綜合物探在水工隧洞洞頂沉降破碎帶探測(cè)中的應(yīng)用

周振廣，祖夢(mèng)琦

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

在復(fù)雜條件下的水工隧洞施工過程中，常遇到穿越諸如斷層破碎帶、溶洞、軟巖等不良地質(zhì)條件，這些不良地質(zhì)條件洞段圍巖巖體一般較為破碎，在施工影響下，往往易發(fā)生沉降變形塌方的工程問題。水工隧洞圍巖沉降變形或塌方可導(dǎo)致洞周形成巖體破碎帶，最終影響水工隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［1］，因此需及時(shí)進(jìn)行加固處理。實(shí)際工作中對(duì)于這些工程問題加固處理的方法雖很多，但均須根據(jù)沉降變形的發(fā)育規(guī)模而定［2］，因此，采用一定手段查明沉降變形破碎帶發(fā)育范圍，是有效處理這些問題的關(guān)鍵任務(wù)，物探由于其具有無損、高效、不受場(chǎng)地限制的特點(diǎn)［3］，在解決類似工程問題上具有較為廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

某輸水隧洞直徑6.5m，最大埋深2300m，當(dāng)施工至樁號(hào)2+881～2+906 段時(shí)，因穿越斷層破碎帶，使得洞頂發(fā)生沉降變形，左側(cè)至拱頂下沉約15～20 cm，掌子面左拱～拱頂形成0.5 m＜H＜0.6 m 塌腔，為防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，施工單位對(duì)沉降變形區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。受圍巖沉降影響，沉降區(qū)無法按設(shè)計(jì)襯砌厚度進(jìn)行施工，需對(duì)沉降區(qū)洞頂巖體進(jìn)行全面處理并重新擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)開挖洞徑，為科學(xué)設(shè)計(jì)處理方案，現(xiàn)需查明洞頂沉降破碎帶具體的深度和范圍。

該施工洞段位于斷層帶內(nèi)，揭露地層巖性為石炭系阿恰勒和組（C1ab-1）沉凝灰?guī)r，圍巖較軟且破碎，斷層破碎帶以糜棱巖為主，碎塊巖次之，圍巖整體潮濕，有滴水和線狀流。

2 地球物理特征分析

目前洞頂沉降區(qū)由淺至深基本包括襯砌結(jié)構(gòu)層、固結(jié)灌漿層、原狀圍巖和沉降破碎圍巖。襯砌結(jié)構(gòu)層主要為鋼筋混凝土，固結(jié)灌漿層主要為充填混凝土的糜棱巖巖體，沉降破碎帶主要是相對(duì)松散的糜棱巖，原狀圍巖主要為相對(duì)致密的糜棱巖。各類介質(zhì)間存在明顯的彈性及介電常數(shù)差異，具備開展地球物理探測(cè)的物性條件。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，測(cè)區(qū)內(nèi)雷達(dá)測(cè)試介電常數(shù)取值為8，襯砌結(jié)構(gòu)層地震波平均波速3750 m/s，臨時(shí)灌漿層糜棱巖巖體地震波平均波速2500 m/s，多序灌漿層糜棱巖巖體地震波平均波速3500 m/s，沉降破碎帶糜棱巖巖體地震波平均波速2000 m/s，原狀糜棱巖巖體地震波平均波速3020 m/s。

3 探測(cè)方法

待探測(cè)區(qū)表層不具備接地條件且破碎巖體波速低于表層襯砌結(jié)構(gòu)，綜合考慮選擇不受接地及高波速屏蔽影響的地震映像法和探地雷達(dá)法進(jìn)行綜合探測(cè)，通過綜合物探技術(shù)提高解譯可靠性及精度。

3.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用高頻電磁波的反射來探測(cè)有介電常數(shù)差異的目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化，因此通過對(duì)雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下介質(zhì)層或目標(biāo)體的空間位置及結(jié)構(gòu)特征［4］。

在洞頂及左、右拱頂延洞軸線方向布置3 條探地雷達(dá)法測(cè)線，長(zhǎng)度均為15.0 m，工作參數(shù)：主頻400 MHz，時(shí)間測(cè)量模式，采樣長(zhǎng)度125 ns。

3.2 地震映像法

地震映像法采用人工敲擊產(chǎn)生的地震波向介質(zhì)傳播，當(dāng)遇到介質(zhì)存在波阻抗差異時(shí)，便產(chǎn)生反射波反射回地面。當(dāng)介質(zhì)分布均勻，無不良地質(zhì)體存在時(shí)，則所得到的同相軸連續(xù)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)斷、拱起等現(xiàn)象，若介質(zhì)內(nèi)存在空洞、破碎等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地震波在其分界面上產(chǎn)生波繞射等現(xiàn)象，使得同相軸出現(xiàn)錯(cuò)斷、拱起等現(xiàn)象。據(jù)此通過對(duì)圖像的分析，達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的［5］。

在隧洞洞頂布置1 條地震映像法測(cè)線，長(zhǎng)8.0 m。地震映像法工作參數(shù)：偏移距1.0 m，測(cè)量點(diǎn)距0.5 m，100 Hz 檢波器接收。

4 解譯分析

4.1 探地雷達(dá)法

存在物性差異的不同介質(zhì)內(nèi)電磁波傳播具有不同特征。襯砌結(jié)構(gòu)電磁波信號(hào)中分布有連續(xù)的雙曲形三振相強(qiáng)反射信號(hào)；一序固結(jié)灌層糜棱巖巖體局部殘留不密實(shí)區(qū)域，電磁波反射信號(hào)表現(xiàn)為整體較為均勻，局部存在強(qiáng)反射、三振相特征；多序固結(jié)灌漿層糜棱巖巖體內(nèi)部基本不存在不密實(shí)區(qū)域，電磁波表現(xiàn)為弱振幅、相位連續(xù)特征；沉降破碎帶糜棱巖巖體密實(shí)度差，電磁波在破碎巖體間以漫反射為主，電磁波反射信號(hào)總體表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、相位錯(cuò)斷特征，原狀糜棱巖巖體完整性高于沉降破碎帶糜棱巖巖體，因此從其電磁波反射信號(hào)強(qiáng)度及相位連續(xù)性分析，總體介于沉降破碎帶巖體與固結(jié)灌漿巖體之間，表現(xiàn)為振幅稍強(qiáng)、相位連續(xù)性差特征。

洞頂WT2 測(cè)線探地雷達(dá)法探測(cè)成果如圖1。首先根據(jù)電磁波同相軸延伸趨勢(shì)可見樁號(hào)2+882.0～2+897.0 洞段洞頂圍巖存在沉降變形趨勢(shì)，帶箭頭的實(shí)線為圍巖沉降變形示意線，中心沉降點(diǎn)位于樁號(hào)2+894.5 附近。其次根據(jù)電磁波在被探測(cè)介質(zhì)中傳播特征可將介質(zhì)分為3 層，層間分界面如圖中虛線所示，第1 層內(nèi)存在連續(xù)雙曲形三振相電磁波強(qiáng)反射信號(hào)，為襯砌結(jié)構(gòu)層的反映；第2 層電磁波反射信號(hào)具有整體弱振幅、相位連續(xù)特點(diǎn)，表明介質(zhì)內(nèi)部較為均勻，為固結(jié)灌漿層的反映；第3 層藍(lán)色實(shí)線以外區(qū)域相對(duì)于固結(jié)灌漿層電磁波反射信號(hào)振幅稍強(qiáng)、相位連續(xù)性差，為原狀糜棱巖的反映，藍(lán)色實(shí)線以內(nèi)區(qū)域電磁波反射信號(hào)振幅強(qiáng)、相位錯(cuò)斷，表明介質(zhì)內(nèi)部巖體破碎，為糜棱巖沉降破碎帶的反映，順洞軸線方向糜棱巖沉降破碎帶位于隧洞樁號(hào)2+887.5～2+897.0范圍內(nèi)。依據(jù)介電常數(shù)8 計(jì)算電磁波時(shí)深轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.106 m/ns，以此計(jì)算中心沉降點(diǎn)沉降幅度約0.35 m，沉降破碎帶徑向發(fā)育深度2.65～6.20 m，最深處位于樁號(hào)2+894.5 附近。

圖1 WT2 測(cè)線探地雷達(dá)法成果

4.2 地震映像法

固結(jié)灌漿層、沉降破碎帶及原狀圍巖巖體間存在明顯地震波波阻抗差異，對(duì)于同一波阻抗界面反射波同相軸呈連續(xù)形態(tài)這一特點(diǎn)可直觀地反映糜棱巖沉降破碎帶形態(tài)變化特征，同時(shí)由于破碎帶內(nèi)巖體松散，地震波在破碎帶內(nèi)呈漫反射傳播，所接受到的地震反射波信號(hào)相位連續(xù)性差，多表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷、拱起或凹陷。

洞頂WT2 測(cè)線地震映像法探測(cè)成果如圖2。圖中存在2 個(gè)同相軸連續(xù)的波阻抗界面，實(shí)線所示為固結(jié)灌漿層與沉降破碎帶分界面，虛線所示為沉降破碎帶與原狀圍巖分界面，兩個(gè)界面間地震波相位連續(xù)性差且局部相位錯(cuò)斷，為糜棱巖沉降破碎帶的反映。根據(jù)試驗(yàn)成果所述各層地震波平均波速，計(jì)算糜棱巖沉降破碎帶徑向發(fā)育深度范圍1.95～5.90 m，最深處位于樁號(hào)2+894.5 附近。

圖2 WT2 測(cè)線地震映像法彩色密度

4.3 綜合分析

將WT2 測(cè)線樁號(hào)2+890.0～2+897.0 段探地雷達(dá)法、地震映像法劃定定洞頂糜棱巖巖體破碎帶頂、底界面深度進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如表1。

表1 探地雷達(dá)、地震映像法劃定糜棱巖巖體破碎帶頂、底界面深度對(duì)比

成果對(duì)比：首先兩者解釋的最深沉降位置樁號(hào)均約在2+894.5 附近，其次兩者解釋的沉降破碎帶深度深度基本一致，誤差在0～0.95 m 之間，說明綜合物探技術(shù)可以準(zhǔn)確反映洞頂沉降破碎帶的發(fā)育范圍。

綜合成果：①左拱頂、洞頂及右拱頂樁號(hào)2+889.5～2+897.0 圍巖均存在沉降變形，沉降中心均位于樁號(hào)2+894.5 附近，沉降幅度約0.35 m。②左拱頂、洞頂及右拱頂沉降破碎帶分別位于樁號(hào)2+890.5 ～2+897.0、2+887.5 ～2+897.0 及2+889.5 ～2+897.0 洞段，徑向發(fā)育深度范圍分別為2.65～5.20 m、2.65～6.20 m 及2.35～5.75 m，最深位置均位于樁號(hào)2+894.5 附近。

5 結(jié)語

（1）在復(fù)雜條件下的水工隧洞施工過程中，圍巖沉降變形塌方屬于常見工程問題。查明沉降區(qū)巖體破碎帶分布范圍，掌握其隱伏部分的情況，可為加固處理提供科學(xué)依據(jù)。

（2）綜合物探是探查巖體沉降破碎帶的有效手段，但需在正確分析沉降區(qū)域地球物理特征、研究破碎巖體與周圍介質(zhì)物性差異及異常地球物理信號(hào)表現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，選擇相適應(yīng)的物探方法。本文以探地雷達(dá)法和地震映像法綜合探測(cè)水工隧洞洞頂沉降破碎帶發(fā)育規(guī)模，通過分析各類介質(zhì)物性特征，劃定巖體破碎帶的深度和范圍，取得良好的應(yīng)用效果，可供類似工程參考和借鑒。