应用干孔声波法测试隧洞围岩松弛圈

孙治新 赵 秋 赵洪鹏

某水工隧洞最大埋深2 200 m，洞径约6 m，在主洞桩号9+630 处进行主、支洞交叉段扩挖，该段主要岩性为志留系中统基夫克组第一层（S2j1）硅质泥质粉砂岩，属Ⅱ类岩体。由于主支洞交叉段扩挖，使隧洞洞径由原来的6 m 扩大至17 m 左右，边界条件的改变，破坏了原相对平衡的围岩，使围岩内部的应力场再次发生变化，形成了新的应力场，隧洞围岩松弛圈厚度也随之发生改变，从而导致施工过程中容易引起隧洞围岩的失稳和破坏，并可能影响隧洞围岩的长期稳定[1-2]。为保证隧洞施工安全，确保隧洞洞室稳定，需对隧洞原设计支护类型和衬砌参数进行修正。围岩松弛圈是确定岩体稳定性及支护设计的重要参数，特别是锚喷结构支护中，要根据围岩松弛圈厚度来设计锚固的深度。

1 基本原理[5-10]

由发射换能器激励声波脉冲，通过发射胶囊内液体耦合传至孔壁，沿孔壁以滑行纵波传播并通过接收胶囊内液体耦合被接收换能器1 和接收换能器2 采集。读取2 个接收换能器之间的传播时间差，即可获得两接收换能器之间围岩的纵波波速，见式（1）。

式中 vp——孔壁围岩纵波速度，m/s；

ΔL——两接收换能器距离，m；

Δt——两接收换能器纵波初至时差，s。

当围岩应力发生改变时，声波在不同应力区的纵波波速也发生改变。应力低，其波速相对低；应力高，其波速相对较高，而未受影响的深部围岩则保持原有的应力（如图1 所示），这3 个区具有明显的或是渐变的波速界面（如图2 所示）。根据这个原理，对隧洞围岩进行声波测试，绘制出纵波波速和测孔深度的关系曲线，判断围岩中的应力变化，确定其松弛圈的范围。

图1 隧洞围岩应力分布

图2 速度—深度关系曲线

2 工作布置及测试技术

结合现场情况，在桩号9+630 断面处腰墙、洞顶位置共布置4 个钻孔。其中，1 个腰墙孔（ZK1），位于支洞左壁腰墙上，距洞底板约2 m，孔深9.4 m；3 个洞顶孔（ZK2、ZK3、ZK4），分别位于支洞中心右侧约3 m 处、交汇中心线、主洞右臂起拱处，孔深分别为9.4、9.6、9.4 m。均垂直洞壁造孔，孔径为50 mm。

采用一发双收干孔声波换能器，自孔底向孔口方向逐点观测，测点距0.2 m，每测试10 个测点进行一次深度校正；换能器与孔壁之间均以人工胶囊注水方式进行耦合以确保换能器和孔壁接触良好、接收信号清晰。

3 成果分析

依据实测声波纵波波速，绘制声波波速和测孔深度关系曲线，根据曲线的变化特征判断围岩松弛圈的范围（如图3 所示）。

图3 桩号9+630断面洞顶孔ZK3围岩松弛圈声波法测试成果图

通过对腰墙孔（ZK1）、洞顶孔（ZK2、ZK3、ZK4）实测声波波速—孔深关系曲线分析，可得出各孔围岩松弛圈厚度和声速变化特征，应力集中区深度和声速变化特征，原状围岩的平均声速（详见表1、图4），现分析如下：

表1 围岩松弛圈测试成果表

图4 隧洞桩号9+630断面声波测试围岩应力分区图

（1）腰墙孔（ZK1）围岩松弛圈厚度为1.3 m，声波速度由原岩的6 100 m/s 下降至4 520 m/s，降幅为25.9%；围岩应力集中区深度范围为1.3～2.4 m，声波波速由原岩的6 100 m/s 上升为6 410 m/s，升幅为5.1%；原状围岩平均波速为6 100 m/s。

（2）洞顶孔（ZK2）围岩松弛圈厚度为3.0 m，声波速度由原岩的6 200 m/s 下降至3 510 m/s，降幅为43.4%；围岩应力集中区深度范围为3.0～4.0 m，声波波速由原岩的6 200 m/s 上升为6 580 m/s，升幅为6.1%；原状围岩平均波速为6 200 m/s。

（3）洞顶孔（ZK3）围岩松弛圈厚度为3.2 m，声波速度由原岩的6 200 m/s 下降至3 520 m/s，降幅为43.2%；围岩应力集中区深度范围为3.2～4.6 m，声波波速由原岩的6 200 m/s 上升为6 940 m/s，升幅为11.9%；原状围岩平均波速为6 200 m/s。

（4）洞顶孔（ZK4）围岩松弛圈厚度为1.4 m，声波速度由原岩的6 200 m/s 下降至3 790 m/s，降幅为38.9%；围岩应力集中区深度范围为1.4～2.6 m，声波波速由原岩的6 200 m/s 上升为6 760 m/s，升幅为9.0%；原状围岩平均波速为6 200 m/s。

综上所述，主、支洞交叉扩挖段桩号9+630 断面，腰墙孔（ZK1）和洞顶孔（ZK4）围岩松弛圈厚度相对较小，一般为1.3～1.4 m；洞顶孔（ZK2）和洞顶孔（ZK3）围岩松弛圈厚度相对较大，一般为3.0～3.2 m。围岩松弛区与围岩原始应力区之间均存在围岩应力集中区，其应力集中带厚度一般为1.0～1.4 m。围岩松弛区最小声速相对原状围岩平均声速一般降低25.9%～43.4%；围岩应力集中区最大声速一般比原状围岩平均声速高5.1%～11.9%。根据实测成果建议支护锚固深度应大于等于5 m，以达到隧洞围岩的长期稳定。

4 结 语

实例表明，应用声波法测试地下洞室围岩松弛圈是一种简单、经济、行之有效的方法。洞室围岩松弛圈是确定岩体稳定性及支护设计的重要参数，特别是锚喷结构支护中，要根据围岩松弛圈厚度来设计锚固的深度。因此，围岩松弛圈的测定对于地下洞室合理而有效的支护具有十分重要的意义。