呂守航

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130012)

1 概述

隧洞襯砌經(jīng)常遇到脫空及襯砌后回填不密實(shí)等情況，致使隧洞存在安全隱患[1，2]。彈性波法，作為探測(cè)脫空的新方法，具有檢測(cè)快速，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)時(shí)通過(guò)敲擊震源產(chǎn)生彈性波，利用檢波器接收彈性波，彈性波在途徑脫空區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生繞射、反射，繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象[3]，通過(guò)對(duì)波形記錄進(jìn)行處理和解釋，分析波的變化就可以判斷脫空區(qū)的位置。

2 構(gòu)建模型

2.1 彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬原理

彈性波場(chǎng)正演方法主要有射線法和波動(dòng)方程法[4]，射線法可以準(zhǔn)確的計(jì)算彈性波的傳播路徑和旅行時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，波動(dòng)方程模擬法主要考慮彈性波動(dòng)力學(xué)特征，能夠更真實(shí)地模擬地層的彈性波場(chǎng)特征[5]。本次數(shù)值模擬研究采用基于有限差分法的二維全波場(chǎng)數(shù)值方法進(jìn)行模擬。

2.2 彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬分析

為研究彈性波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，進(jìn)行彈性波場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，彈性波震源為雷克子波，主頻為100HZ, 波速為2500m/s，波場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖1 所示：

圖1 含有異常體的波場(chǎng)快照?qǐng)D

分析可知，在有脫空的部位，彈性波在傳播過(guò)程中，在脫空界面產(chǎn)生反射、繞射、疊加的現(xiàn)象。

2.3 數(shù)值模型的構(gòu)建

為研究檢測(cè)過(guò)程中有脫空所體現(xiàn)的檢測(cè)結(jié)果，構(gòu)建數(shù)值模型進(jìn)行模擬，本次數(shù)值模擬模型長(zhǎng)20m,深度2m。模型分2 層，第一層模擬襯砌，第二層模擬巖石，低速異常體模擬脫空，異常體長(zhǎng)0.5m,高0.2m。模擬過(guò)程采用波動(dòng)方程有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬，采樣率為0.1 ms，采樣時(shí)間為0.2s。震源采用雷克子波，子波主頻為100Hz。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理，并分別對(duì)有脫空和無(wú)脫空處的單道波形記錄進(jìn)行時(shí)頻分析，波形記錄如圖2 所示，時(shí)頻分析如圖3 所示：

圖2 襯砌脫空的正演模擬波形記錄

通過(guò)異常體正演模擬波形記錄可知，在具有異常體的位置波形發(fā)生繞射、反射、繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象。彈性波的震蕩周期延長(zhǎng)，且出現(xiàn)高頻成分。

通過(guò)時(shí)頻分析圖可知，在無(wú)脫空的介質(zhì)中，彈性波高頻持續(xù)時(shí)間較短，頻率相對(duì)較低。當(dāng)脫空存在時(shí)，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高頻震蕩現(xiàn)象，主頻振幅增大，瞬時(shí)能量較強(qiáng)。波場(chǎng)是多種頻率彈性波疊加狀態(tài)，波場(chǎng)較復(fù)雜。根據(jù)這種現(xiàn)象可知，在實(shí)際襯砌檢測(cè)過(guò)程中，可以通過(guò)分析彈性波的波形記錄和單道波形時(shí)頻分析中頻率變化判定襯砌是否有脫空。

3 襯砌脫空物理模型檢測(cè)

為驗(yàn)證此依據(jù)的可靠性，建立襯砌脫空物理模型。模型分2層，采用不同強(qiáng)度的混凝土分別模仿襯砌和巖石。在兩層模型層面位置預(yù)留脫空區(qū)域模擬脫空。檢測(cè)以手錘為震源，采樣率為0.1ms，采樣時(shí)間為0.1s，道間距為0.1m，共采集23 道。波形記錄如圖4 所示，時(shí)頻分析如圖5 所示。

在異常體物理模型波形記錄中，在有脫空區(qū)的位置，波形比正常位置多出兩條同相軸，波形發(fā)生繞射、反射、繞射波和反射波疊加和振幅增大的現(xiàn)象，這一檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值模型中模擬結(jié)果相符合，對(duì)單道波形記錄進(jìn)行時(shí)頻分析，當(dāng)脫空區(qū)域，單道波形出現(xiàn)持續(xù)的高頻震蕩，主頻振幅增加，瞬間能量提高，說(shuō)明此時(shí)波場(chǎng)是多種頻率彈性波疊加狀態(tài)，波場(chǎng)較復(fù)雜，因此，在實(shí)際襯砌檢測(cè)過(guò)程中，可以依據(jù)彈性波波形記錄和時(shí)頻分析中頻率變化判定襯砌是否存在脫空現(xiàn)象。

圖5 波形記錄時(shí)頻分析圖

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)對(duì)彈性波場(chǎng)的數(shù)值模擬分析可知，彈性波在傳播過(guò)程中，在低速異常體界面產(chǎn)生反射、繞射、疊加的現(xiàn)象。

4.2 通過(guò)數(shù)值模型研究可知，在脫空區(qū)域，波形記錄中波形發(fā)生反射、繞射、疊加現(xiàn)象，單道記錄時(shí)頻分析出現(xiàn)高頻震蕩現(xiàn)象，主頻振幅增大，瞬時(shí)能量較強(qiáng)。

4.3 通過(guò)數(shù)值模擬與物理模型實(shí)際檢測(cè)對(duì)比分析可知，彈性波法通過(guò)波形記錄和單道記錄時(shí)頻分析能夠快速有效的識(shí)別襯砌脫空。