應(yīng)用干孔聲波法測試隧洞圍巖松弛圈

孫治新 趙 秋 趙洪鵬

某水工隧洞最大埋深2 200 m，洞徑約6 m，在主洞樁號9+630 處進(jìn)行主、支洞交叉段擴(kuò)挖，該段主要巖性為志留系中統(tǒng)基夫克組第一層（S2j1）硅質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，屬Ⅱ類巖體。由于主支洞交叉段擴(kuò)挖，使隧洞洞徑由原來的6 m 擴(kuò)大至17 m 左右，邊界條件的改變，破壞了原相對平衡的圍巖，使圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場再次發(fā)生變化，形成了新的應(yīng)力場，隧洞圍巖松弛圈厚度也隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致施工過程中容易引起隧洞圍巖的失穩(wěn)和破壞，并可能影響隧洞圍巖的長期穩(wěn)定[1-2]。為保證隧洞施工安全，確保隧洞洞室穩(wěn)定，需對隧洞原設(shè)計(jì)支護(hù)類型和襯砌參數(shù)進(jìn)行修正。圍巖松弛圈是確定巖體穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，特別是錨噴結(jié)構(gòu)支護(hù)中，要根據(jù)圍巖松弛圈厚度來設(shè)計(jì)錨固的深度。

1 基本原理[5-10]

由發(fā)射換能器激勵(lì)聲波脈沖，通過發(fā)射膠囊內(nèi)液體耦合傳至孔壁，沿孔壁以滑行縱波傳播并通過接收膠囊內(nèi)液體耦合被接收換能器1 和接收換能器2 采集。讀取2 個(gè)接收換能器之間的傳播時(shí)間差，即可獲得兩接收換能器之間圍巖的縱波波速，見式（1）。

式中 vp——孔壁圍巖縱波速度，m/s；

ΔL——兩接收換能器距離，m；

Δt——兩接收換能器縱波初至?xí)r差，s。

當(dāng)圍巖應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，聲波在不同應(yīng)力區(qū)的縱波波速也發(fā)生改變。應(yīng)力低，其波速相對低；應(yīng)力高，其波速相對較高，而未受影響的深部圍巖則保持原有的應(yīng)力（如圖1 所示），這3 個(gè)區(qū)具有明顯的或是漸變的波速界面（如圖2 所示）。根據(jù)這個(gè)原理，對隧洞圍巖進(jìn)行聲波測試，繪制出縱波波速和測孔深度的關(guān)系曲線，判斷圍巖中的應(yīng)力變化，確定其松弛圈的范圍。

圖1 隧洞圍巖應(yīng)力分布

圖2 速度—深度關(guān)系曲線

2 工作布置及測試技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場情況，在樁號9+630 斷面處腰墻、洞頂位置共布置4 個(gè)鉆孔。其中，1 個(gè)腰墻孔（ZK1），位于支洞左壁腰墻上，距洞底板約2 m，孔深9.4 m；3 個(gè)洞頂孔（ZK2、ZK3、ZK4），分別位于支洞中心右側(cè)約3 m 處、交匯中心線、主洞右臂起拱處，孔深分別為9.4、9.6、9.4 m。均垂直洞壁造孔，孔徑為50 mm。

采用一發(fā)雙收干孔聲波換能器，自孔底向孔口方向逐點(diǎn)觀測，測點(diǎn)距0.2 m，每測試10 個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行一次深度校正；換能器與孔壁之間均以人工膠囊注水方式進(jìn)行耦合以確保換能器和孔壁接觸良好、接收信號清晰。

3 成果分析

依據(jù)實(shí)測聲波縱波波速，繪制聲波波速和測孔深度關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的變化特征判斷圍巖松弛圈的范圍（如圖3 所示）。

圖3 樁號9+630斷面洞頂孔ZK3圍巖松弛圈聲波法測試成果圖

通過對腰墻孔（ZK1）、洞頂孔（ZK2、ZK3、ZK4）實(shí)測聲波波速—孔深關(guān)系曲線分析，可得出各孔圍巖松弛圈厚度和聲速變化特征，應(yīng)力集中區(qū)深度和聲速變化特征，原狀圍巖的平均聲速（詳見表1、圖4），現(xiàn)分析如下：

表1 圍巖松弛圈測試成果表

圖4 隧洞樁號9+630斷面聲波測試圍巖應(yīng)力分區(qū)圖

（1）腰墻孔（ZK1）圍巖松弛圈厚度為1.3 m，聲波速度由原巖的6 100 m/s 下降至4 520 m/s，降幅為25.9%；圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為1.3～2.4 m，聲波波速由原巖的6 100 m/s 上升為6 410 m/s，升幅為5.1%；原狀圍巖平均波速為6 100 m/s。

（2）洞頂孔（ZK2）圍巖松弛圈厚度為3.0 m，聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 510 m/s，降幅為43.4%；圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為3.0～4.0 m，聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 580 m/s，升幅為6.1%；原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

（3）洞頂孔（ZK3）圍巖松弛圈厚度為3.2 m，聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 520 m/s，降幅為43.2%；圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為3.2～4.6 m，聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 940 m/s，升幅為11.9%；原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

（4）洞頂孔（ZK4）圍巖松弛圈厚度為1.4 m，聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 790 m/s，降幅為38.9%；圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為1.4～2.6 m，聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 760 m/s，升幅為9.0%；原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

綜上所述，主、支洞交叉擴(kuò)挖段樁號9+630 斷面，腰墻孔（ZK1）和洞頂孔（ZK4）圍巖松弛圈厚度相對較小，一般為1.3～1.4 m；洞頂孔（ZK2）和洞頂孔（ZK3）圍巖松弛圈厚度相對較大，一般為3.0～3.2 m。圍巖松弛區(qū)與圍巖原始應(yīng)力區(qū)之間均存在圍巖應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力集中帶厚度一般為1.0～1.4 m。圍巖松弛區(qū)最小聲速相對原狀圍巖平均聲速一般降低25.9%～43.4%；圍巖應(yīng)力集中區(qū)最大聲速一般比原狀圍巖平均聲速高5.1%～11.9%。根據(jù)實(shí)測成果建議支護(hù)錨固深度應(yīng)大于等于5 m，以達(dá)到隧洞圍巖的長期穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

實(shí)例表明，應(yīng)用聲波法測試地下洞室圍巖松弛圈是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、行之有效的方法。洞室圍巖松弛圈是確定巖體穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，特別是錨噴結(jié)構(gòu)支護(hù)中，要根據(jù)圍巖松弛圈厚度來設(shè)計(jì)錨固的深度。因此，圍巖松弛圈的測定對于地下洞室合理而有效的支護(hù)具有十分重要的意義。