综合物探法在公路隧道围岩松动圈测试中的应用

2018-03-26 09:03:30李论基

西部探矿工程 2018年4期

程立，李论基

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州730030）

1 概述

地应力与围岩的相互作用会产生大小不同的围岩松动圈；松动圈扩展过程中产生的碎胀力及其所造成的有害变形是巷道支护的主要对象；松动圈尺寸越大，巷道收敛变形也越大，支护越困难。围岩松动圈是制定隧道支护措施和整体稳定性评价的重要参数和依据，如何快速准确地确定松动圈范围已备受关注[1-3]。

杨旭旭等对获得围岩松动圈范围的理论方法和多种物理测试方法进行了介绍，并对其适用性进行了比较研究。结果表明：声波法技术相对成熟，但对测试岩体岩性要求较高；多点位移计法测量数据量大，测试精度不高；地震波法与地质雷达法可实现无损检测，但成本较高，适用于精度要求高的工程；钻孔摄像方法直观、精度高，但存在操作复杂、成本高以及不适用于破碎程度高的岩体等缺点[4]。黄锋等采用声波探测和理论计算相结合的方法，对不同埋深、围岩等级条件下的隧道松动圈进行了研究[5]。张建海等分析岩体声波检测成果对开挖后的洞壁岩体松弛现象和弹性模量下降的规律进行了评价[6]。徐坤等以新建兰新铁路大梁隧道现场试验为依托，对测试断面围岩松动圈深度采用单孔声波测试法、地质雷达法进行探测，结合现场地应力及岩体物理力学参数实测结果进行数值模拟分析可知，以单孔声波测试法结果为基准，地质雷达测试结果与声波法测试结果基本一致，说明2种方法的结合能对围岩松动圈的测定更加准确[7]。

以上测试方法在隧道围岩松动测试方面取得了可观的成果，但大多存在方法单一，解译结果具有一定的局限性，而应用2种以上方法相结合进行围岩松动解译效果良好，但就几种测试方法互补验证来提高围岩松动圈测试准确度这方面的研究较少[3-8]。

地震折射层析法是近十年来发展起来的一种新的地震折射解释方法。该方法具有分辨率高探测深度深等特点，将该方法应用于松动圈测试具有一定的创新。大量研究成果已证明了地震折射层析方法在围岩松动圈测试中的有效性[8-10]。

公路勘察设计中为了改善线型，保护环境，缩短行车里程，很多地方都以隧道通过，公路隧道在公路建设中占有相当重要的位置。公路隧道在地下原岩开挖中，打破了围岩原有的三向应力平衡状态，围岩应力重新分布。其表现为隧道周边径向应力消失，环向应力集中，且围岩强度明显下降。如果集中应力超过围岩强度，隧道周边岩体首先破坏产生裂隙，并向深部扩展，直至一定深度后，集中应力小于或等于岩体强度时，岩体重新达到应力平衡状态，破坏停止。这样，在隧道周围一定范围内形成围岩破裂区，一般为环状，此破裂区即是围岩松动圈，隧道围岩具体应力状态见图1。

图1 隧道围岩开挖岩体应力状态示意图

松动圈是分析地下洞室围岩稳定性，确定岩体荷载，确定喷锚范围和厚度以及确定衬砌支护方式的一个重要参数，隧道围岩松动圈范围的确定，在工作实践中对于技术安全和经济合理性起到至关重要的作用。在探测地下洞室岩体的松动圈中常用的物探方法主要有声波法、折射层析成像等。其方法原理主要依据是施工开挖、爆破造成近洞壁应力释放、岩体结构松散，从而造成岩体波速降低，根据测试周边介质的弹性波速度分布，从而确定松动圈的厚度。

综上，为了准确测定围岩松动圈，本文依托在建某高速公路隧道工程，通过应用单孔声波法、折射层析成像法，综合确定隧道围岩松动圈，旨在为隧道设计与施工开挖变形控制提供参考依据，研究手段在围岩松动圈测试方面具有快速、精确、成果互补的优点，研究成果能为隧道支护设计提供勘察指导意义，对隧道施工变形控制具有一定的参考价值。

2 方法原理

2.1 声波法

隧道围岩松动圈声波测试，主要有单孔声波测试和对穿声波测试2种。单孔声波法是在一个钻孔中，清水耦合，利用一发双收探头，仪器连续激发—接收测试。该方法反映的是沿孔深方向孔壁附近岩体波速值的变化情况，对缓倾角结构面、裂隙等反映灵敏，是微观的、局部的测试成果。对穿声波法是在孔壁上一定距离两两造孔，孔内清水耦合，利用一发一收探头，两两对穿，仪器激发—接收测试。该方法反映的是两孔间岩体的横向声波纵波速度，相对而言，反映的是洞壁围岩宏观的、整体的岩体纵波速度。

本次隧道围岩松动圈声波测试，采用的主要方法是单孔声波法，辅助方法是声波对穿测试。单孔声波法的基本原理是利用仪器发射高频电磁波，高频电磁波在一定的距离沿孔壁岩体滑行的时间来确定岩体的纵波速度，根据发射器到2个接收换能器的纵波初值时间tp2与tp1，以及2个换能器的间距（L），即可获得孔壁附近岩体的纵波速度值，具体公式如下：

式中：Vp——孔壁岩体纵波速度；

L——声波探头两接收道间距；tp2——第2道接收探头时间；tp1——第1道接收探头时间。

为确定岩体的横向纵波速度，对洞壁围岩有宏观的、整体的定量认识，在隧道洞壁距底板1m高处，垂直于孔壁两两平行造孔，间距0.7～1.0m，孔深1m左右，孔径45～50mm。采用武汉中岩科技公司所产的RSM－SY5型声波仪，声波对穿探头，清水耦合，等深度对穿测试。具体公式如下：

式中：Vp——孔间岩体纵波速度；

L——两孔间距；

T——两孔间对穿探头接收时间；

Δt——对穿探头系统误差时间。

2.2 层析成像法

折射层析成像法是利用炮点所激发的地震波在地下介质分界面处产生折射，通过对折射波射线进行追踪反演，构建地下结构的物质属性，并逐层剖析绘制其图像的技术，主要分为射线追踪和反演成像2部分。

该方法首先使用时间场法和延迟时法估算一个初始模型，通过有限元法进行正演计算，然后对正演模型采用阻尼最小二乘法（DLS）进行射线追踪，计算炮点至检波点的最小走时，并与实测初至波走时进行比较，修改模型，再进行射线追踪迭代计算，如此反复，直到计算与实测折射初至波走时之差达到最小，此时拟合最小的速度模型即为反演结果。

折射层析成像处理流程包括：①观测系统定义→②创建CPT格式文件→③初至拾取→④定义分层、速度确定→⑤速度、延迟时分析→⑥模型建立、折射静校正→⑦折射CT软件反演、成果输出→⑧SUFFER成图软件绘制剖面成果图。

松动圈折射CT测线布置的宗旨是沿隧道洞壁环形布设，洞顶若有登高设备的，尽量布设一条，构建隧道松动圈的环形闭合测试。无条件布设洞顶测线的，最好把测线布设到隧道拱肩部位。

3 工程实例

研究隧道贯穿徽—成盆地边缘地带的丘陵，为左右行分离式的双洞隧道。隧道长330m，最大埋深72m。在勘察深度范围内山体上部覆盖第四系中更新统冲洪积黄土（Q2al+pl），其下为中更新统圆砾（Q2al+pl），下伏新近系砂砾岩及泥质砂岩（N2），隧道进出口坡体表层覆盖崩坡积薄层黄土状土（Q4c+dl）。隧道洞身段地层工程地质特征详细描述如下：

①泥质砂岩（N2）：红褐色为主，泥质胶结，成岩性一般，胶结较差，遇水易软化，锤击易碎，脱水易干裂，属极软岩—软岩，岩体较破碎—较完整，以薄夹层形式夹于厚层砂砾岩中。岩体产状总体向倾向南西，倾角平缓，一般为120°～180°∠2°～5°，层理构造明显，为洞身通过的主要地层。

②砂砾岩（N2）：红褐色为主，局部呈青灰色，泥钙质弱胶结，胶结较差，层状构造，粗粒结构，遇水易崩解，最大粒径可见3～4cm，颗粒磨圆度一般，呈浑圆状，属极软岩—软岩，岩体较完整，岩芯呈短柱状及碎块状。岩体产状总体向倾向南东，倾角平缓，一般为120°～180°∠2°～5°，层理构造明显，为洞身通过的主要地层。

本次松动圈声波测试采用声波单孔测试方法，测试仪器为武汉中岩科技公司所产的RSM-SY5型声波仪，单孔测试采用一发双收，由下而上沿孔壁连续观测，移动步距为20cm。

测试断面为隧道左洞K38+160断面，岩体为N2中风化泥质砂岩、砂砾岩，岩体类别为Ⅳ，隧道左洞K38+160断面松弛深度声波检测成果见图2、图3、表1、表2。

图2 K38+160断面松弛深度声波测试解释成果图

图3 K38+160断面单孔声波测试曲线图

根据单孔测试成果可以看出：隧道左洞K38+160断面，松弛岩体声波纵波速度范围为2020～3390m/s，平均波速为2670m/s，原始岩体声波纵波速度范围为3077～4082m/s，平均波速为3370m/s，断面松弛深度范围为2.0～3.2m，其中左壁松弛深度较大。

根据孔壁岩体声波穿透测试成果可以看出：隧道左洞K38+120～K38+165洞壁围岩，深度范围：0.6～1.02段，岩体纵波速度范围：3017～3158m/s，平均纵波波速：3083m/s。对比单孔声波测试资料可看出，孔间穿透松弛段岩体的平均纵波速度较单孔声波松弛段岩体高300～400m/s，分析原因主要为单孔声波测试，孔壁垂向上细小裂隙发育，松弛段孔壁岩体较破碎，波速较低；而孔间穿透测试，两孔间岩体横向上贯通状裂隙发育较少，相对较完整，波速较高。

地震折射层析成像在桩号K38+120～K38+165洞壁，距洞底板2m高处，4m高处，从左壁向右壁各布置2条地震测线WT1～WT4，各测线长度：45m。仪器采用合肥国为电子有限公司的GS101型地震仪，检波器为28Hz，16道接收，道间距为1～2m，石膏耦合。锤击洞壁，连续叠加，至记录首波初至清晰，停止激发，记录存盘，偏移距10m进行追逐，重复锤击、采集、存盘。现场测试布置见图4。

图4 K38+120～K38+165段折射CT测线布置图

由于篇幅所限，本文只列出右拱肩WT3测线折射层析成果图（图5）。WT1～WT4测线具体测试成果见表3。

由K38+120～K38+165洞壁岩体地震折射层析成像成果可知，测试段洞壁岩体松弛深度范围1.8～4.2m，松弛段岩体纵波速度范围1800～2700m/s，未松弛岩体纵波速度范围2700～3500m/s。综合WT1～WT4解释成果可看出，围岩松弛深度最大处在右拱肩WT3测线中部为4.2m，在桩号K38+160处松弛深度为3.0m，这与单孔声波测试结果基本吻合。相比而言声波测试岩体纵波速度相对较高，地震折射层析成像测试纵波速度较低，这主要是因为声波测试所用探头频率较高，地震折射测试所用检波器频率较低的原因。由铁路工程地球物理勘探规范（TB1003-2010J1089-2010）9.3.4可知岩体的声波速度比地震波速度高出约15%，这是一个统计的结果。对比所测的松弛岩体声波对穿声波速度3083m/s与地震层析松弛

段纵波波速度2700m/s，经换算两者波速基本吻合这一规律。