无支护引水隧洞围岩稳定性研究

李 欣，许德鑫，徐 爽

（1. 华能吉林公司规划部，吉林长春 130000；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

0 引言

隧洞围岩稳定性问题一直是岩土工程一个重要研究内容，而围岩稳定性的评价结果直接关系到地下工程的成败[1]，地下隧洞围岩稳定性分析通常以洞周某点位移或塑性区大小的经验值作为判断稳定性的依据，而隧洞洞周位移或收敛位移受围岩的外观形状及物理特性等因素影响。对于20世纪90 年代建设的水利工程来说，受当时条件影响隧洞安全监测设备尚不完善，甚至依靠地质工作人员经验判断围岩稳定性，这样无法对隧洞工程安全稳定提出可靠性数据[2]。

地质雷达检测方法是根据电磁脉冲传播到目标物反射回来的时间来确定目标物的深度和位置，传播速度取决于物质的电磁特性；高密度地震映像法是利用传感器接收来自垂直方向的地震反射波，通过多道数据绘制成的二维切面图的幅值变化特征对脱空等异常区水平定位，进一步计算和分析异常区的时频特征，从而综合判定异常区的规模。通过地质雷达法和高密度地震映像法联合解译，可分析出浅层围岩构造形式、内部节理裂隙走向，进而判断围岩的稳定性。

1 探地雷达法的工作原理

地质雷达方法是利用高频电磁波（1 MHz～1 GHz），以脉冲的形式通过发射天线被定向地送入介质（混凝土）中。电磁波在介质中传播时，遇到存在电性差异的地层或目标体时，电磁波发生反射、折射和绕射，反射的电磁波信号被接收天线所接收后通过雷达采集系统显示。在对采集到的雷达波进行数据处理的基础上，根据雷达波的波形、振幅强度和时间的变化特征，推断衬砌介质或目标体的空间位置、形态特征和埋藏深度，从而达到对地下地层或目标体探测的目的，地质雷达的工作示意图如图1 所示。

图1 地质雷达电磁波传播示意图

电磁波从发射天线发射到被接收天线所接收，行程时间：

式中：t——电磁波旅行时程，ns；z——反射界面深度，m；x——发射天线到接收天线间的距离，m；v——电磁波在介质中的传播速度，m/ns；C ——真空中电磁波波速，即光速，C=0.3 m/ns；εr——介质的相对介电常数。

当速度已知时，通过对雷达剖面上反射信号旅行时间的读取计算反射界面的埋藏深度值。

2 高密度地震映像法的工作原理

高密度地震映像法是利用磁致伸缩震源激发弹性波，利用传感器在同点接收来自垂直方向的反射波，以不同的色谱表示接收信号的强弱，震源与探头按照固定的炮检距沿测线移动，通过接收到的多道数据绘制成剖面图。当混凝土内部存在脱空、不密实现象时，冲击产生的弹性波在异常区产生频散，高频成分被吸收，表现为低频特征回波信号，这种信号随时间变化衰减较慢，通过识别这些低频特征的信号可以快速识别异常区位置。

高密度地震映像法是利用弹性波在介质中的传播特性来识别异常，该方法不受围岩表面及内部结构影响，具有灵敏度高、探测精度高、水平定位准确等优点。

3 工程实例

3.1 工程概况

聚宝水电站坐落在吉林省临江市东北岔乡境内的五道沟河上，是临江市五道沟河水能梯级开发的龙头电站，是一个以发电为主，兼有防洪、养殖、旅游等综合效益的水利工程。

聚宝水电站控制流域面积317 km2，水库总库容为0.57×108m3，属于中型水库，水库正常蓄水位825.00 m，设计洪水位825.00 m，校核洪水位826.32 m。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，工程永久性建筑物的设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。电站总装机容量为20 000 kW，设计年发电量为7.252×107kW·h。引水隧洞主洞全长15 390.75 m，主洞断面形式为城门洞型，部分隧洞为无支护形式的毛洞。

3.2 仪器设备

检测采用探地雷达法和高密度地震映像法两种方法。雷达主机选用劳雷公司的SIR3000，天线选用100 MHz，时间窗口设置为200 ns，介电常数通过标定后数值为9.0，则电磁波在介质中的传播速度为1 m/ns，900 MHz 天线的有效探测深度为10 m。高密度地震映像法采用Miniseis 地震综合工程探测仪，以及MT5 磁致伸缩震源。采样率为25 ～10 ms，频带为0.1～5 000 Hz，岩石波速取3 500 m/s。

3.3 工作布置

根据隧洞结构特征及经验判断，隧洞顶拱及左右30°范围内围岩容易出现塌方情况，所以在隧洞的拱顶及两侧各30°的拱角布置3 条雷达和高密度地震映像检测测线，测点间距20 cm。测线布置情况如图2 所示。

图2 测线布置示意图

3.4 数据的处理

1）探地雷达数据处理流程：数据整理备份→距离归一化处理→背景消除处理→预测反褶积处理→带通滤波处理→偏移处理→彩色剖面色阶调整→区域增益和整体增益的选择→桩号的输入→成果图的描述和导出。

通过对数据处理流程模块的组合，比选出最佳的数据处理流程，以此流程对全部数据进行处理。

2）高密度地震影像数据处理：数据整理备份→里程规格化处理→带通滤波处理→振幅谱分析→速度分析。

3.5 数据的分析

此次选择具有代表性的一段检测数据作分析，通过地质雷达法采用100 MHz 天线点测的方式采集顶拱数据，测点间距20 cm，测线长10.6 m，检测结果如图3 所示。采用高密度地震映像法对同一测线采集数据，测点间距选择20 cm，检测结果如图4 所示。

从图3 可以看出，在第8 道至38 道1.0～5.0 m深度雷达反射波振幅较强，反射系数大，多次波发育，且反射波同相轴与测线方向平行，判断此区域内深度1.0～5.0 m 范围内围岩内部结构破碎，节理裂隙发育且与洞轴线方向近于平行；从图4 可以看出，第8 道至38 道地震剖面频率较低，振幅较强，信号延续度大。

图3 地质雷达检测结果图

图4 高密度地震映像检测结果图

3.6 结论

在综合分析聚宝水电站设计、勘测、施工等资料的基础上，采用地质雷达法和高密度地震映像法相结合的综合物探方法对无支护引水隧洞围岩稳定性进行研究，形成成果；雷达反射波振幅较强，反射系数大，多次波发育，且反射波同相轴与测线方向平行，判断这段区域围岩内部结构破碎，节理裂隙发育且与洞轴线方向近于平行；且从地震映像法检测结果也可以看出，地震剖面频率较低，振幅较强，信号延续度大。从地质雷达和高密度地震映像法检测结果可以判断，测线第8 道至38 道围岩内部稳定性较差，存在塌方风险。

4 结语

综上所述，单一地借助一种检测手段，对工程检测有一定的局限性。而综合地质雷达法和高密度地震映像法的各自优缺点，可大大提高检测结果的准确性和公正性。通过此次试验可以验证，针对无支护形式隧洞围岩稳定性可通过综合物探的方法对围岩内部情况作出正确判断，对后期隧洞工程是否补充支护或支护方式的选择提供可靠依据，同样工程可以相应地节约经济成本。