 666 mm,統(tǒng)計線溶率為217.5/4 666=4.66%。
本次進行孔內(nèi)攝像共8個工點814.64延米,里程范圍和工作量如表2。
孔內(nèi)情況按照空洞(裂隙)、充填溶洞和無溶洞三部分分別統(tǒng)計,三部分的含義見圖3。
表2 工作范圍及工作量統(tǒng)計
圖3 孔內(nèi)巖溶分類示意
對全部1 510個數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計基本反應(yīng)出該區(qū)域巖溶發(fā)育整體情況。
圖4 線巖溶率分布情況
圖4 表明,78.3%的鉆孔不存在任何巖溶(含溶蝕、裂隙)現(xiàn)象,21.7%的鉆孔存在巖溶(包括空洞和充填溶洞和裂隙)現(xiàn)象。
圖5表明,線巖溶率(包括空洞、充填溶洞和裂隙)分布在0% ~60%之間,78.3%鉆孔線溶率為零。
圖5 線巖溶率分布情況統(tǒng)計
將圖5的縱向比例放大即為圖6,可以看出,在存在巖溶的孔內(nèi),4%的巖溶率是發(fā)生機率最大的,占全部鉆孔的2.5%,占存在巖溶鉆孔的11.5%。
圖6 線巖溶率分布情況統(tǒng)計(縱向放大)
按照《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)中推薦的統(tǒng)計方法進行數(shù)理統(tǒng)計[14]。
主要參數(shù)按照下列公式計算平均值fm和標(biāo)準(zhǔn)差σ
式中 fi——巖土無力力學(xué)指標(biāo);
n——同類地質(zhì)條件下或同層位數(shù)據(jù)個數(shù)。
巖土參數(shù)的變異系數(shù)δ按下式確定
巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值按下式確定
式中 fk——巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值;
γs——統(tǒng)計修正系數(shù)。
各工點統(tǒng)計結(jié)果如表3(空洞和已充填溶洞分別統(tǒng)計)。
按照上述統(tǒng)計數(shù)據(jù),分別估算各區(qū)域需要的注漿數(shù)量,計算假設(shè)條件如下:
(1)線溶率只能體現(xiàn)縱向巖溶發(fā)育程度,不能反應(yīng)巖溶橫向的發(fā)育狀態(tài),考慮到鉆孔均勻布置,假設(shè)所有溶洞(裂隙)的橫向發(fā)育寬度為鉆孔間距,也就是將線巖溶率看作體巖溶率。
(2)加固范圍內(nèi)所有空洞是全部聯(lián)通的,空洞可以完全被注漿充填,已充填溶洞體積的25%可以被注漿充填。
(3)加固區(qū)內(nèi)外是隔離的,不考慮注漿大量流失到加固區(qū)以外(實際施工過程中如果出現(xiàn)個別鉆孔大量漏漿現(xiàn)象,需單獨研究帷幕注漿工藝和漿液控制方法,個別處理、單獨計量)。
(4)注漿流失系數(shù)1.3(考慮施工損耗和漿液滲入微裂隙)。按照上述假定條件,計算結(jié)果如表4。
表3 各工點線巖溶率統(tǒng)計結(jié)果
(1)孔內(nèi)攝像方法通對孔壁進行拍攝和觀察,能夠直觀、清晰的識別巖溶發(fā)育的位置、形式、程度,加深對巖溶的直觀認(rèn)識,對于判斷巖溶發(fā)育狀態(tài),評估對工程的危害,確定加固措施,估算工程數(shù)量能夠起到一定指導(dǎo)作用。
(2)從1 510個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果分析,本區(qū)域的巖溶以弱發(fā)育為主,78.3%的區(qū)域無巖溶發(fā)育的現(xiàn)象,21.7%的區(qū)域存在巖溶發(fā)育現(xiàn)象,但絕大多數(shù)溶洞已被充填,空洞的體積比僅為0.31%。
(3)建議在施工階段執(zhí)行“先探后灌”的原則,先期大間距開展孔內(nèi)攝像,宏觀把握工點巖溶的發(fā)育狀態(tài),劃分不同的區(qū)域,之后在重點區(qū)域加密勘探點,開展動態(tài)設(shè)計,對工點加固方案及時跟蹤和調(diào)整,逐步完成注漿加固工作。
(4)注漿量的估算雖然建立在假設(shè)條件下,其精度還需修正,但比起常規(guī)的注漿已經(jīng)是個長足進步,實施前通過試驗段的摸索,進一步驗證漿液損耗等參數(shù),將使注漿數(shù)量更加接近實際情況,最終實現(xiàn)注漿數(shù)量基本可控的目的。
[1] 張曉華,葉中兵.客運專線路基基底巖溶注漿施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(4)
[2] 葉中兵.石武客運專線路基巖溶注漿施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(9)
[3] 王川嬰.?dāng)?shù)字式鉆孔攝像系統(tǒng)研究[D].武漢:中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,1999
[4] 王川嬰.孔內(nèi)攝像技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(10)
[5] Yuji Kanaori.Observation of crack development around an underground rock chamber by borehole television system[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,1983(2)
[6] 武君.基于鐵路工程勘察的數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].鐵道勘察 ,2009(6)
[7] 謝孟,甄春相.?dāng)?shù)字全景鉆孔攝像技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2009(1)
[8] 黃明.孔內(nèi)攝像技術(shù)在PHC樁完整性檢測中的應(yīng)用[J].工程質(zhì)量,2005(9)
[9] 唐杰軍.?dāng)?shù)字鉆孔攝像技術(shù)在路基面檢測中的應(yīng)用[J].路基工程,2006(5)
[10]王川嬰,胡良培.基于鉆孔攝像技術(shù)的巖體完整性評價方法[J].巖土力學(xué),2010(4)
[11]劉貴祥.?dāng)?shù)字鉆孔攝像技術(shù)在特厚煤層綜放開采中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(7)
[12]陳雪見.?dāng)?shù)字式全景鉆探攝像在某洞室勘察中的應(yīng)用[J].?dāng)?shù)字化應(yīng)用,2006(10)
[13]中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007