地震折射層析法在隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試中的應(yīng)用

高 帥

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

0 引言

隧道工程中形成松動(dòng)圈，會(huì)引發(fā)巖層波速值急劇變化，相較于原巖波速而言，隧道邊挖邊界區(qū)域的波速相對(duì)更小。松動(dòng)與未松動(dòng)的交界區(qū)域尤為典型，此時(shí)入射波會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，并沿著松動(dòng)面持續(xù)傳播一段距離，此后再次折回到開挖表面。當(dāng)超出特定的距離范圍時(shí)，折射波將更早地到達(dá)開挖表面。對(duì)某一區(qū)域折射波的走時(shí)進(jìn)行分析，便可得知松動(dòng)范圍的實(shí)際深度值。

1 工程概況

平?jīng)鲋撂焖咚夙?xiàng)目貫穿于整個(gè)G8513 線路中的關(guān)鍵區(qū)段，項(xiàng)目由華亭縣吳家堡子引出，最終到達(dá)天水市西十里鋪，項(xiàng)目全長(zhǎng)168.07 km，且與連云港至霍爾果斯公路相交。

2 基本原理

地震折射層析法是一種較為新型的方法，其可以規(guī)避傳統(tǒng)折射解釋方法中所存在的種種缺陷，給出的解釋更為精確可行。具體操作原則：圍繞模型進(jìn)行射線追蹤，基于此途徑可獲得炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最小走時(shí)，此后將其與實(shí)際測(cè)試值進(jìn)行分析，借助最小二乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修改并展開多次疊代，最終得到反演結(jié)果。在整個(gè)過程中，惠更斯原理以及費(fèi)馬原理是極為重要的理論指導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上可以得到震源與節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的走時(shí)以及路徑情況。地震折射層析法可操作性高，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)模型而言依然具有適應(yīng)性。二維最小走時(shí)樹方法會(huì)對(duì)二維地質(zhì)模型進(jìn)行離散處理，得到一定量的四邊形單元，任何一個(gè)單元內(nèi)的速度都相同，但各單元間的速度變化存在一定差異；此外，所有單元的四邊都存在節(jié)點(diǎn)射線，只通過節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳播。

3 測(cè)試方法

3.1 原理及特征

測(cè)試過程使用的地震折射層析法，在時(shí)間場(chǎng)法以及延遲時(shí)法的基礎(chǔ)上可以得到對(duì)應(yīng)的初始模型，由此進(jìn)入正演環(huán)節(jié)，此時(shí)使用的是最小走時(shí)樹法，而反演過程應(yīng)用阻尼最小二乘法，圍繞初始模型展開迭代操作，由此計(jì)算射線的路徑，提升計(jì)算時(shí)距曲線與實(shí)測(cè)曲線的相似性，得到的最優(yōu)擬合速度模型是最終需要的解釋結(jié)果。

3.2 松動(dòng)圈劃分的依據(jù)和方法

如果表層波速值＜1000 m/s，稱之為松弛帶；如果中部波速值介于1000～2500 m/s 內(nèi)，稱之為松動(dòng)帶；此外，如果底部波速值＜2500 m/s，稱之為未擾動(dòng)帶。區(qū)帶的劃分，主要借助于速度梯度實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮滑行界面的實(shí)際位置。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)布置和測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量

（1）剖面長(zhǎng)度≥24 m，最佳長(zhǎng)度48 m。

（2）采集數(shù)據(jù)量應(yīng)足夠豐富，是確保反演精度的基本前提，道間距應(yīng)達(dá)到1 m。

（3）控制炮孔深度，至少達(dá)到1.5 m。

（4）做好對(duì)檢波點(diǎn)、炮點(diǎn)位置以及深度的驗(yàn)證工作。

（5）使用的乳化巖石炸藥，要求裝藥量達(dá)到3050 g。

4 隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試實(shí)例

測(cè)試段主要發(fā)生在斷層帶內(nèi)，所形成的隧道斷層寬度通常達(dá)到400 余米，開挖施工后，便會(huì)帶來圍巖變形現(xiàn)象。當(dāng)采用長(zhǎng)度4 m 的錨桿時(shí)，錨固效果欠佳。對(duì)此，工程人員分析圍巖變形機(jī)理，變更預(yù)先設(shè)定的施工方案，最終確定對(duì)圍巖松動(dòng)圈展開測(cè)試。受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的影響，以地震折射層析法為宜，其具有較高的分辨率，適用于速度橫向不均的場(chǎng)景。

測(cè)試環(huán)節(jié)選用NZ48 道地震儀，道間距均為1 m，單排炮量10～15 個(gè)，遵循炮點(diǎn)均勻分布原則，炮深1～2 m，并沿著隧道軸線布置，從而獲悉到隧道斷面的變形與松動(dòng)圈實(shí)際情況。

對(duì)隧道右拱腳1.5 m 區(qū)域進(jìn)行分析，隧道斷層帶內(nèi)右拱腳上1.5 m 折射層析解釋結(jié)果顯示：深度4 m 的區(qū)域，主要集中在425～445 m 區(qū)段內(nèi)，諸多射線在此發(fā)生折射現(xiàn)象，并沿著直線滑行。

滑行直線兩側(cè)顏色存在明顯的由紅變黃的特性，對(duì)應(yīng)的速度梯度變化幅度較大。在此基礎(chǔ)上分析松動(dòng)圈物理特性，將折射層速度2050 m/s 的區(qū)域定義為松動(dòng)圈與過渡帶的分界面。與此同時(shí)，深度9 m 的區(qū)域有諸多射線沿直線滑行，此時(shí)滑行直線上下兩側(cè)顏色表現(xiàn)出由綠變藍(lán)的特性，但對(duì)應(yīng)的速度梯度變化較?。粚⒄凵浠兴俣?850 m/s 的區(qū)域設(shè)定為過渡帶與原巖的分界面。此外，折射層析解釋結(jié)果顯示過渡帶與射線彎曲現(xiàn)象明顯，意味著過渡帶的速度以漸變的方式逐步趨于原巖速度。

層析解釋結(jié)果反映出了圍巖松動(dòng)圈的分布情況及變化特征，隧道斷層帶內(nèi)右拱腳上0.5 m 折射層析解釋結(jié)果顯示：松動(dòng)圈主要集中在4～5 m 深度區(qū)域，如果錨桿長(zhǎng)度為4 m，意味著錨桿只能進(jìn)入松動(dòng)圈，即無法達(dá)到錨固圍巖的效果，必然會(huì)帶來圍巖變形現(xiàn)象，影響施工的順利進(jìn)行。避免上述問題的方法式錨桿加長(zhǎng)到10 m 為宜。

隧道斷層帶內(nèi)右拱腳上0.5 m 折射層析解釋結(jié)果顯示：452～467 m 區(qū)段速度界面發(fā)生向上凸起現(xiàn)象，并且兩側(cè)的射線呈透明特性，在此情況下，層析解釋在描繪速度界面中依然有效。

盡管折射層析結(jié)果顯示射線投射現(xiàn)象較為嚴(yán)重，但482 m兩側(cè)且深度3～4 m 范圍內(nèi)的射線依然有很多發(fā)生了直線滑行現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)速度2150 m/s，以此為指導(dǎo)可確定出松動(dòng)圈與過渡帶的邊界。此外，462～477 m 且深度5 m 的區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生折射截面，此部分的速度有所提升，達(dá)到2900 m/s，是過渡帶與原巖的重要分界依據(jù)。這一過渡帶中依然存在射線彎曲傳播現(xiàn)象，但過渡帶表現(xiàn)出了變窄的特點(diǎn)。

隧道斷層帶內(nèi)左拱腰折射層析解釋結(jié)果顯示：松動(dòng)圈深1～2 m，深度明顯更小，其中的過渡帶起伏較大，推測(cè)與應(yīng)力不均衡有很大關(guān)聯(lián)。

圍繞隧道斷層中的十余條測(cè)試面展開分析，與左邊墻相比，存在于右邊墻區(qū)域內(nèi)的松動(dòng)圈與過渡帶更深一些，原因與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖的作用有關(guān)，這是一種自右向左的影響機(jī)制。對(duì)于同一隧道斷面而言，開挖工作對(duì)隧道左右側(cè)的影響程度一致，但伴隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，將會(huì)形成松動(dòng)圈，此外還存在自重力，造成松動(dòng)圈將進(jìn)一步擴(kuò)大。左邊墻部分也會(huì)受到開挖的影響，由此引發(fā)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)失效，相比之下，右邊墻還會(huì)受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，且呈現(xiàn)出高度的連續(xù)性，這也是設(shè)計(jì)中的重要指導(dǎo)依據(jù)。

5 結(jié)束語

在當(dāng)前的隧道工程中，松動(dòng)圈測(cè)試尤為關(guān)鍵，以射線密集折射滑行區(qū)為基礎(chǔ)，得到相對(duì)應(yīng)的速度值，從而展開區(qū)域劃分工作。過渡帶射線具有典型的彎曲傳播特性；射線向下傾斜時(shí)，彎曲程度更明顯?？傮w來說，折射層析法可行性較高，但速度變化較大的區(qū)域應(yīng)加密炮點(diǎn)，以確保解釋精度。