一發雙收鉆孔聲波檢測技術在五老峰隧道的現場應用

宗緒，郭超，陳正林，張劼超

(中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

0 引言

我國從20 世紀60 年代末開始研究巖體聲波測試技術，該技術是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學參數相關性為基礎，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數為評價巖體力學性質提供依據。經過幾十年的努力，聲波測試技術無論從硬件還是軟件方面都得到了前所未有的發展，廣泛應用于巖體力學與工程的許多領域。

國內外學者對聲波測試技術進行了大量的研究與應用。羅周全等[1]詳述了現場實施巖石裂隙聲波測試的全過程，通過對測試結果進行分析，預測了爆破振動影響下采場裂隙發展情況。于維剛等[2]提出了更快捷、更經濟的聲波法測試技術，通過在青島膠州灣海底隧道應用，驗證了聲波法隧道圍巖松動圈探測技術應用的可能性和可靠性。簡文彬等[3]對壩址區進行鉆孔巖體聲波波速測試，得到的測試結果為解決壩址穩定及滲漏問題提供了重要的依據。彭柏興等[4]通過測定巖體的縱波速度，對長沙地區紅層軟巖建立了紅層巖體聲波速度與其強度的相關方程。孫國清[5]利用原位聲波測試法對新集一礦F10 斷層的力學性質進行測試，利用彈性波兩點時差法，獲得了對應的動彈模量、體積模量、剪切模量。楊靜熙等[6]在錦屏一級水電站工程巖體中進行對穿、單孔聲波測試，確定了單孔聲波波速和對穿聲波波速之間的定量關系。許波濤等[7]對某核電站核島地基巖體采用了室內巖塊聲波測試、現場孔內聲波測試、地震波單孔檢層法及跨孔法測試，得到了不同測試方法下的巖體縱波及橫波速度，確定了巖體動力參數。West 等[8]開發出了適用于小直徑鉆孔的聲波測試儀器，并基于鉆孔里實測的聲波波速推導出了確定巖石強度的方法。Minaeian 等[9]從不同的壩址得到軟礫巖，測出巖樣的縱波波速、施密特錘回彈值、單軸抗壓強度，運用多元回歸的方法得到了聲波和其力學參數之間的關系。

本文采用巖體聲波測試技術對五老峰隧道的工程巖體進行鉆孔，并開展一發雙收超聲波檢測，研究結果可為五老峰隧道的巖體穩定性評價提供相關的依據。

1 工程概況

五老峰特長隧道位于建水縣至元陽段高速公路于茍街互通和與龍岔互通之間，隧道為雙線分離式隧道，左線(Z3K22+675至Z3K31+015)長8340 m；右線(K22+715 至K31+070)長8355 m。從初勘地質資料來看，洞口段以砂質泥巖、泥質砂巖為主，洞身段以砂巖、灰巖和花崗巖為主，出口段以花崗巖為主；隧道出口鄉村道路較窄且急彎較多，施工條件相對較差。軸線高程為1435～2425 m，相對高差為990 m。隧道穿過的山體植被茂盛，隧洞軸線與地層走向呈斜交。

2 一發雙收鉆孔聲波檢測技術

2.1 基本原理

聲波測試技術的理論基礎是彈性波在彈性介質中的傳播。當外部作用于無限彈性介質時，會產生往不同方向傳播的彈性波，波動方程就是描述彈性波在介質中的傳播規律。在現場工程中，將巖體視為各向同性的連續彈性介質，且聲波在巖體中遵循彈性波傳播規律。巖體內部縱波波速、橫波波速的傳播方程如下：

式中，vp為縱波波速；vs為橫波波速；ρ為巖體密度；λ、G為拉梅常數。

橫、縱波傳播速度也可表示為：

式中，E為巖體彈性模量；μ為巖體泊松比。

鉆孔聲波測試技術中應用最為廣泛的是波速測試，現場基于鉆孔的聲波測試技術主要有跨孔聲波測試法以及單孔聲波測試法。其中單孔聲波測試法中的一發雙收鉆孔聲波測試法可消除耦合劑水的影響。如圖1 所示，該測試設備由一個發射換能器、兩個接收換能器組成，發射換能器和接收換能器以及兩個接收換能器之間的距離均被固定。

圖1 一發雙收單孔聲波測試法

設vw、vk分別為聲波在耦合劑水及鉆孔圍巖體的傳播速度，可知vk大于vw，由費馬爾原理可知聲波在兩點之間的傳播路徑為用時最少的路徑，因此從發射換能器中發出的聲波信號ABCD以及ABEF的路徑先后被兩個接收換能器接收，如圖2 所示。

圖2 一發雙收換能器測試原理

聲波信號由發射換能器發出，經ABCD的傳播路徑到達第一個接收換能器的時間t1為：

經ABEF到達第二個接收換能器的時間t2為：

認為聲波在被測巖體和耦合劑水之間的折射角相等，故AB=CD=EF，則兩個接收換能器接收到聲波信號的聲差Δt為：

式中，L為兩個接收換能器之間的距離，聲差Δt可由聲波測試儀得出，從而可以根據式（5）計算出鉆孔圍巖體的縱波波速vk的大小。由此可以看出采用一發雙收換能器可以消除耦合劑水所產生的系統誤差，得到被測巖體的真實縱波波速。故本次現場實驗采用一發雙收單孔聲波測試法。

2.2 現場試驗

本次測試孔采用的鉆頭分別為130 mm 的實心鉆頭及130 mm 的取芯鉆頭，測試孔鉆設完畢后，將測試孔注滿清水后進行聲波測試，本次現場鉆孔聲波測試試驗采用的測試儀器為ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀及HS-B3GP100 一發雙收換能器。

在現場進行檢測時，為了便于迅速找到首波及得到清晰、完整、穩定的聲波波形，需要對ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀的采集參數進行調試，根據現場實際情況本次測試所用的采集參數見表1。

表1 非金屬超聲波檢測儀采集參數指標

所有參數設置完成后，將一發雙收換能器的發射接口與聲波測試儀的發射端口相接，換能器的接收口1 與接收口2 分別與聲波測試儀的通道1、通道2 相連，連接完成后，打開測試儀的電源，選擇一發雙收測井功能模塊，人工將一發雙收換能器緩慢放置于鉆孔的底端作為第一個聲波測點的位置，按下采樣鍵，此時聲波檢測儀會自動對接收的聲波信號進行調整，顯示屏的波形區上將會顯示出兩個通道的動態波形，遇到波形無法通過儀器自動調整的情況，則需人工通過相應的按鍵進行手動調整，使得首波清晰完整地出現在顯示屏的波形區上。手動調整按鍵，使得聲時自動判讀線準確位于首波的起點后，幅度自動判讀線準確位于首波的波峰或波谷后，按下存儲鍵，輸入第一個測點位置。輸入完成后，儀器將自動保存第一個測點的測試數據，重復上述的操作進行下一測點的測試，直到所有測點測試完畢。之后需將一發雙收換能器人工勻速地下放至第一個測點的位置，重新采集并調整波形，按復測鍵，參照上述方法對所有測點進行復測，復測完成后再次按采樣鍵停止采樣，則完成了所有鉆孔孔的聲波測試。

2.3 現場波速數據處理

在現場測試時，人工很難保證每次測試時均能使一發雙收換能器向上勻速提升和整個測試過程中換能器始終位于鉆孔中心，加之在現場測試孔測試聲波時偶有隧道出渣車經過，現場環境復雜。而超聲波又屬于頻率高、能量小的彈性波，故測試的結果容易受到無法消除的人為及現場測試環境的影響而出現異值點。為了盡量減少試驗誤差，提高數據的可靠性，本次現場試驗分別在不同日期測試孔進行了3 次測試，導出數據后，去除異常的波速值點，取每個測點波速的平均值作為各個測點的波速值。測試孔的波速檢測結果見表2。

表2 五老峰隧道鉆孔聲波波速測試結果

由表2 可知，該隧道巖層的縱波平均波速為4456 m/s，最小波速為3306 m/s，最大波速為5209 m/s。

3 室內試驗

隧道測試孔主要巖石單元為花崗巖，本次僅對花崗巖進行取樣，采用ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀及縱波換能器對12 個花崗巖樣品進行縱波波速測試，并對其進行單軸抗壓強度測試。其測試結果見表3。

表3 花崗巖室內試驗結果

由表3 可知，試驗巖樣的平均波速為5030 m/s，最小波速為4306 m/s，最大波速為6435 m/s。巖石平均單軸抗壓強度為161 MPa，屬硬質巖石。

根據巖體完整性指數公式：

式中，vmp為巖體縱波波速；vrp為巖塊縱波波速。代入現場測得的巖體平均縱波波速vmp=4456 m/s 和室內試驗測得的巖塊平均縱波波速vrp=5030 m/s，計算得到KV=0.78＞0.75。參照GB/T 50518—2014，可知其巖體完整性等級為完整，該隧道巖體基本質量等級為I 級。

4 結語

本文介紹了一發雙收鉆孔聲波測試的基本原理和方法，并以五老峰隧道為研究背景，在隧道測試孔里進行了一發雙收鉆孔聲波測試，其研究結果可為該隧道巖體的穩定性評價提供依據。聲波探測技術雖在工程建設中得到很大發展，但由于其傳播機制較復雜及其實測值離散性較大，其成果的分析、解釋有時不夠理想，給廣泛應用帶來一定的困難，還有待進一步實踐和探討。