岩溶地基灌浆质量评价的声波全波列测井技术

谢忠球¹，张玉池²，肖宏彬²，范金钊¹

(1. 中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙，410082；

2. 桂林矿产地质研究院，广西 桂林，541004)

摘要：在理论分析和数值模拟研究的基础上，将声波全波列测井技术应用到湖南吉首—茶洞高速某悬索桥塔基岩体灌浆质量检查中，利用声波图像，对钻孔附近发育的节理裂隙、破碎带和水泥砂浆充填情况进行分析。研究结果表明：结合地质条件，利用全波列测井信号属性参数的特征可以较好地表征裂隙岩体的充填效果；灌浆时水泥浆液在外压下主要沿连通性较好、延伸较远的裂隙向孔外岩体渗透；没有连通的裂隙则被忽略，或在灌浆压力下作用下劈裂而部分充填，形成不同的充填效果，呈现出不同的声波波场特征；声波全波列测井可以检查钻孔的孔壁及其附近岩体灌浆情况，不仅分辨率高，而且探测深度远远超过常规滑行波的探测深度，声波全波列测井技术应用于岩体灌浆质量评价是可行的。

关键词：基础工程；软弱层；质量检测；声波全波列测井；斯通利(Stonely)波

中图分类号：P631.8         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2757-05

Acoustic full wave logging of karst foundation grouting effect evaluation

XIE Zhong-qiu¹, ZHANG Yu-chi², XIAO Hong-bin¹, FAN Jin-zhao¹

(1. Department of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410082, China;

2. Guilin Institute of Geology for Mineral Resources, Guilin 541004, China)

Abstract: In order to accurately evaluate the quality of rock mass grouting, acoustic full wave logging images were used to analysis development of joint and cracks, fracture zones and mortar filling near the drilling based on the theory analysis and numerical simulation. The acoustic full wave logging technology was used to test grouting quality of some base rocks of a suspension bridge tower in Jishou—Chadong highway in Hunan. The results show that through analyzing the characteristics of the signal attribute parameters of the acoustic full wave logging, it is effective to demonstrate the effect of fractured rock mass filling. The slurry can infiltrate through the main cracks and extend further to the outside hole rock mass under the external pressure. Some cracks are ignored if they are not connected the infiltration tube or split and part-filled under the action of grouting. Different filling effects and field characteristics of sound wave appear. Through testing the grouting quality of hole wall and the area near it, acoustic full wave logging technology can provide the images with high resolution. The probing depth far exceeds the conventional sliding wave probing depth. It is feasible to use the acoustic full wave logging technology to evaluate the quality of rock mass grouting.

Key words: foundation engineering; soft layer; quality inspection; full wave acoustic logging; Stoneley wave

为了提高岩体的整体性和强度，降低透水性，在节理、裂隙较发育的灰岩基岩内进行固结灌浆是常用的处理方法。在灌浆施工的过程中，由于各种原因，往往导致部分岩体区域的灌浆效果无法达到设计要求，从而影响岩体的整体强度。如何有效地分析钻孔附近裂隙岩体的充填效果，从而更有效地指导灌浆施工是非常重要的。在实际工程中，灌浆质量通常是通过对比灌浆前后的声波速度及其变化来进行评价的。跨孔声波CT法具有测试范围大、定位准确、测试精度较高等优点，但有局部存在盲区、耗时长、测试费用较高等缺点。常规声波测井测量的是初至波的时间差，测量的声速实际上是滑行波的速度，因而，时差曲线反映的是孔壁周围的灌浆效果，孔壁以外只能进行推测。近年来，声波测井的影响因素、声波全波测井的裂缝响应特征、渗透性裂缝带对斯通利波(Stoneley波)传播的影响等都倍受关注^[1-6]。为了评价岩体灌浆质量，人们对声波全波列测井技术进行了研究并应用到岩溶地基灌浆质量检查中^[7-10]。在实际工程中，如何从复杂的波场信息中获取探测不同类型软弱裂隙层及其灌浆效果的有效信息、分析岩体渗透性以及裂缝和渗透性裂缝的分布特征是工程检测的关键技术。为此，本文作者在理论分析和数值研究基础上，结合工程实践进行试验研究。

1  理论基础

位于井轴上的声源在沿井轴方向相距z处产生的声场可以写成如下形式^[3]：

式中：为声源频谱；为波数的轴向速度，；为地层传输响应函数，由井壁边界处的应力和位移连续条件决定。在井孔中，决定声波传播特性的主要参数是井内流体与周围地层的性质、井眼孔径、声源频率(或波长)以及传播距离等。

1.1  裂缝性地层声波全波列测井模拟

利用数值方法^[11]，计算在裂缝性地层井孔中接收到的声波全波列信号。在观测信号中，除接收到滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波和Stoneley波外，还可接收到来自井孔附近地质构造界面的反射纵波。在记录完整的声波全波列中，首波一般是纵波，其次是横波，然后是由伪瑞利波、斯通利波及一些多次反射波等组成的后续波。如图1所示。

在全波列各组分波形中，斯通利波频率最低，能量较大，到达较晚，混合在高频的伪瑞利波中。当遇到与井壁相交的渗透性裂缝时，由于流体在裂缝中流动，斯通利波能量将显著衰减，而且伴随有反射现象。由于地下裂缝产状及其性质复杂多变，在井眼条件下表现形式更加复杂。研究表明^[11]：斯通利波的透射强度和反射强度取决于地层中裂缝的宽度、充填物及其渗透率。纵波反射波或转换波可以反映井外的大角度裂缝或层界面，而低频斯通利波反射波则对与井眼相交的小角度裂缝较敏感。

图1  裂缝性地层模型声波全波列测井的典型记录

Fig.1  Typical model of full-wave acoustic waveform in interstitial stratum model

在变源距条件下可以观测得到裂缝性地层井孔中接收到的声波全波列信号^[11]，见图2。

从图2可以看出：随着源距的不断增大，滑行波和反射纵波的到达时间均向后推移，波的幅值逐渐变小。只要选择合适的源距，就可以采用等源距观测系统方便、直观地观测到反映相应岩体结构的波场信息。

图2  变源距条件下观测得到的声波全波波列

Fig.2  Acoustic full wave under condition of variable spacing

1.2  岩体地层参数对声波全波测井波场的影响分析

声波测井的影响因素、声波全波测井的裂缝响应特征、渗透性裂缝带对斯通利波传播的影响等是从复杂波场信息中研究探测不同类型岩体软弱裂隙层及评价其灌浆处理效果的有效信息的关键，为此，对不同岩性声波全波测井的裂缝响应特征进行研究^[11]。

不同岩性的声波全波列测井信号示意图见图3。

图3  不同岩性的声波全波列测井信号示意图

Fig.3  Full wave acoustic logging diagram of different rocks

分析泥岩、砂岩、灰岩3种地层的合成波形可以看到：泥岩的Stoneley波到达最晚，其幅度最小；砂岩斯通利波到达次之，灰岩斯通利波到达最早，但其幅度与砂岩的差不多。因此，全波列声波测井可以反映不同的岩性界面。

研究表明：全波列测井波场中，Stoneley波对井壁界面地层参数的变化反应灵敏。渗透率对Stoneley波的波速影响极小，但对Stoneley波的衰减速率影响明显。当渗透率越大时，Stoneley波衰减越快；渗透率越小，波形的衰减则越慢，所以，应用幅度信息评价裂缝要比速度信息可靠。由于相速度在渗透带与其围岩中的不同，斯通利波在渗透率突变界面将产生反射现象，反射波幅度取决于渗透率的变化^{[3-5, 12-16]}。可见：斯通利波的速度、幅度及频率与井壁地层的性质特别是与其渗透性有密切关系。通过分析探测器接收到的声波全波列阵列信号的属性特征，可以了解井旁介质的灌浆效果，有效地反映岩体的物理力学特性。

2  工程应用

2.1  工程概况

根据地质调查及钻孔资料，吉茶(湖南吉首—茶洞)高速公路的地形、地质条件复杂。其中某特大桥勘察场地发育的地层主要为第四系的黏土、块石和寒武系中统的灰岩和下统的灰岩、砂质页岩。岩层倾角平缓，一般在15°以内。受桥位地质构造及地形的影响，峡谷两岸发育有构造裂隙和卸荷裂隙。为了提高基础岩体的整体性和强度，在节理裂隙较发育的基岩内进行固结灌浆处理，并进行灌浆质量检测试验。

2.2  实验检测结果分析

试验时，钻机先钻孔至设计深度，然后洗孔，再进行全波列测井试验。本次检测采用HX-GMM-S50C型超磁致震源作为发射震源，采用CH-3型高灵敏度探头接收。采用自激自收观测系统，发射电压为288~485 V，收发探头间距为0.6 m，测点间距为0.1 m，从下至上进行测试。根据现场测试结果，绘制扫描时间剖面图(水平方向轴表示时间，垂直方向轴表示钻孔井深度)。测试结果见图4和图5。

图4所示为3号钻孔全波波形图。在深度15，18和19 m处，存在2组特殊的V字型波组。其中下部一组为能量很强的倾斜的Stoneley波反射波组，上部一组为振幅较小的倾斜反射波组，表明在这2个位置的孔旁岩石存在裂隙，但是，裂隙发育程度不同。其中，能量很强的倾斜的反射波组表示该位置孔旁岩石裂隙相对发育，井旁地层中存在有一定径向延伸长度连通性较好的裂缝带。这一特征表明该位置灌浆效果不理想。深度为15处虽然也出现倾斜的反射波组，但是其强度较小、频率较高，表明该位置的裂隙已经被浆液充填，但是，由于浆液材料与围岩存在波速差异，从而仍然形成较小的波阻抗界面。这一结论被钻孔检测结果所验证。

图4  3号钻孔全波波形图

Fig.4  Full wave logging wave form of borehole 3

图5所示为5号钻孔全波波形图。钻孔上部13 m附近位置裂缝充填少, 波阻抗较大，形成强Stoneley波反射波组。下部20 m和22 m处裂缝充填最好，Stoneley波振幅基本无异常。但由于浆液材料与围岩存在波速差异，从而井壁附近仍然形成或者存在较小的波阻抗界面，反射纵波特征明显，但波幅较小。

图5  5号钻孔全波波形图

Fig.5  Full wave logging wave form of borehole 5

钻孔检测结果表明：全波列测井波场信息尤其是Stoneley波的波形、能量和反射系数反映的是有一定的径向延仲长度或称连通性较好的有效裂缝。由裂缝连通的溶洞地层，其Stoneley波明显衰减，连通性越    好，衰减越大。反射纵波的属性特征也很好地反映出井壁附近裂缝的充填情况。可见：测井声波波场特征尤其是能量的增大与裂缝被充填的程度及张开度直接相关。

岩体裂隙作为灌浆的对象，裂隙的宽度与方向、连通性、填充物性质等对灌浆效果有较大影响。灌浆处理时，灌浆孔内的浆液在压力作用下，从灌浆孔内向井周进行渗透，在岩体内部主要沿裂隙网络中连通性较好的裂隙流动；与渗流路径相连通的张开裂隙或延伸较短的裂隙，被浆液直接充填凝固后形成水泥结石；与渗流路径没有连通的裂隙或被忽略，或在灌浆压力下被劈裂而部分充填，造成不同的充填效果^[12]。不同充填物质其声波的反射波属性不一样。充填流体的溶洞只需很小的深度就可以产生强反射，充填半流体和泥沙的溶洞则需要较大的高度。若充填泥砂已成岩，则无论溶洞多高都不会产生强反射^[4]。分析表明：由裂缝连通的溶洞地层，Stoneley波明显衰减，连通性越好，其衰减越量越大。

3  结论

(1) 全波列测井信号属性参数的特征及其变化规律可以准确地反映岩体裂隙的位置及其特征，可用于评价裂缝带的渗透性。不同的岩体结构，声波全波测井信号的波组特征及其振幅、频率特性不同。直达波速度和能量、Stoneley波的波形变化、能量衰减及其“V”字型特征可以直接反映井旁地层中是否存在一定径向延伸长度或者连通性较好的裂缝。

(2) Stoneley波频率特性参数对地层渗透性和裂缝发育程度尤其敏感，主要特征表现为Stoneley波的时差增大、中心频率降低、衰减增大、反射系数增大。反射纵波属性特征可以反映孔外(孔壁附近)岩体裂隙位置及其特征。

(3) 声波全波列测井可以直接观察和检查钻孔的孔壁及其附近岩体灌浆情况，不仅分辨率高，而且探测深度远远超过常规滑行波的探测深度，可以反映充填程度，达到评价灌浆效果的目的，在图像的清晰度和精度方面都达到灌浆效果评价的相关要求，因此，该技术用于灌浆处理效果是可行的。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-10-02；修回日期：2011-12-07

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50978097)；湖南省自然科学基金资助项目(07JJ6072)；长沙市科技计划项目(k1106021-11)

通信作者：谢忠球(1964-)，男，湖南湘潭人，博士，教授，从事岩土工程、工程物探的科研与教学工作；电话：13973179389；E-mail: v13973179389@163.com