淺談地震CT技術(shù)在隧道病害診斷中的應(yīng)用

李德孝

摘要：地震CT是一種新的工程物探方法，已廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)與工程勘查、質(zhì)量檢測和工程病害診斷中。本文介紹了地震CT技術(shù)在某隧道的地質(zhì)病害整治中應(yīng)用，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：地震CT,隧道病害診斷,地質(zhì)病害

一、地震CT技術(shù)原理[1-6]

地震CT是利用地震波射線對地質(zhì)體進(jìn)行透視，通過地震波走時(shí)和能量衰減的觀測對地質(zhì)體成像。地震波穿透巖土介質(zhì)時(shí)，其速度快慢與巖土介質(zhì)的彈性模量、剪切模量、密度有關(guān)，密度大、強(qiáng)度高的巖石模量大、波速高、走時(shí)短，反之亦然。完整堅(jiān)硬的巖體波速高，破碎巖體和松散的土體波速低。波速可作為巖土介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度和缺陷評價(jià)的定量指標(biāo)。孔隙度小的密實(shí)巖體地震波的能量衰減小，破碎的巖體和松散的土體能量衰減大。因而地震CT圖像能可靠地反映各類巖土體的分布界線及破碎巖體的破碎程度和分布。地震CT具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀的特點(diǎn)，已被越來越廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)與工程勘查、質(zhì)量檢測和工程病害診斷中。

二、工程實(shí)例

1.工程概況

某隧道位于六盤水市紅果縣，隧道穿越東西走向的埡口山脈，進(jìn)口位于芹菜埡口山脈的北北東，出口位于芹菜埡口山脈的南南西。埡口山體為一東西走向的中低山脈，連接兩條近于平行的南北大山脈，隧道和路線沿兩條南北大山脈之間的走廊帶布線，隧道走向約2100。隧道設(shè)計(jì)進(jìn)出口里程為K39+800～K40+735，全長935m。隧道為單洞雙車道二級公路隧道。

2.隧道病害情況

由于隧道出口處于潛在滑坡體上，地質(zhì)條件差，隧道成形困難。2009年5月4日在隧道出口段掌子面K40+691處左下角處發(fā)現(xiàn)一處裂縫，裂縫的寬度約5mm，長度1.5m左右，5月9號該裂縫寬度發(fā)展至20mm左右、長度約1.5m并延伸至左邊墻長度3m左右。

在該裂縫對應(yīng)隧道上方地表，已經(jīng)形成對應(yīng)的地表裂縫帶。從地表的裂縫構(gòu)成來看，已經(jīng)形成環(huán)形閉合裂縫，基本構(gòu)成的潛在滑動體。

掌子面裂縫區(qū)域巖土性狀為泥巖，潮濕，軟質(zhì)巖，抗壓強(qiáng)度小于15MPa，極破碎，走向150°，N60°E，傾角76°～85°。巖層的傾向與坡向一致，傾角大于坡角（坡角為30°～50°），坡體上覆松散覆蓋層，坡體穩(wěn)定性極差，因雨水、偏壓、巖層的傾向與坡向一致、傾角大于坡角以及洞內(nèi)施工對巖體的擾動等因素導(dǎo)致堆積體牽引下滑，該類地質(zhì)條件破裂滑動其規(guī)模較大，隧洞出口段全部位于該不穩(wěn)定邊坡影響范圍內(nèi)，如果這種滑動發(fā)生，將會使芹菜埡隧道出口段發(fā)生整體下切破壞，給施工帶來極大的安全隱患。

為制定合理有效的治理方案，需要清楚地了解隧道破壞與山體開裂的原因及其相互關(guān)系，以及隧道所處的工程地質(zhì)環(huán)境。因此采用地震CT方法對該隧道出口K40+646～K40+740段的地質(zhì)病害進(jìn)行詳細(xì)勘測。

3.地震CT觀測系統(tǒng)的布置

本次采用兩個(gè)排列進(jìn)行觀測。第一排列在隧道內(nèi)布置檢波器接收，在地表激發(fā)，檢波器與激發(fā)點(diǎn)在一個(gè)平面內(nèi)，檢波器間距與激發(fā)點(diǎn)間距都為2m；第二排列布置在山坡上，目的是改善射線的正交性，檢波器布置在山坡上部，激發(fā)點(diǎn)布置在山坡下部，檢波器與激發(fā)點(diǎn)的位置與第一排列的激發(fā)點(diǎn)位相同。觀測系統(tǒng)如圖1和圖2所示。

第二排列24道，檢波距2m，位置位于第一排列第25~48道地表位置，第1道里程為K40+692，第24道里程為K40+646，炮點(diǎn)位于第一排列第1道~第24道地表，第1炮里程為K40+740，第24炮里程為K40+690。激發(fā)點(diǎn)炸藥埋深0.7～1.0m，使用防水乳化炸藥，每炮藥量100g。地震CT剖面（二個(gè)排列）有效觀測長度96m，實(shí)際測量點(diǎn)共48個(gè)，其中檢波點(diǎn)72個(gè)，炮點(diǎn)72個(gè)，實(shí)際激發(fā)72炮，觀測地震波射線2880條。

4.地震CT探測結(jié)果及地質(zhì)解釋

4.1地震CT探測結(jié)果

根據(jù)地震直達(dá)波走時(shí)，計(jì)算出各接收點(diǎn)的地震波速，應(yīng)用國內(nèi)最成熟的CT反演軟件，進(jìn)行計(jì)算疊代反演速度模型；根據(jù)反演得到的速度模型，以100m/s速度間隔進(jìn)行色分，繪制波速影像圖，如圖3所示。

地震CT的探測結(jié)果主要是巖土介質(zhì)的波速分布圖，它表征介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度的分布特征。為保證結(jié)果和解釋的可靠性，CT結(jié)果中包含射線密度和射線正交性圖像，如圖4和圖5。由地震射線密度和射線正交性圖像可知，觀測系統(tǒng)是非常完備的，研究區(qū)內(nèi)絕大部分區(qū)域的正交性都在0.9以上，射線密度超過40條。

4.2 地質(zhì)解釋

由地震CT波速圖像的特征表明，山體表面有一波速低于600m/s低速層，是松散堆積體，坡上厚度6m左右，向下變薄，強(qiáng)度很低，穩(wěn)定性很差，雨季飽水后易產(chǎn)生滑塌；松散層下覆為強(qiáng)風(fēng)化巖，波速1200～1400m/s，強(qiáng)度較低，厚20～30m，強(qiáng)風(fēng)化巖中間夾有一低速透鏡體，波速在800～1000m/s，為是全風(fēng)化巖，強(qiáng)度略高于松散土，但低于強(qiáng)風(fēng)化巖，也可能是由于隧道開挖支護(hù)不及時(shí)引起的松動區(qū)，極不穩(wěn)定，應(yīng)該進(jìn)行注漿處治，以確保隧道邊坡穩(wěn)定。

在隧道里程K40+720～K40+670的50m范圍內(nèi)，存在1m寬的低速帶，說明隧道襯砌與圍巖之間有脫空現(xiàn)象。

同時(shí)從地震CT波速圖像分析，隧道K40+691位置處裂縫沒有貫穿到地表，與地表開裂裂縫沒有形成連通裂縫。隧道邊坡地表裂縫在CT圖像中應(yīng)該表現(xiàn)為明顯的低速帶異常，但在圖像中實(shí)際出現(xiàn)的低速異常僅在淺部6m的范圍內(nèi)，這說明裂縫僅在淺部發(fā)育，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層后就轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螏?。該裂縫的形成是由于下伏巖體變形沉陷引起，屬重力陷落性質(zhì)。裂縫總體深度大約10m左右，與隧道襯砌破壞有成因上的聯(lián)系，但在幾何結(jié)構(gòu)上并未相通。

5.探測結(jié)果判定

綜合地質(zhì)調(diào)查和地震CT探測結(jié)果，得出如下結(jié)論：

5.1隧道襯砌破壞與地表開裂是由于局部巖體失穩(wěn)造成的。由于隧道開挖引起了圍巖擾動，拱頂巖體中形成較大的松動帶，造成壓應(yīng)力分布不均和應(yīng)力集中，過大的壓力導(dǎo)致襯砌破壞。同時(shí)圍巖擾動變形，在地表積累位移，引起山坡表層開裂。

5.2地表開裂與隧道襯砌破壞兩者僅存在成因上的聯(lián)系，幾何結(jié)構(gòu)上是不連通的。邊坡地表出現(xiàn)的裂縫以張裂為主，伴有一定量的下沉，僅發(fā)育在淺表，進(jìn)入松散層后很快收斂，尖滅于強(qiáng)風(fēng)化巖中，轉(zhuǎn)化為變形帶。

5.3在所探測區(qū)域內(nèi)山體表面為松散堆積層，坡上厚度6m左右，向下變薄，強(qiáng)度很低，穩(wěn)定性很差，雨季飽水后易產(chǎn)生滑塌。

5.4松散層下覆為強(qiáng)風(fēng)化巖，強(qiáng)度較低，厚20～30m，強(qiáng)風(fēng)化巖中間夾有一低速透鏡體，為全風(fēng)化巖，強(qiáng)度略高于松散土，但低于強(qiáng)風(fēng)化巖，也可能是由于隧道開挖支護(hù)不及時(shí)引起的松動區(qū)，極不穩(wěn)定。

5.5在隧道里程K40+720～K40+670的50m內(nèi)，存在1m寬的低速帶，這是隧道襯砌與圍巖之間有脫空現(xiàn)象。

從總體上分析，坡體和隧道整體上基本處于穩(wěn)定，在非極端情況下，不存在滑坡的問題。但對上述探測結(jié)果指出的不穩(wěn)定區(qū)域及脫空位置，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿處理，確保隧道結(jié)構(gòu)和坡體的長期穩(wěn)定安全。

三、結(jié)語

此次勘探應(yīng)用地震CT進(jìn)行了直達(dá)波速成像，基本查清隧道破壞與山體開裂的原因、形態(tài)及相互關(guān)系，查明了隧道所處圍巖的工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出了隧道病害治理的建議，為制定合理的整治方案與隧道變更設(shè)計(jì)與施工提供了科學(xué)依據(jù)，達(dá)到了預(yù)期目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙永貴,王超凡,等. 地震CT 及其采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J ] . 地球物理學(xué),1998 ,41 (增刊) :367～375.

[2] 趙永貴,王超凡,等. 地震CT 及其地質(zhì)解釋[J ] . 地質(zhì)科學(xué),1997 ,32 (1) :96～102.

[3] 趙永貴,王超凡,陳燕民,等. 地震CT在尋找隱伏銅鎳礦中的應(yīng)用. 地球物理學(xué)報(bào),1996 ,39 (2) :272～278.

[4] 趙永貴. 中國工程地球物理研究的進(jìn)展與未來[J ] . 地球物理學(xué)進(jìn)展,2002 ,17 (2) :301～304.

[5] 王振東. 淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)[M] . 北京:地質(zhì)出版社,1996 ,201～225.

[6] 肖寬懷,劉浩,孫宇,向昌陽.地震CT勘探在昆石公路隧道病害診斷中的應(yīng)用[J] . 地球物理學(xué)進(jìn)展，2003,18(3): 472～476

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。