周萬福，丁小平，康愛國(guó)，呂　超，梁德賢，張亞民（.寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川　75000；.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州　6；.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究院，北京　00088）

基于并行電法的節(jié)理巖體注漿過程監(jiān)測(cè)

周萬福1，丁小平1，康愛國(guó)2，呂超3，梁德賢3，張亞民2
（1.寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川750001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究院，北京100088）

通過節(jié)理巖體注漿過程中不同部位的地電場(chǎng)響應(yīng)特點(diǎn)試驗(yàn)，獲得了巖體注漿過程中地電場(chǎng)參數(shù)瞬時(shí)響應(yīng)規(guī)律。對(duì)采集數(shù)據(jù)運(yùn)用視電阻率反演技術(shù)，得到了三維數(shù)據(jù)體，并能直觀地看出電阻率的變化，從而分析漿液擴(kuò)散及對(duì)巖土體的改造情況。自然電位和激勵(lì)電流對(duì)漿液具有很好的敏感度，基于一定的電極排列及數(shù)據(jù)采集方式，可以很好地跟蹤漿液擴(kuò)散狀態(tài)。了解注漿過程中地電場(chǎng)參數(shù)的變化有助于對(duì)漿液擴(kuò)散規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也在一定程度上驗(yàn)證了注漿改造效果。

節(jié)理巖體；注漿；地電場(chǎng)；參數(shù)響應(yīng)

我國(guó)是世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國(guó)家，特別是隨著重大工程建設(shè)重心向地形、地質(zhì)復(fù)雜的西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，正在或即將修建大量的深長(zhǎng)隧道工程，更是會(huì)經(jīng)常遇到軟巖、破碎帶、構(gòu)造斷裂帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(gè)部分。開展注漿防滲加固效果檢測(cè)和評(píng)價(jià)方面關(guān)鍵問題的研究，將不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)充實(shí)和完善這一領(lǐng)域的科學(xué)理論具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)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(chǎng)和人工電場(chǎng)相結(jié)合，利用自然電場(chǎng)和人工激發(fā)電場(chǎng)參數(shù)響應(yīng)規(guī)律來反映漿液在巖土體中擴(kuò)散過程，進(jìn)行巖土體滲流的瞬態(tài)響應(yīng)的研究目前較少。

基于此，本文進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，通過在巖體模型中鋪設(shè)電極進(jìn)行人工供電，并實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)電極測(cè)點(diǎn)處的地電場(chǎng)參數(shù)響應(yīng)，研究注漿過程中的漿液滲流過程和地電場(chǎng)響應(yīng)。

1　試驗(yàn)研究

1.1場(chǎng)地條件

本次試驗(yàn)在一處具有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行，該處巖層產(chǎn)狀190°∠18°，層理發(fā)育，各層厚度不一；節(jié)理方向雜亂，線密度約為16～18條/m。薄層巖石破碎情況嚴(yán)重，對(duì)施工造成了一定威脅，有發(fā)生變形與滲水的危險(xiǎn)。試驗(yàn)前對(duì)測(cè)試巖層區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，以更好地了解其內(nèi)部構(gòu)造裂隙發(fā)育及展布情況。測(cè)試結(jié)果表明：0～5 m范圍可見明顯層理；下部層理發(fā)育一般，巖石完整性強(qiáng)于表層，密實(shí)度較高。但在掘進(jìn)過程中很可能由于應(yīng)力釋放，內(nèi)部裂隙張開，導(dǎo)致原被高地應(yīng)力壓實(shí)在一起的較破裂巖塊分離，造成坍塌或突水事故。

1.2試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)?zāi)康臑楦櫫严稁r體注漿漿液的擴(kuò)散狀態(tài)，驗(yàn)證注漿效果。試驗(yàn)在六盤山隧道二標(biāo)段的白堊系下統(tǒng)李洼峽組（K1l）地層中進(jìn)行，巖體含有多條裂隙。設(shè)計(jì)4個(gè)注漿孔，采用直流并行網(wǎng)絡(luò)電法對(duì)注漿過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在地下空間中進(jìn)行電法工作，通過對(duì)圍巖供電，在圍巖中建立起全空間穩(wěn)定電流場(chǎng)，該電流場(chǎng)的特征取決于圍巖巖體電場(chǎng)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(zhì)的電阻率，而是對(duì)周圍電流場(chǎng)分布的三維空間體積范圍內(nèi)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(shù)；UMN為電位差；I為電流強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)巖層展布約有9 m2，布置有4個(gè)注漿孔口管，依次進(jìn)行注漿。在11：00～11：30先對(duì)4個(gè)孔注入少量水，11：35開始注漿，采用水泥單液注漿。由于測(cè)試面積較小，并行網(wǎng)絡(luò)電法布置使用集中式16道電極，構(gòu)成4×4的電極分布，可以滿足試驗(yàn)要求。整個(gè)注漿及效果檢驗(yàn)過程共進(jìn)行60組網(wǎng)絡(luò)并行電法數(shù)據(jù)采集，對(duì)每個(gè)階段每組AM數(shù)據(jù)進(jìn)行解編處理，得到地電場(chǎng)參數(shù)：電阻率、自然場(chǎng)和激勵(lì)電流，以此分析巖體滲流過程中地電場(chǎng)特征。

2　注漿試驗(yàn)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(jié)果進(jìn)行分析。未注漿前試驗(yàn)巖體電阻率反演結(jié)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(yīng)，可達(dá)800～900 Ω·m，由于測(cè)試前做過預(yù)注水，說明該局部高阻裂隙發(fā)育較少，所注水未進(jìn)入。從另一方面反應(yīng)了試驗(yàn)地點(diǎn)巖體發(fā)育不均一，節(jié)理發(fā)育雜亂。

圖1　未注漿前試驗(yàn)巖體電阻率反演結(jié)果（單位：Ω·m）

1號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果見圖2。圖2中可以明顯看出坐標(biāo)（2，3）處出現(xiàn)高阻顯示，約為400 Ω·m。此處正是1號(hào)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(qū)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(fā)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(kuò)散半徑，擴(kuò)散半徑約為1 m。

圖2　1號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果（單位：Ω·m）

2號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果見圖3。圖3中可以看到新增了一處高阻區(qū)，該區(qū)域?qū)?yīng)于2號(hào)注漿管位置，即隨著2號(hào)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(kuò)散半徑，擴(kuò)散半徑約為0.8 m。巖體電阻率背景值仍未發(fā)生變化，為200 Ω·m左右。

圖3　2號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果（單位：Ω·m）

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

圖4　3號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果（單位：Ω·m）

4號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果見圖5。巖體電阻率發(fā)生明顯變化，且與3號(hào)孔漿液擴(kuò)散范圍交合，從而使3，4號(hào)孔周圍形成明顯的高阻，電阻率達(dá)到800 Ω·m以上，且?guī)r體整體背景值升高到500 Ω·m。邊角處低阻區(qū)的形成是由于高阻體對(duì)電流的屏蔽，使電流向該處集中，從而表現(xiàn)為低阻異常。

圖5　4號(hào)孔注漿過程中電阻率反演結(jié)果（單位：Ω·m）

注漿后連續(xù)進(jìn)行了數(shù)天數(shù)據(jù)采集，注漿后電阻率反演結(jié)果見圖6。從圖中可以看出巖體電阻率趨于穩(wěn)定，多次觀測(cè)未發(fā)生大的改變，且電阻率值普遍在800 Ω·m左右，表明已達(dá)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(yīng)特征

入滲過程中自然電位歷時(shí)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(duì)應(yīng)4個(gè)注漿管的注漿時(shí)刻，很明顯巖體自然電位與漿液的注入具有相關(guān)性。分析認(rèn)為這4處陡降是由于注入水泥漿液所致，水泥漿液具有驅(qū)水及填塞巖石裂隙的作用，從而降低自然電位的產(chǎn)生。自然電位對(duì)漿液注入敏感，反應(yīng)劇烈。由此，可以得出并行網(wǎng)絡(luò)電法是一種追蹤漿液在巖層中擴(kuò)散情況的有效方法。另外，3道電極的所測(cè)自然電位的變化趨勢(shì)基本同步，表明了該處巖體的漿液可注性較好，擴(kuò)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(jié)果（單位：Ω·m）

圖7　入滲過程中自然電位歷時(shí)曲線

提取試驗(yàn)3道電極分別與無窮遠(yuǎn)B極的供電電流，形成一次場(chǎng)激勵(lì)電流進(jìn)行分析。入滲過程中激勵(lì)電流歷時(shí)曲線見圖8。圖8中每個(gè)電極的激勵(lì)電流總體變化趨勢(shì)一致，這同樣驗(yàn)證了該處巖體漿液可注性好。在11：35～15：00的注漿時(shí)間段內(nèi)，各電極一次場(chǎng)激勵(lì)電流出現(xiàn)明顯的下降，這與該時(shí)間段內(nèi)4個(gè)注漿孔依次注漿相對(duì)應(yīng)。繼續(xù)注漿，激勵(lì)電流值上升并恢復(fù)，表明在注漿后期漿液對(duì)巖體裂隙等的充填已基本完成，與巖體結(jié)合較好。在后續(xù)幾天的驗(yàn)證檢測(cè)中，激勵(lì)電流保持穩(wěn)定，并比初始值有所減小，從側(cè)面驗(yàn)證了注漿對(duì)降低巖體裂隙率及含、透水能力具有一定效果?？梢钥闯觯?lì)電流對(duì)漿液有一定敏感性，當(dāng)未注漿時(shí)，電流基本保持穩(wěn)定，注漿時(shí)，電流值突變。而注漿后，電流值恢復(fù)并低于初始值，故通過對(duì)比分析在一定程度上驗(yàn)證注漿的效果。

圖8　入滲過程中激勵(lì)電流歷時(shí)曲線

3　結(jié)論

本次巖體注漿跟蹤及驗(yàn)證試驗(yàn)，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過并行網(wǎng)絡(luò)電法可以很好地跟蹤漿液的擴(kuò)散狀態(tài)，并能驗(yàn)證其改造效果。

2）通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的視電阻率反演，可以得到三維數(shù)據(jù)體，并能直觀地看出電阻率變化情況，從而分析漿液擴(kuò)散及對(duì)巖土體的改造情況。

3）自然電位對(duì)漿液具有很好的敏感度，通過一定的電極排列及數(shù)據(jù)采集方式，可以很好的跟蹤漿液的擴(kuò)散狀態(tài)；激勵(lì)電流同樣對(duì)漿液具有很好的敏感度，可以從另一個(gè)角度跟蹤漿液擴(kuò)散狀態(tài)，并能通過前后對(duì)比在一定程度上驗(yàn)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(qū)二維自然電位異常反演［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1996，36（6）：835-844.

［6］張貴賓，劉劍玲，MAURICE A.火山巖地區(qū)勘探地下水過程中自然電位異常的解釋［J］.地球科學(xué)（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)），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(chǎng)響應(yīng)的礦井水害預(yù)警試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（2）：267-272.

［8］鄭燦堂.應(yīng)用自然電場(chǎng)法檢測(cè)土壩滲漏隱患的技術(shù)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（3）：854-858.

［9］鄭燦堂.土壩自然電場(chǎng)的分布特點(diǎn)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，21（2）：665-669.

［10］王齊仁.自然電場(chǎng)分布規(guī)律及其分析［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，7（1）：38-42.

（責(zé)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(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（2013318J12330）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41102201）

周萬福（1966— ），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。