离军高速公路桥隧下伏采空区处治效果超声波检测研究

王 鹏，魏义强

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

山西是煤炭大省,在全省范围内分布着众多煤矿,经过多年的开采，在地下形成了大大小小的采空区，随着山西省高速公路建设的发展，越来越多的路段不可避免的要经过煤矿采空区。由于采煤对地层结构的破坏,导致采空区上覆岩层在重力作用下产生冒落、塌陷，并在地表出现大面积变形、裂缝、沉陷坑等现象，严重影响和破坏高速公路的建设和正常运营。因此，在工程可行性研究阶段就应该高度重视，应进行专项研究，以消除后患。

文章以青岛至银川国道主干线离石—军渡段高速公路为工程背景，对高速公路下存在煤矿采空区的大雨亮隧道、矾水沟大桥、闫家条隧道、师婆沟隧道、康家沟大桥和庙梁隧道的下伏采空塌陷区的处治进行了检测和研究，主要以超声波检测为主，结合钻孔取芯、孔内电视、压力注浆等现场试验方法，检查采空区注浆处治的效果，对煤矿采空区的治理提出了合理的建议。

1 工程治理概况

1.1 工程概况

拟建高速公路是青岛—银川国道主干线山西省离石—军渡段高速公路位于山西省柳林县境内的组成部分，沿线地形起伏大，线路全长约38.542 km。经分析及稳定性评价，其中需要治理的煤矿采空区有4处，采空区影响线路总长度5.21 km。钻探总进尺141 141 m，注浆总量302 999 m3。

1.2 煤矿采空区概况和特征

根据施工图设计阶段工程地质勘察，沿线分布有10个煤矿，其中青龙煤矿、同德煤矿、师婆沟煤矿及康家沟煤矿采空区需做处治。其煤矿分布见图1。

图1 煤矿分布示意图

2 注浆效果超声波检测

该段采空区采用全充填压力注浆法，即在地表打孔，通过压浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时，采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层的进一步冒落，防止因冒落而引起的地面沉陷变形，保证桥隧的稳定。

在注浆施工结束6个月后，由业主组织，选择桥涵、桥梁、地形、地貌变化等有代表性的注浆区地段进行布孔检验。检查孔按施工灌浆孔数的2%布置，在有疑点的部位共布置检查孔51个，孔深为地面至采空区底板的深度，对这些检查孔进行以超声波为主的检测。

2.1 超声波测试原理

采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是，利用脉冲波在技术条件相同的混凝土中传播的时间(或速度)、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化，来判定混凝土的缺陷。由于超声脉冲波传播速度的快慢，与混凝土的密实程度有直接关系，对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，若超声波通过的速度快，首波信号的波幅和频率大，则混凝土密实，相反则混凝土不密实。由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中传播时，遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。根据以上原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析、判别其缺陷的位置和范围，或者估算缺陷的尺寸。

2.2 物理特性

注浆材料为水泥粉煤灰浆，在采空区被充填的情况下，纵波速度Vp>1 500 m/s；如果采空区未被充填，那么纵波速度Vp<1 500 m/s。因此，纵波速度1 500 m/s是判断采空区是否被充填的一个重要指标。纵波速度愈大，说明充填物的强度愈高。

由于煤层被采空后，均伴有岩层垮塌和变形，因此在岩体中存在有很多裂隙。裂隙的存在导致纵波速度值减小，若岩体裂隙被水泥粉煤灰浆充填，那么岩体纵波速度值大于充填物而小于完整岩体。

2.3 测试方法

本次测试采用一发二收式单孔测试换能器及RSM-SY5智能声波检测仪，该方法可以消除井液对测定结果的影响，岩体的波速为：

式中：d：两接收换能器的距离；

ts1、ts2：声波从发射换能器到第一、第二接收换能器的旅行时间；

Vm：接收换能器之间岩体纵波速度。

本次测试井下探头为一发双收超声波换能器，其接收换能器间距为0.2 m，频率为50 kHz。

由于本次检查孔为清水钻进，测试前先将换能器（纵波探头）放入孔底，向孔内注满清水。从孔底每间隔50 cm，测读一组数据，测试数据存贮于计算机内供室内资料整理。测试工作按规程规范要求进行，工作过程中仪器性能稳定，测试时以水来实现换能器与孔壁岩体的偶合。

2.4 数据处理及判定

2.4.1 数据处理

室内分别读出通道CH1及CH2的声时，并去除异常值，两接收换能器的距离已知本测试系统为20 cm，输入后计算出双收纵波波速vm，并绘制双收纵波波速—孔深剖面。石英砂岩及粉砂岩波速（vc）取值为4 000 m/s，完整泥岩波速（vc）取值为3 500 m/s。

2.4.2 岩体完整性判定

现场实测孔内岩体的波速与新鲜岩石的波速，从而得到了孔内岩体的完整性系数Cm：

式中：vm：在岩体中测的波速；

vc：在同一岩体新鲜岩样中测的波速。依据《公路工程地质勘察规范》（JTJ 064—98），岩体的完整性系数划分岩体的完整性见表1。

表1 岩体完整程度分类表

对岩体的完整性分类可以说明，岩体完整性类别越高，说明孔内岩体的裂隙、孔洞越不发育，注浆处理的效果越好（或岩体自身的完整性好），反之则说明岩体的裂隙、孔洞发育。

3 工程检测结果

笔者参加了位于山西省柳林县境内离石—军渡段高速公路桥隧下伏采空区处治工程的质量检测工作，对存在煤矿采空区的四隧两桥下的注浆处理效果进行了波速检测。下面笔者将对检测中所发现的各种问题以及笔者的一些建议作详细的阐述。

在现场进行检测时，有时会遇到声波曲线异常的情况，波形不能稳定，通过调节增益等都不能恢复正常，在室内对这些数据进行分析时发现这些异常的波形无法分析，经初步分析，可能是孔内泥浆太多传感器信号不好引发的问题，因此笔者建议用清水洗孔，当循环水为清水时再进行超声波检测，这样应该能收到较好的效果。

另外，在进行室内的岩体完整性分析时，当地新鲜完整岩体的波速取值均为经验值，没有针对当地岩体进行实测，在计算岩体完整性系数时影响较大。因此笔者建议对当地的新鲜岩体进行实地波速测量或者是在注浆处理前后分别进行声波检测，通过计算其波速提高率来评价注浆质量的好坏，这样对比才能更好地反映出注浆治理的效果。

根据对现场所测数据分析知：岩体的平均纵波波速均大于1 500 m/s，岩层的冒落带和裂隙带注浆处理效果较好，岩体的完整性类别较高，已经达到了处治的目的，能够满足该工程等级的要求。

[1]方磊，唐蓓华，滕玉明，朱中卫.RS和GIS在高速公路采空区路段工程可行性研究中的应用，公路交通科技，2004（21）

[2]黄湘平，史承明.超声波检测混凝土不密实区和空洞，陕西工学院学报，2005（21）