单孔声波法在岩体松动圈测试中的应用探讨

冯寅

摘 要：岩体松动圈的测试方法多种多样，包括多点位移计法、地震波法、地质雷达法、钻孔摄像法等多种测试方法。其中多点位移计法测量的的数据量大，且测试精度不高；地震波法和地质雷达虽然可以实现无损检测，可惜成本太高，更适合用在精度要求比较高的工程上；钻孔摄像法精确度较高，不过操作太过复杂，成本过高，也是不适用于破碎程度高的岩体，相比之下单孔声波测试法虽然对岩体岩性的测试要求比较高，但是技术要相对成熟。本文举例某城门洞型，用单孔声波法对其洞周围岩松动圈范围进行测试，就单孔声波测试法在岩体松动圈测试中的应用做了如下探讨，以做参考。

关键词：单孔声波法；岩体松动圈；岩体完整性

地下洞室的开挖通常会破坏岩体初始的平衡状态，洞向周边径向应力消失，而切向应力激增，岩体内的应力便会重新分布，从而产生一定的破坏松动范围。查明洞室破坏松动范围对洞室稳定性判定及处理提供可靠的依据，具有很强的现实意义。近些年，随着数据处理技术的发展，也带动了水利水电工程物探技术的提高与拓宽，在水利水电工程技术物探的工程技术中，单孔声波测试是一种常见且运用比较广泛的声波测井技术，在查明岩体破坏松动范围方面也有较广的应用。

1 岩体松动圈及单孔声波法

1.1 岩体松动圈概述

开挖损坏了原岩的应力平衡状态，使得围岩应力产生明显变化。首先是围岩强度显著下降，洞室周边径向的应力下降为零；再一个是围岩中出现的应力集中现象，若是集中应力比岩体强度小，围岩状态就比较稳定，反之，若是集中应力大于围岩强度，就会破坏围岩的稳定，这一破坏发展到一定深度时，会取得新应力平衡，从而产生一定的破坏松动范围。在1985年，董方庭等人曾提出围岩松动圈支护理论，其中就把这个松动破碎范围定义成围岩松动圈，后在煤矿中大量应用了松动圈支护理论中的围岩支护设计方法以及围岩稳定性分类表，带来了良好的技术经济效果。此外，围岩松动圈的查明对水利水电工程的洞室的稳定性判定以及处理方案的制定也具有很强的现实意义。所以，测试围岩松动圈已经是现场必须进行的工作，但是，因围岩松动圈处在围岩内部，需要依靠一定技术手段，无法直接进行观测，所以现如今，如何正确测试出松动圈范围已经是工作人员非常关心的问题。对测试手段之一，单孔声波法的测试手段作分析和探讨也是相当有必要。

1.2 单孔声波测试原理以及方法

声波是在岩体中传播，声波的波速会因岩体介质中存有裂隙发育、密度的降低以及声阻抗的增大而降低。如果岩体比较完整，受原岩应力就较大，密度也较大，这个时候声波的传播速度也随之增大。所以现场测试过程中所测得的声波波速高，岩体完整性就好，波速低则说明岩体存在裂缝。用声波探测法能测出距离围岩表面不同深度的岩体波速值，进而判断出围岩松动圈的大小范围，声波测试法根据不同的测试方式分为单孔声波测试法和双孔声波测试法。采用单孔测试法可减少钻孔工作量，测试操作过程也相对简单，好掌握，而双孔测试法钻孔的工作量比较大，两个探头的平行度不易掌握，容易导致测试误差较大，所以在本次实例中采用的是单孔声波测试法来进行围岩松动圈的测试。单孔声波法是用专用一发换能器，在钻孔中来测量岩体孔壁超声波的波速，以此判断出围岩的破碎程度，测孔中以清水作耦合剂，而后对整孔内的每一测点做测试。下图为单孔声波测试示意图。

单孔声波测试参数是纵波传播时间，且根据2个接收器器间的距离，计算出波速（VP），那么

VP = s /（t2 - t1）

式中s是2个接收器间的距离，单位m；t1、t2则分别是到达接收器1和接收器2的时间，单位s。可以把每个测点所得到的波速值绘制成为（VP）到孔深（L）间的关系曲线，再依据曲线间波速的变化来划分松动圈的范围。纵波速度与洞室围岩之间是正比的关系，围岩完整性好，纵波速度便增高，相反，围岩完整性太差的话，纵波的速度也随之降低。松动圈理论中指出，声波波速最小的区域是在松动圈的所在范围之内，所以由此测出距离洞室表面不同深度的纵波波速，从而作出或者直接是测试仪器生成的VP — L曲线图，最后结合相关的地质材料便能推断出被测洞室围岩松动圈的大小。

2 工程实例

A#洞的断面为城门洞形。此次声波测试目的是为系统查明A#洞开挖后围岩松动圈松弛深度及范围和岩体分级进一步量化，为动态设计提供重要的设计参数。

2.1 A#洞工程地质条件

A#洞深埋段上覆岩体厚100～250m，水平埋深200～500m，出口段上覆岩体厚30～50m，水平埋深50～150m。

沿线地层岩性为P2β9～ P2β12层致密状玄武岩及角砾（集块）熔岩。洞身段约80%布置在P2β12层中下部致密状玄武岩内。沿线地层岩质坚硬，岩体新鲜，嵌合紧密，岩体多呈块状～次块状结构，局部层间、层内错动带发育段岩体呈镶嵌结构。出口段部分岩体位于弱风化、弱卸荷带内，多呈次块状结构～镶嵌结构，嵌合较松弛。

A#洞线位置远高于地下水位，地下水不活跃；进出口部位处于弱风化、卸荷带内，局部渗、滴水。

2.2 A#洞松动圈声波测试布孔方式

在A#洞每个断面共布置6个钻孔，其中山内、外侧拱角各1个钻孔，孔向方向垂直洞壁，向上倾斜30?～45°；在边墙距底板约1/3处及2/3处（以底板为起点）山内、外侧各布置一个钻孔，孔向方向垂直洞壁，向下倾斜5°～10°。断面各钻孔布置具体位置见图2。

2.3 成果分析

松弛深度范围的判定主要根据声波曲线起伏变化趋势的拐点、孔口声波速度平均值及速度离差值等参数。现根据所测试的成果资料，进行统计分析。

A#洞全长为1795m，共测试9个断面，49个钻孔，孔深为12.0m，各断面主要位于II类围岩中，其次为III1、III2类。各桩号断面钻孔具体分析情况见表1。

2.4 综合分析

各断面围岩主要为II类岩体，其次为III1、III2类岩体。

从各测试孔的松弛深度情况来看：A#洞围岩松弛深度大部分在0.0～1.4m深度范围；A#洞松弛深度较深的桩号主要在A#洞进口位置（桩号为K0+030，K0+150）和出口位置（桩号为K1+730），松弛深度范围主要在1.0～3.0m内。

从各类岩体松弛深度统计结果（表2）得知：Ⅱ类岩体松弛深度在0.0～1.8m深度范围；Ⅲ1类岩体松弛深度在0.4～1.6m深度范围；Ⅲ2类岩体松弛深度在0.8～3.2m深度范围。

3 结论

通过对A#洞松动圈声波测试，经过综合分析，得出如下结论：

（1）A#洞围岩松弛深度范围大部分在1.0～3.0m，松弛带声波平均速度主要在2000～4500m/s范围内，松弛带以里声波平均速度主要在4500～5800m/s范围内；松弛深度较深范围主要分布在A#洞的进出口位置。

（2）通过对已测试的各断面松弛深度的统计分析，II、III1类岩体松弛深度小于III2类岩体。

（3）通过对各测试断面声波测试成果对比分析，A#洞围岩松弛深度从上（高高程）至下（低高程）依次递减。

（4）单孔声波法测试技术的缺陷

①洞室水平和倾斜成孔比较困难。

②成孔的过程中多少对围岩进行了干扰，从而产生许多新裂隙，这些裂隙容易与岩体已有裂隙贯通，当测试孔里面的水严重流失时，便会影响到测试结果。

③为了保证孔内水进行连续不断的耦合，通常采用在测试过程中往里面注入高压水的方式，不过水压的不稳定也会影响测试结果。

④一旦水压较大，堵水就比较困难，就难以对洞室上斜孔进行测量。

（5）单孔声波测试技术缺陷的解决措施

对于以上测试技术的缺陷，可以对声波仪器的探头、传输线以及辅助管进行改进，运用在辅助管外部注水的方式，从内部排气，当水全部注满时就可以测试。通常一次测完以后再进行多次测试，若是裂隙比较少，就能单孔一次注水后全部测试。刚开始时用高压注水，当孔内水注满，变成静水后再进行测试，如此便可降低因为水压的稳定而对测试结果产生的影响。辅助管可以用高压水管或软性水管等，这样在一定范围内水管能够弯曲，以免因钻孔不直而导致出现卡孔情况。

4 结束语

综上所述，本文运用了单孔声波法对洞室围岩松动圈的范围进行了测试，从试验结果可以看出，用单孔声波法测试岩体松动圈是切实可行的一种测试法。此方法里的超声波在岩体里传播能量比较小，故而采集信号以及如何确认有效的信号相当重要，且岩体松动圈的松动程度不太好把握，应运用不同的观测点距来多次对岩体进行检测，最后综合分析检测结果，以此确定好岩体松动圈的范围所在。

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（作者单位：四川中水成勘院工程勘察有限责任公司）