單孔聲波法在巖體松動圈測試中的應用探討

馮寅

摘 要：巖體松動圈的測試方法多種多樣，包括多點位移計法、地震波法、地質雷達法、鉆孔攝像法等多種測試方法。其中多點位移計法測量的的數據量大，且測試精度不高；地震波法和地質雷達雖然可以實現無損檢測，可惜成本太高，更適合用在精度要求比較高的工程上；鉆孔攝像法精確度較高，不過操作太過復雜，成本過高，也是不適用于破碎程度高的巖體，相比之下單孔聲波測試法雖然對巖體巖性的測試要求比較高，但是技術要相對成熟。本文舉例某城門洞型，用單孔聲波法對其洞周圍巖松動圈范圍進行測試，就單孔聲波測試法在巖體松動圈測試中的應用做了如下探討，以做參考。

關鍵詞：單孔聲波法；巖體松動圈；巖體完整性

地下洞室的開挖通常會破壞巖體初始的平衡狀態，洞向周邊徑向應力消失，而切向應力激增，巖體內的應力便會重新分布，從而產生一定的破壞松動范圍。查明洞室破壞松動范圍對洞室穩定性判定及處理提供可靠的依據，具有很強的現實意義。近些年，隨著數據處理技術的發展，也帶動了水利水電工程物探技術的提高與拓寬，在水利水電工程技術物探的工程技術中，單孔聲波測試是一種常見且運用比較廣泛的聲波測井技術，在查明巖體破壞松動范圍方面也有較廣的應用。

1 巖體松動圈及單孔聲波法

1.1 巖體松動圈概述

開挖損壞了原巖的應力平衡狀態，使得圍巖應力產生明顯變化。首先是圍巖強度顯著下降，洞室周邊徑向的應力下降為零；再一個是圍巖中出現的應力集中現象，若是集中應力比巖體強度小，圍巖狀態就比較穩定，反之，若是集中應力大于圍巖強度，就會破壞圍巖的穩定，這一破壞發展到一定深度時，會取得新應力平衡，從而產生一定的破壞松動范圍。在1985年，董方庭等人曾提出圍巖松動圈支護理論，其中就把這個松動破碎范圍定義成圍巖松動圈，后在煤礦中大量應用了松動圈支護理論中的圍巖支護設計方法以及圍巖穩定性分類表，帶來了良好的技術經濟效果。此外，圍巖松動圈的查明對水利水電工程的洞室的穩定性判定以及處理方案的制定也具有很強的現實意義。所以，測試圍巖松動圈已經是現場必須進行的工作，但是，因圍巖松動圈處在圍巖內部，需要依靠一定技術手段，無法直接進行觀測，所以現如今，如何正確測試出松動圈范圍已經是工作人員非常關心的問題。對測試手段之一，單孔聲波法的測試手段作分析和探討也是相當有必要。

1.2 單孔聲波測試原理以及方法

聲波是在巖體中傳播，聲波的波速會因巖體介質中存有裂隙發育、密度的降低以及聲阻抗的增大而降低。如果巖體比較完整，受原巖應力就較大，密度也較大，這個時候聲波的傳播速度也隨之增大。所以現場測試過程中所測得的聲波波速高，巖體完整性就好，波速低則說明巖體存在裂縫。用聲波探測法能測出距離圍巖表面不同深度的巖體波速值，進而判斷出圍巖松動圈的大小范圍，聲波測試法根據不同的測試方式分為單孔聲波測試法和雙孔聲波測試法。采用單孔測試法可減少鉆孔工作量，測試操作過程也相對簡單，好掌握，而雙孔測試法鉆孔的工作量比較大，兩個探頭的平行度不易掌握，容易導致測試誤差較大，所以在本次實例中采用的是單孔聲波測試法來進行圍巖松動圈的測試。單孔聲波法是用專用一發換能器，在鉆孔中來測量巖體孔壁超聲波的波速，以此判斷出圍巖的破碎程度，測孔中以清水作耦合劑，而后對整孔內的每一測點做測試。下圖為單孔聲波測試示意圖。

單孔聲波測試參數是縱波傳播時間，且根據2個接收器器間的距離，計算出波速（VP），那么

VP = s /（t2 - t1）

式中s是2個接收器間的距離，單位m；t1、t2則分別是到達接收器1和接收器2的時間，單位s?？梢园衙總€測點所得到的波速值繪制成為（VP）到孔深（L）間的關系曲線，再依據曲線間波速的變化來劃分松動圈的范圍?？v波速度與洞室圍巖之間是正比的關系，圍巖完整性好，縱波速度便增高，相反，圍巖完整性太差的話，縱波的速度也隨之降低。松動圈理論中指出，聲波波速最小的區域是在松動圈的所在范圍之內，所以由此測出距離洞室表面不同深度的縱波波速，從而作出或者直接是測試儀器生成的VP — L曲線圖，最后結合相關的地質材料便能推斷出被測洞室圍巖松動圈的大小。

2 工程實例

A#洞的斷面為城門洞形。此次聲波測試目的是為系統查明A#洞開挖后圍巖松動圈松弛深度及范圍和巖體分級進一步量化，為動態設計提供重要的設計參數。

2.1 A#洞工程地質條件

A#洞深埋段上覆巖體厚100～250m，水平埋深200～500m，出口段上覆巖體厚30～50m，水平埋深50～150m。

沿線地層巖性為P2β9～ P2β12層致密狀玄武巖及角礫（集塊）熔巖。洞身段約80%布置在P2β12層中下部致密狀玄武巖內。沿線地層巖質堅硬，巖體新鮮，嵌合緊密，巖體多呈塊狀～次塊狀結構，局部層間、層內錯動帶發育段巖體呈鑲嵌結構。出口段部分巖體位于弱風化、弱卸荷帶內，多呈次塊狀結構～鑲嵌結構，嵌合較松弛。

A#洞線位置遠高于地下水位，地下水不活躍；進出口部位處于弱風化、卸荷帶內，局部滲、滴水。

2.2 A#洞松動圈聲波測試布孔方式

在A#洞每個斷面共布置6個鉆孔，其中山內、外側拱角各1個鉆孔，孔向方向垂直洞壁，向上傾斜30?～45°；在邊墻距底板約1/3處及2/3處（以底板為起點）山內、外側各布置一個鉆孔，孔向方向垂直洞壁，向下傾斜5°～10°。斷面各鉆孔布置具體位置見圖2。

2.3 成果分析

松弛深度范圍的判定主要根據聲波曲線起伏變化趨勢的拐點、孔口聲波速度平均值及速度離差值等參數。現根據所測試的成果資料，進行統計分析。

A#洞全長為1795m，共測試9個斷面，49個鉆孔，孔深為12.0m，各斷面主要位于II類圍巖中，其次為III1、III2類。各樁號斷面鉆孔具體分析情況見表1。

2.4 綜合分析

各斷面圍巖主要為II類巖體，其次為III1、III2類巖體。

從各測試孔的松弛深度情況來看：A#洞圍巖松弛深度大部分在0.0～1.4m深度范圍；A#洞松弛深度較深的樁號主要在A#洞進口位置（樁號為K0+030，K0+150）和出口位置（樁號為K1+730），松弛深度范圍主要在1.0～3.0m內。

從各類巖體松弛深度統計結果（表2）得知：Ⅱ類巖體松弛深度在0.0～1.8m深度范圍；Ⅲ1類巖體松弛深度在0.4～1.6m深度范圍；Ⅲ2類巖體松弛深度在0.8～3.2m深度范圍。

3 結論

通過對A#洞松動圈聲波測試，經過綜合分析，得出如下結論：

（1）A#洞圍巖松弛深度范圍大部分在1.0～3.0m，松弛帶聲波平均速度主要在2000～4500m/s范圍內，松弛帶以里聲波平均速度主要在4500～5800m/s范圍內；松弛深度較深范圍主要分布在A#洞的進出口位置。

（2）通過對已測試的各斷面松弛深度的統計分析，II、III1類巖體松弛深度小于III2類巖體。

（3）通過對各測試斷面聲波測試成果對比分析，A#洞圍巖松弛深度從上（高高程）至下（低高程）依次遞減。

（4）單孔聲波法測試技術的缺陷

①洞室水平和傾斜成孔比較困難。

②成孔的過程中多少對圍巖進行了干擾，從而產生許多新裂隙，這些裂隙容易與巖體已有裂隙貫通，當測試孔里面的水嚴重流失時，便會影響到測試結果。

③為了保證孔內水進行連續不斷的耦合，通常采用在測試過程中往里面注入高壓水的方式，不過水壓的不穩定也會影響測試結果。

④一旦水壓較大，堵水就比較困難，就難以對洞室上斜孔進行測量。

（5）單孔聲波測試技術缺陷的解決措施

對于以上測試技術的缺陷，可以對聲波儀器的探頭、傳輸線以及輔助管進行改進，運用在輔助管外部注水的方式，從內部排氣，當水全部注滿時就可以測試。通常一次測完以后再進行多次測試，若是裂隙比較少，就能單孔一次注水后全部測試。剛開始時用高壓注水，當孔內水注滿，變成靜水后再進行測試，如此便可降低因為水壓的穩定而對測試結果產生的影響。輔助管可以用高壓水管或軟性水管等，這樣在一定范圍內水管能夠彎曲，以免因鉆孔不直而導致出現卡孔情況。

4 結束語

綜上所述，本文運用了單孔聲波法對洞室圍巖松動圈的范圍進行了測試，從試驗結果可以看出，用單孔聲波法測試巖體松動圈是切實可行的一種測試法。此方法里的超聲波在巖體里傳播能量比較小，故而采集信號以及如何確認有效的信號相當重要，且巖體松動圈的松動程度不太好把握，應運用不同的觀測點距來多次對巖體進行檢測，最后綜合分析檢測結果，以此確定好巖體松動圈的范圍所在。

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（作者單位：四川中水成勘院工程勘察有限責任公司）