馮寅

摘 要：巖體松動(dòng)圈的測試方法多種多樣，包括多點(diǎn)位移計(jì)法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、鉆孔攝像法等多種測試方法。其中多點(diǎn)位移計(jì)法測量的的數(shù)據(jù)量大，且測試精度不高；地震波法和地質(zhì)雷達(dá)雖然可以實(shí)現(xiàn)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(fù)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(shù)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(dòng)圈范圍進(jìn)行測試，就單孔聲波測試法在巖體松動(dòng)圈測試中的應(yīng)用做了如下探討，以做參考。

關(guān)鍵詞：單孔聲波法；巖體松動(dòng)圈；巖體完整性

地下洞室的開挖通常會(huì)破壞巖體初始的平衡狀態(tài)，洞向周邊徑向應(yīng)力消失，而切向應(yīng)力激增，巖體內(nèi)的應(yīng)力便會(huì)重新分布，從而產(chǎn)生一定的破壞松動(dòng)范圍。查明洞室破壞松動(dòng)范圍對洞室穩(wěn)定性判定及處理提供可靠的依據(jù)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。近些年，隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，也帶動(dòng)了水利水電工程物探技術(shù)的提高與拓寬，在水利水電工程技術(shù)物探的工程技術(shù)中，單孔聲波測試是一種常見且運(yùn)用比較廣泛的聲波測井技術(shù)，在查明巖體破壞松動(dòng)范圍方面也有較廣的應(yīng)用。

1 巖體松動(dòng)圈及單孔聲波法

1.1 巖體松動(dòng)圈概述

開挖損壞了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得圍巖應(yīng)力產(chǎn)生明顯變化。首先是圍巖強(qiáng)度顯著下降，洞室周邊徑向的應(yīng)力下降為零；再一個(gè)是圍巖中出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，若是集中應(yīng)力比巖體強(qiáng)度小，圍巖狀態(tài)就比較穩(wěn)定，反之，若是集中應(yīng)力大于圍巖強(qiáng)度，就會(huì)破壞圍巖的穩(wěn)定，這一破壞發(fā)展到一定深度時(shí)，會(huì)取得新應(yīng)力平衡，從而產(chǎn)生一定的破壞松動(dòng)范圍。在1985年，董方庭等人曾提出圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，其中就把這個(gè)松動(dòng)破碎范圍定義成圍巖松動(dòng)圈，后在煤礦中大量應(yīng)用了松動(dòng)圈支護(hù)理論中的圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)方法以及圍巖穩(wěn)定性分類表，帶來了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。此外，圍巖松動(dòng)圈的查明對水利水電工程的洞室的穩(wěn)定性判定以及處理方案的制定也具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。所以，測試圍巖松動(dòng)圈已經(jīng)是現(xiàn)場必須進(jìn)行的工作，但是，因圍巖松動(dòng)圈處在圍巖內(nèi)部，需要依靠一定技術(shù)手段，無法直接進(jìn)行觀測，所以現(xiàn)如今，如何正確測試出松動(dòng)圈范圍已經(jīng)是工作人員非常關(guān)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(dāng)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(huì)因巖體介質(zhì)中存有裂隙發(fā)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(yīng)力就較大，密度也較大，這個(gè)時(shí)候聲波的傳播速度也隨之增大。所以現(xiàn)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(jìn)而判斷出圍巖松動(dòng)圈的大小范圍，聲波測試法根據(jù)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(gè)探頭的平行度不易掌握，容易導(dǎo)致測試誤差較大，所以在本次實(shí)例中采用的是單孔聲波測試法來進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈的測試。單孔聲波法是用專用一發(fā)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(nèi)的每一測點(diǎn)做測試。下圖為單孔聲波測試示意圖。

單孔聲波測試參數(shù)是縱波傳播時(shí)間，且根據(jù)2個(gè)接收器器間的距離，計(jì)算出波速（VP），那么

VP = s /（t2 - t1）

式中s是2個(gè)接收器間的距離，單位m；t1、t2則分別是到達(dá)接收器1和接收器2的時(shí)間，單位s?？梢园衙總€(gè)測點(diǎn)所得到的波速值繪制成為（VP）到孔深（L）間的關(guān)系曲線，再依據(jù)曲線間波速的變化來劃分松動(dòng)圈的范圍?？v波速度與洞室圍巖之間是正比的關(guān)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(dòng)圈理論中指出，聲波波速最小的區(qū)域是在松動(dòng)圈的所在范圍之內(nèi)，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(jié)合相關(guān)的地質(zhì)材料便能推斷出被測洞室圍巖松動(dòng)圈的大小。

2 工程實(shí)例

A#洞的斷面為城門洞形。此次聲波測試目的是為系統(tǒng)查明A#洞開挖后圍巖松動(dòng)圈松弛深度及范圍和巖體分級進(jìn)一步量化，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 A#洞工程地質(zhì)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(nèi)。沿線地層巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體新鮮，嵌合緊密，巖體多呈塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，局部層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育段巖體呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。出口段部分巖體位于弱風(fēng)化、弱卸荷帶內(nèi)，多呈次塊狀結(jié)構(gòu)～鑲嵌結(jié)構(gòu)，嵌合較松弛。

A#洞線位置遠(yuǎn)高于地下水位，地下水不活躍；進(jìn)出口部位處于弱風(fēng)化、卸荷帶內(nèi)，局部滲、滴水。

2.2 A#洞松動(dòng)圈聲波測試布孔方式

在A#洞每個(gè)斷面共布置6個(gè)鉆孔，其中山內(nèi)、外側(cè)拱角各1個(gè)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(diǎn)）山內(nèi)、外側(cè)各布置一個(gè)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(jù)聲波曲線起伏變化趨勢的拐點(diǎn)、孔口聲波速度平均值及速度離差值等參數(shù)?，F(xiàn)根據(jù)所測試的成果資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

A#洞全長為1795m，共測試9個(gè)斷面，49個(gè)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(jìn)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(nèi)。

從各類巖體松弛深度統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jié)論

通過對A#洞松動(dòng)圈聲波測試，經(jīng)過綜合分析，得出如下結(jié)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(nèi)，松弛帶以里聲波平均速度主要在4500～5800m/s范圍內(nèi)；松弛深度較深范圍主要分布在A#洞的進(jìn)出口位置。

（2）通過對已測試的各斷面松弛深度的統(tǒng)計(jì)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(shù)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(jìn)行了干擾，從而產(chǎn)生許多新裂隙，這些裂隙容易與巖體已有裂隙貫通，當(dāng)測試孔里面的水嚴(yán)重流失時(shí)，便會(huì)影響到測試結(jié)果。

③為了保證孔內(nèi)水進(jìn)行連續(xù)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(wěn)定也會(huì)影響測試結(jié)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(jìn)行測量。

（5）單孔聲波測試技術(shù)缺陷的解決措施

對于以上測試技術(shù)的缺陷，可以對聲波儀器的探頭、傳輸線以及輔助管進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用在輔助管外部注水的方式，從內(nèi)部排氣，當(dāng)水全部注滿時(shí)就可以測試。通常一次測完以后再進(jìn)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(shí)用高壓注水，當(dāng)孔內(nèi)水注滿，變成靜水后再進(jìn)行測試，如此便可降低因?yàn)樗畨旱姆€(wěn)定而對測試結(jié)果產(chǎn)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(nèi)水管能夠彎曲，以免因鉆孔不直而導(dǎo)致出現(xiàn)卡孔情況。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文運(yùn)用了單孔聲波法對洞室圍巖松動(dòng)圈的范圍進(jìn)行了測試，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用單孔聲波法測試巖體松動(dòng)圈是切實(shí)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(rèn)有效的信號相當(dāng)重要，且?guī)r體松動(dòng)圈的松動(dòng)程度不太好把握，應(yīng)運(yùn)用不同的觀測點(diǎn)距來多次對巖體進(jìn)行檢測，最后綜合分析檢測結(jié)果，以此確定好巖體松動(dòng)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(zé)任公司）