地震波C T在隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的應(yīng)用

王 旭 ，張 晨 ，由 靜 ，胡玉瑞

（1.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司云南公司，云南 昆明650200；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310014）

0 引 言

地震波CT是一種新的工程物探方法，它可以從地質(zhì)體（結(jié)構(gòu)）的外部測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠地反演出地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀圖像，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點(diǎn)，在工程勘探中是一種很有效的勘測(cè)方法。故在本次隧道地質(zhì)災(zāi)害的探測(cè)中，選用地震波CT的工程物探方法[1-6]。

某隧道為上、下行線分離的連拱隧道，該隧道里程為 K235+745～K235+980，全長(zhǎng) 235 m，隧道位于 R=150 m，Ls=120 m，I=10%～2.37% 的圓曲線上，隧道凈寬 25.24 m，中墻厚 2 m，最大埋深 63.96 m。隧道施工過(guò)程中，上行線K235+879～+889地段曾發(fā)生坍塌冒頂，隧道出口段 （K235+920～+970）邊墻、拱頂與中隔墻發(fā)生移位、變形、破壞，隧道的質(zhì)量和施工安全受到了嚴(yán)重影響。高速公路建設(shè)指揮部對(duì)這一問(wèn)題非常重視。為確保隧道的施工質(zhì)量和以后的運(yùn)營(yíng)安全，需要對(duì)隧道病害進(jìn)行徹底治理。

1 工作原理

大量研究結(jié)果表明，地球內(nèi)部介質(zhì)廣泛存在地震波各向異性[1]。在各向異性介質(zhì)地震波的處理與解釋過(guò)程中，常常需要走時(shí)和射線路徑信息，如走時(shí)反演、偏移成像以及地震波層析成像等。地震波CT的探測(cè)方法也稱地震波層析成像方法，其原理為：利用地震波射線對(duì)地質(zhì)體（結(jié)構(gòu)）進(jìn)行透視，通過(guò)地震波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)對(duì)地質(zhì)體 （結(jié)構(gòu)）成像。地震波CT技術(shù)是利用地震波在不同介質(zhì)中傳播速度的差異，確定一個(gè)沿路徑積分的圖像函數(shù)[2]。

即Radon變化，地震波在檢測(cè)的物體中傳播時(shí)，縱波的走時(shí)是速度v（x,y）和幾何路徑的函數(shù)，對(duì)于第i條射線，假設(shè)射線的走時(shí)為ti，則有如下積分式。

式中，n為射線的總條數(shù)，Ri為第i條射線的路徑，將隧道斷面的被檢測(cè)區(qū)域離散成若干個(gè)規(guī)劃的網(wǎng)格單元。其中重要的是記錄每條射線穿過(guò)的單元和統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格單元穿過(guò)的射線數(shù)目[3]。采用打靶法，由震源位置和接收點(diǎn)位置得到出射角，不考慮速度，從震源按直線路徑追蹤到接收點(diǎn)，記錄下射線所穿過(guò)的單元。

根據(jù)地震波信號(hào)初至?xí)r間數(shù)據(jù)的變化，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)這種重建的測(cè)試區(qū)域地震波速度場(chǎng)的分布特征，由此獲得地震波走時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行速度v（x,y）分布反演來(lái)推斷地質(zhì)構(gòu)造的位置、形態(tài)和分布狀況。地震波CT特別適用于研究各類地層、構(gòu)造、巖體、土體的分布界線及其力學(xué)性狀，在工程地質(zhì)勘查中常用來(lái)探查斷裂帶、密集節(jié)理帶、含水帶、空洞、風(fēng)化帶等不良地質(zhì)體的位置、形狀及力學(xué)強(qiáng)度等。

2 地震波CT觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)和完成的工作量

為了查明隧道圍巖坍塌的地質(zhì)原因、范圍和巖體中斷裂帶的發(fā)育、延伸情況及其力學(xué)性狀，在本次隧道圍巖的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查中，地震波CT作為首選方法。地震波CT技術(shù)用于工程病害診斷時(shí)，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)有效的觀測(cè)系統(tǒng)。為了保證本次探測(cè)的有效性和完備性，即保證足夠的射線密度和射線正交性，勘探中布置了6條地震波CT探測(cè)剖面，即觀測(cè)系統(tǒng)由3條橫向剖面、2條縱向剖面和1條隧道與小曼薩河道的側(cè)向剖面組成。觀測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 地震波CT觀測(cè)系統(tǒng)立體示意圖Fig.1ThreedimensionaldiagramoftheseismicCTdetection system

2.1 地震波CT觀測(cè)系統(tǒng)的布置

2.1.1 K235＋799、K235＋950、K235＋910 橫剖面

K235＋799剖面沿＋799里程垂直隧道軸向布置，從地表垂直向下，位于隧道入口端孤石之外，與山坡斜交。該剖面觀測(cè)由三個(gè)排列組成，第一排列是在上行線隧道內(nèi)布置48個(gè)檢波器接收，沿山坡由下向上放炮，炮間距為2～4 m不等，炮點(diǎn)為100個(gè)；第二排列是將接收點(diǎn)移到下行線邊墻導(dǎo)洞中，24道接收，山坡上放炮，炮點(diǎn)分設(shè)在山腳下和山頂上，共放48炮；第三排列接受點(diǎn)在山腳下，48道接收，炮點(diǎn)在山坡上，炮點(diǎn)為 20 個(gè)。K235＋910、K235＋950剖面垂直于中線，在上行線和下行線內(nèi)，沿邊墻和拱圈各布置24個(gè)檢波點(diǎn)，共48道60 Hz檢波器接收。在山上布置激發(fā)點(diǎn)，激發(fā)點(diǎn)與隧道內(nèi)接收點(diǎn)保持在一個(gè)垂直面內(nèi)，炮點(diǎn)為101個(gè)，炮間距為2 m，地面測(cè)線長(zhǎng)200 m，采用爆炸震源。為了準(zhǔn)確探明沿斜坡地表松散體及風(fēng)化層的厚度和分布，在進(jìn)行了洞內(nèi)采集后，又將48道檢波器布置在地面激發(fā)測(cè)線的山下一側(cè)，道間距為2 m，在山上一側(cè)激發(fā)了8炮。

2.1.2 上行線中墻和中道、下行線右邊墻角坑縱剖面

在上行線 K235＋897.5～＋947 和下行線 K235＋894～＋959.2段中墻墻角分別布置了24和48道檢波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右邊墻角布置了48道檢波器，共72道接收，道間距為2 m，測(cè)線長(zhǎng)168 m。在K235＋759～＋965段地面，沿洞內(nèi)接收排列方向布置激發(fā)點(diǎn)，激發(fā)點(diǎn)與隧道內(nèi)接收點(diǎn)保持在一個(gè)垂直面內(nèi)，炮間距為2 m，測(cè)線長(zhǎng)206 m，采用爆炸震源，共激發(fā)了104炮。

2.1.3 上行線中墻和中道坑與河道側(cè)向剖面

在上行線 K235＋897.5～＋947 段中墻墻角布置24道檢波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右邊墻角布置48道檢波器，共72道接收，測(cè)線長(zhǎng)168 m。采用爆炸震源，炮間距為2.5 m，在河道內(nèi)激發(fā)195炮。

2.2 實(shí)際完成工作量

地震波CT剖面實(shí)際測(cè)量點(diǎn)共1 047個(gè)，其中檢波點(diǎn)408個(gè)，炮點(diǎn)789個(gè)，實(shí)際激發(fā)789炮，觀測(cè)地震波射線計(jì)43 896條。具體見(jiàn)表1。

2.3 觀測(cè)系統(tǒng)的合理性及完整性評(píng)價(jià)

觀測(cè)系統(tǒng)的合理性及完整性是通過(guò)地震波射線穿過(guò)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元的射線密度和正交性來(lái)衡量的[4]，射線密度和射線正交性是評(píng)價(jià)觀測(cè)系統(tǒng)合理性及完整性的兩個(gè)重要指標(biāo)，也是地震波CT方法自身評(píng)價(jià)其完備性及可靠性的有效手段。為保證地震波CT探測(cè)結(jié)果的分辨率和可靠性，要求探測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元穿過(guò)的射線超過(guò)40條，并且要求每個(gè)單元內(nèi)穿過(guò)的射線其交角的正弦大于0.87，即至少有一組射線的交角大于60°。實(shí)際工作中，嚴(yán)格按照以上的技術(shù)要求對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了認(rèn)真的設(shè)計(jì)和布置。兩條地震波CT剖面主要研究區(qū)的射線密度均大于100，射線正交性大于0.87的面積為90%。最后得到的成像結(jié)果是可靠的，分辨率可以達(dá)到理論數(shù)值，即單元尺度的1／2。

表1 各斷面完成的工作量Table 1 :Workload completed on each cross section

3 探測(cè)結(jié)果

此次探測(cè)使用地震波CT方法取得了豐富的資料，6個(gè)地震波CT剖面共觀測(cè)地震射線43 896條。由于上行線K235＋879～＋889地段曾發(fā)生坍塌冒頂，隧道出口段（K235＋920～＋970）邊墻、拱頂與中隔墻發(fā)生移位、變形、破壞，所以這是探測(cè)中的重中之重，圖2和圖3為探測(cè)成果圖，其中圖（a）為速度色譜圖，圖（b）為地質(zhì)解釋剖面圖。

由圖2、圖3可看出，微風(fēng)化和未風(fēng)化的巖體波速為 2.0～4.0 km／s，中等風(fēng)化巖體的波速為 1.3～2.0 km／s，強(qiáng)風(fēng)化巖體的波速為 1.0～1.3 km／s，與花崗巖類同等級(jí)的風(fēng)化層相比都偏低0.5 km／s左右，松散土層的波速小于1.0 km／s。該隧道地震CT剖面的觀測(cè)結(jié)果清楚地顯示了隧道周?chē)墓こ痰刭|(zhì)結(jié)構(gòu)特征，以及巖體的力學(xué)強(qiáng)度分布。地震CT與地質(zhì)分析結(jié)果說(shuō)明，隧道周?chē)幕◢徠閹r節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，屬節(jié)理裂隙巖體類型。節(jié)理風(fēng)化帶寬達(dá)幾米到十幾米，由砂與粘土填充，K235＋879～＋889處的塌方冒頂就與節(jié)理帶有關(guān)。隧道出口段圍巖的類型略有不同，為松散堆積。堆積體由巖塊、砂與粘土組成，砂與粘土的含量較多。隧道圍巖波速偏低，整體完整性較差，特別是上行隧道頂部。

圖2 隧道上行線中墻和中導(dǎo)坑縱剖面地震波CT探測(cè)成果圖Fig.2 Detection result by seismic CT of the longitudinal cross section ofthemiddlewallandmiddleheadingontheuplink of the tunnel

圖3 隧道上行線、中導(dǎo)坑與河道剖面地震波CT探測(cè)成果圖Fig.3 Detection result by seismic CT of the cross section of the middle wall,middle heading and the river on the uplink of the tunnel

4 結(jié)語(yǔ)

本次綜合物探基本查清了隧道出口段破壞與山體側(cè)移的原因，查清了隧道中部塌方冒頂?shù)牡刭|(zhì)背景，對(duì)隧道病害治理提出了參考性建議，達(dá)到了預(yù)期目的?？睖y(cè)的主要結(jié)論可歸為以下幾點(diǎn)：

（1）隧道所處山體的基礎(chǔ)是穩(wěn)定的，不存在大型滑坡的條件。

（2）隧道圍巖有3個(gè)局部非穩(wěn)定區(qū)，分別為出口段（里程 K235＋940～＋970）松散堆積，中段拱頂（里程 K235+820～+940）5～20 m 的松散層， 以及山坡淺表松散層。

（3）隧道出口段非穩(wěn)定區(qū)的產(chǎn)生及隧道的破壞，是由于出口段松散堆物在飽水情況下發(fā)生變形和側(cè)移，對(duì)隧道產(chǎn)生側(cè)向推力造成的。

（4）隧道中部K235+879～+889段的塌方冒頂是拱頂松散層與垂向節(jié)理帶填充松散物失穩(wěn)的結(jié)果。

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