程 立，李論基

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州730030）

1 概述

地應力與圍巖的相互作用會產生大小不同的圍巖松動圈；松動圈擴展過程中產生的碎脹力及其所造成的有害變形是巷道支護的主要對象；松動圈尺寸越大，巷道收斂變形也越大，支護越困難。圍巖松動圈是制定隧道支護措施和整體穩(wěn)定性評價的重要參數(shù)和依據，如何快速準確地確定松動圈范圍已備受關注[1-3]。

楊旭旭等對獲得圍巖松動圈范圍的理論方法和多種物理測試方法進行了介紹，并對其適用性進行了比較研究。結果表明：聲波法技術相對成熟，但對測試巖體巖性要求較高；多點位移計法測量數(shù)據量大，測試精度不高；地震波法與地質雷達法可實現(xiàn)無損檢測，但成本較高，適用于精度要求高的工程；鉆孔攝像方法直觀、精度高，但存在操作復雜、成本高以及不適用于破碎程度高的巖體等缺點[4]。黃鋒等采用聲波探測和理論計算相結合的方法，對不同埋深、圍巖等級條件下的隧道松動圈進行了研究[5]。張建海等分析巖體聲波檢測成果對開挖后的洞壁巖體松弛現(xiàn)象和彈性模量下降的規(guī)律進行了評價[6]。徐坤等以新建蘭新鐵路大梁隧道現(xiàn)場試驗為依托，對測試斷面圍巖松動圈深度采用單孔聲波測試法、地質雷達法進行探測，結合現(xiàn)場地應力及巖體物理力學參數(shù)實測結果進行數(shù)值模擬分析可知，以單孔聲波測試法結果為基準，地質雷達測試結果與聲波法測試結果基本一致，說明2種方法的結合能對圍巖松動圈的測定更加準確[7]。

以上測試方法在隧道圍巖松動測試方面取得了可觀的成果，但大多存在方法單一，解譯結果具有一定的局限性，而應用2種以上方法相結合進行圍巖松動解譯效果良好，但就幾種測試方法互補驗證來提高圍巖松動圈測試準確度這方面的研究較少[3-8]。

地震折射層析法是近十年來發(fā)展起來的一種新的地震折射解釋方法。該方法具有分辨率高探測深度深等特點，將該方法應用于松動圈測試具有一定的創(chuàng)新。大量研究成果已證明了地震折射層析方法在圍巖松動圈測試中的有效性[8-10]。

公路勘察設計中為了改善線型，保護環(huán)境，縮短行車里程，很多地方都以隧道通過，公路隧道在公路建設中占有相當重要的位置。公路隧道在地下原巖開挖中，打破了圍巖原有的三向應力平衡狀態(tài)，圍巖應力重新分布。其表現(xiàn)為隧道周邊徑向應力消失，環(huán)向應力集中，且圍巖強度明顯下降。如果集中應力超過圍巖強度，隧道周邊巖體首先破壞產生裂隙，并向深部擴展，直至一定深度后，集中應力小于或等于巖體強度時，巖體重新達到應力平衡狀態(tài)，破壞停止。這樣，在隧道周圍一定范圍內形成圍巖破裂區(qū)，一般為環(huán)狀，此破裂區(qū)即是圍巖松動圈，隧道圍巖具體應力狀態(tài)見圖1。

圖1 隧道圍巖開挖巖體應力狀態(tài)示意圖

松動圈是分析地下洞室圍巖穩(wěn)定性，確定巖體荷載，確定噴錨范圍和厚度以及確定襯砌支護方式的一個重要參數(shù)，隧道圍巖松動圈范圍的確定，在工作實踐中對于技術安全和經濟合理性起到至關重要的作用。在探測地下洞室?guī)r體的松動圈中常用的物探方法主要有聲波法、折射層析成像等。其方法原理主要依據是施工開挖、爆破造成近洞壁應力釋放、巖體結構松散，從而造成巖體波速降低，根據測試周邊介質的彈性波速度分布，從而確定松動圈的厚度。

綜上，為了準確測定圍巖松動圈，本文依托在建某高速公路隧道工程，通過應用單孔聲波法、折射層析成像法，綜合確定隧道圍巖松動圈，旨在為隧道設計與施工開挖變形控制提供參考依據，研究手段在圍巖松動圈測試方面具有快速、精確、成果互補的優(yōu)點，研究成果能為隧道支護設計提供勘察指導意義，對隧道施工變形控制具有一定的參考價值。

2 方法原理

2.1 聲波法

隧道圍巖松動圈聲波測試，主要有單孔聲波測試和對穿聲波測試2種。單孔聲波法是在一個鉆孔中，清水耦合，利用一發(fā)雙收探頭，儀器連續(xù)激發(fā)—接收測試。該方法反映的是沿孔深方向孔壁附近巖體波速值的變化情況，對緩傾角結構面、裂隙等反映靈敏，是微觀的、局部的測試成果。對穿聲波法是在孔壁上一定距離兩兩造孔，孔內清水耦合，利用一發(fā)一收探頭，兩兩對穿，儀器激發(fā)—接收測試。該方法反映的是兩孔間巖體的橫向聲波縱波速度，相對而言，反映的是洞壁圍巖宏觀的、整體的巖體縱波速度。

本次隧道圍巖松動圈聲波測試，采用的主要方法是單孔聲波法，輔助方法是聲波對穿測試。單孔聲波法的基本原理是利用儀器發(fā)射高頻電磁波，高頻電磁波在一定的距離沿孔壁巖體滑行的時間來確定巖體的縱波速度，根據發(fā)射器到2個接收換能器的縱波初值時間tp2與tp1，以及2個換能器的間距（L），即可獲得孔壁附近巖體的縱波速度值，具體公式如下：

式中：Vp——孔壁巖體縱波速度；

L——聲波探頭兩接收道間距；tp2——第2道接收探頭時間；tp1——第1道接收探頭時間。

為確定巖體的橫向縱波速度，對洞壁圍巖有宏觀的、整體的定量認識，在隧道洞壁距底板1m高處，垂直于孔壁兩兩平行造孔，間距0.7～1.0m，孔深1m左右，孔徑45～50mm。采用武漢中巖科技公司所產的RSM－SY5型聲波儀，聲波對穿探頭，清水耦合，等深度對穿測試。具體公式如下：

式中：Vp——孔間巖體縱波速度；

L——兩孔間距；

T——兩孔間對穿探頭接收時間；

Δt——對穿探頭系統(tǒng)誤差時間。

2.2 層析成像法

折射層析成像法是利用炮點所激發(fā)的地震波在地下介質分界面處產生折射，通過對折射波射線進行追蹤反演，構建地下結構的物質屬性，并逐層剖析繪制其圖像的技術，主要分為射線追蹤和反演成像2部分。

該方法首先使用時間場法和延遲時法估算一個初始模型，通過有限元法進行正演計算，然后對正演模型采用阻尼最小二乘法（DLS）進行射線追蹤，計算炮點至檢波點的最小走時，并與實測初至波走時進行比較，修改模型，再進行射線追蹤迭代計算，如此反復，直到計算與實測折射初至波走時之差達到最小，此時擬合最小的速度模型即為反演結果。

折射層析成像處理流程包括：①觀測系統(tǒng)定義→②創(chuàng)建CPT格式文件→③初至拾取→④定義分層、速度確定→⑤速度、延遲時分析→⑥模型建立、折射靜校正→⑦折射CT軟件反演、成果輸出→⑧SUFFER成圖軟件繪制剖面成果圖。

松動圈折射CT測線布置的宗旨是沿隧道洞壁環(huán)形布設，洞頂若有登高設備的，盡量布設一條，構建隧道松動圈的環(huán)形閉合測試。無條件布設洞頂測線的，最好把測線布設到隧道拱肩部位。

3 工程實例

研究隧道貫穿徽—成盆地邊緣地帶的丘陵，為左右行分離式的雙洞隧道。隧道長330m，最大埋深72m。在勘察深度范圍內山體上部覆蓋第四系中更新統(tǒng)沖洪積黃土（Q2al+pl），其下為中更新統(tǒng)圓礫（Q2al+pl），下伏新近系砂礫巖及泥質砂巖（N2），隧道進出口坡體表層覆蓋崩坡積薄層黃土狀土（Q4c+dl）。隧道洞身段地層工程地質特征詳細描述如下：

①泥質砂巖（N2）：紅褐色為主，泥質膠結，成巖性一般，膠結較差，遇水易軟化，錘擊易碎，脫水易干裂，屬極軟巖—軟巖，巖體較破碎—較完整，以薄夾層形式夾于厚層砂礫巖中。巖體產狀總體向傾向南西，傾角平緩，一般為120°～180°∠2°～5°，層理構造明顯，為洞身通過的主要地層。

②砂礫巖（N2）：紅褐色為主，局部呈青灰色，泥鈣質弱膠結，膠結較差，層狀構造，粗粒結構，遇水易崩解，最大粒徑可見3～4cm，顆粒磨圓度一般，呈渾圓狀，屬極軟巖—軟巖，巖體較完整，巖芯呈短柱狀及碎塊狀。巖體產狀總體向傾向南東，傾角平緩，一般為120°～180°∠2°～5°，層理構造明顯，為洞身通過的主要地層。

本次松動圈聲波測試采用聲波單孔測試方法，測試儀器為武漢中巖科技公司所產的RSM-SY5型聲波儀，單孔測試采用一發(fā)雙收，由下而上沿孔壁連續(xù)觀測，移動步距為20cm。

測試斷面為隧道左洞K38+160斷面，巖體為N2中風化泥質砂巖、砂礫巖，巖體類別為Ⅳ，隧道左洞K38+160斷面松弛深度聲波檢測成果見圖2、圖3、表1、表2。

圖2 K38+160斷面松弛深度聲波測試解釋成果圖

圖3 K38+160斷面單孔聲波測試曲線圖

根據單孔測試成果可以看出：隧道左洞K38+160斷面，松弛巖體聲波縱波速度范圍為2020～3390m/s，平均波速為2670m/s，原始巖體聲波縱波速度范圍為3077～4082m/s，平均波速為3370m/s，斷面松弛深度范圍為2.0～3.2m，其中左壁松弛深度較大。

根據孔壁巖體聲波穿透測試成果可以看出：隧道左洞K38+120～K38+165洞壁圍巖，深度范圍：0.6～1.02段，巖體縱波速度范圍：3017～3158m/s，平均縱波波速：3083m/s。對比單孔聲波測試資料可看出，孔間穿透松弛段巖體的平均縱波速度較單孔聲波松弛段巖體高300～400m/s，分析原因主要為單孔聲波測試，孔壁垂向上細小裂隙發(fā)育，松弛段孔壁巖體較破碎，波速較低；而孔間穿透測試，兩孔間巖體橫向上貫通狀裂隙發(fā)育較少，相對較完整，波速較高。

地震折射層析成像在樁號K38+120～K38+165洞壁，距洞底板2m高處，4m高處，從左壁向右壁各布置2條地震測線WT1～WT4，各測線長度：45m。儀器采用合肥國為電子有限公司的GS101型地震儀，檢波器為28Hz，16道接收，道間距為1～2m，石膏耦合。錘擊洞壁，連續(xù)疊加，至記錄首波初至清晰，停止激發(fā)，記錄存盤，偏移距10m進行追逐，重復錘擊、采集、存盤?，F(xiàn)場測試布置見圖4。

圖4 K38+120～K38+165段折射CT測線布置圖

由于篇幅所限，本文只列出右拱肩WT3測線折射層析成果圖（圖5）。WT1～WT4測線具體測試成果見表3。

由K38+120～K38+165洞壁巖體地震折射層析成像成果可知，測試段洞壁巖體松弛深度范圍1.8～4.2m，松弛段巖體縱波速度范圍1800～2700m/s，未松弛巖體縱波速度范圍2700～3500m/s。綜合WT1～WT4解釋成果可看出，圍巖松弛深度最大處在右拱肩WT3測線中部為4.2m，在樁號K38+160處松弛深度為3.0m，這與單孔聲波測試結果基本吻合。相比而言聲波測試巖體縱波速度相對較高，地震折射層析成像測試縱波速度較低，這主要是因為聲波測試所用探頭頻率較高，地震折射測試所用檢波器頻率較低的原因。由鐵路工程地球物理勘探規(guī)范（TB1003-2010J1089-2010）9.3.4可知巖體的聲波速度比地震波速度高出約15%，這是一個統(tǒng)計的結果。對比所測的松弛巖體聲波對穿聲波速度3083m/s與地震層析松弛

段縱波波速度2700m/s，經換算兩者波速基本吻合這一規(guī)律。

表1 左洞K38+160斷面松弛深度聲波測試成果統(tǒng)計表

表2 某隧道左洞K38+20～K38+165洞壁孔間巖體聲波穿透測試成果表

圖5 隧道K38+120～K38+165段右拱肩WT3測線折射層析綜合成果圖

表3 某隧道左洞K38+20～K38+165洞壁WT1～WT4測線折射層析測試成果表

4 結論

通過對比某隧道K38+160斷面松弛斷面聲波檢測成果，K38+120～K38+165m洞壁巖體地震折射層析成像測試成果可知：

（1）單孔聲波法測試成果表明：松弛巖體聲波縱波速度范圍為2020～3390m/s，平均波速為2670m/s，原始巖體聲波縱波速度范圍為3077～4082m/s，平均波速為3370m/s，斷面松弛深度范圍為2.0～3.2m。

（2）圍巖松弛范圍內，巖體聲波對穿聲波縱波速度范圍為3017～3158m/s，平均縱波波速為3083m/s。

（3）地震折射層析成像成果表明，圍巖松弛深度范圍為1.8～4.2m，松弛段巖體縱波速度范圍1800～2700m/s，未松弛巖體縱波速度范圍2700～3500m/s，左右壁近拱腳段測線圍巖松弛深度較拱肩、拱頂段相對較小。

（4）測試范圍內，聲波測試與地震折射層析成像測試成果基本吻合，2種方法都能很好地解決隧道開挖洞壁巖體松弛范圍的問題。綜合物探法在公路隧道圍巖松動圈測試中的應用效果良好，能為類似軟巖隧道支護設計提供勘察指導意義，對類似軟巖隧道施工變形控制具有一定的參考價值。

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