綜合物探在水工隧洞軟巖變形區(qū)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）

水工隧洞是引調(diào)水工程的重要組成部分， 承擔(dān)著不間斷調(diào)水功能。 我國(guó)各類(lèi)水工隧洞發(fā)展歷程表明，隨著工程區(qū)地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，隧洞涌水、圍巖變形、巖爆等不良地質(zhì)問(wèn)題越發(fā)突出［1］。其中隧洞圍巖變形通常發(fā)生在軟巖地層中，在隧洞開(kāi)挖以后，軟巖變形具有形變大、速率快、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，并引起支護(hù)破壞、初襯侵限、二襯開(kāi)裂等現(xiàn)象［2］，因此需及時(shí)處理。軟巖變形一般需根據(jù)其發(fā)育規(guī)模、部位及襯砌破損情況等研究相適應(yīng)的處理方案， 因此應(yīng)采用一定手段對(duì)變形區(qū)進(jìn)行綜合探測(cè)。 物探由于其具有無(wú)損、高效、直觀的特點(diǎn)［3］，在解決類(lèi)似工程問(wèn)題上具有較廣泛的應(yīng)用。

1 工程問(wèn)題概況

某水工隧洞區(qū)位于北天山西段南麓低山丘陵區(qū)，地層巖性為第三系（N1+2）砂礫巖、泥巖，弱膠結(jié)，砂礫巖主要分布于隧洞上臺(tái)階， 泥巖主要分布于隧洞下臺(tái)階。輸水隧洞樁號(hào)5+038.3～5+047.3 段完成襯砌施工后砂礫巖發(fā)生變形， 導(dǎo)致頂拱下沉及兩側(cè)邊拱襯砌混凝土結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂（如圖1）。為科學(xué)設(shè)計(jì)處理方案， 現(xiàn)需查明變形區(qū)具體的發(fā)育規(guī)模及襯砌破損情況。

圖1 襯砌混凝土裂縫、錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂

2 工程區(qū)地球物理特征分析

松動(dòng)、未松動(dòng)砂礫巖及破損、未破損襯砌結(jié)構(gòu)間均存在明顯的波阻抗或介電常數(shù)差異， 具備使用地震波、電磁波、超聲橫波等物探方法的基本前提。

基于探查孔試驗(yàn)及編錄成果校準(zhǔn)探測(cè)參數(shù)，襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)取值6.4、地震波平均波速3750 m/s、超聲橫波波速2450 m/s， 松動(dòng)砂礫巖介電常數(shù)取值7.5、地震波平均波速2000 m/s。

3 探測(cè)方法

3.1 地震映像法

地震映像法是一種在待測(cè)介質(zhì)表面連續(xù)等間距激發(fā)并接收地震反射波的方法。若介質(zhì)內(nèi)部均勻，則接收的反射波同相軸連續(xù)穩(wěn)定， 無(wú)錯(cuò)斷、 拱起等現(xiàn)象，若介質(zhì)內(nèi)存在缺陷，則反射波在缺陷界面上產(chǎn)生繞射，使得同相軸出現(xiàn)錯(cuò)斷、拱起等現(xiàn)象［4］?，F(xiàn)場(chǎng)工作測(cè)線(xiàn)沿洞軸向布置于洞頂及左、右拱頂，長(zhǎng)度25.0 m，偏移距1.0 m，測(cè)量點(diǎn)距0.5 m。

3.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)是基于高頻電磁反射波探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部缺陷的物探技術(shù)。電磁波傳播中，波形將隨所通過(guò)介質(zhì)介電常數(shù)差異而發(fā)生變化， 通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的處理，根據(jù)接收電磁波特征，可確定介質(zhì)內(nèi)部缺陷空間位置及結(jié)構(gòu)特征［5］?，F(xiàn)場(chǎng)工作測(cè)線(xiàn)沿洞軸向布置于左洞頂及左、右拱頂測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度20.0 m，天線(xiàn)主頻400 MHz，150 掃描/s，采樣長(zhǎng)度125 ns。

3.3 超聲橫波成像法

超聲橫波成像法是一種以多道點(diǎn)接觸傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以“合成孔徑聚焦技術(shù)”進(jìn)行數(shù)據(jù)反演的物探方法。當(dāng)待探測(cè)介質(zhì)內(nèi)存在缺陷時(shí)，信號(hào)將會(huì)在缺陷表面形成強(qiáng)反射波， 通過(guò)分析反射波旅行路徑和時(shí)間即可推斷出缺陷位置及發(fā)育范圍。 在襯砌錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂區(qū)域布置3 個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)間距0.1 m。

4 解譯分析

4.1 地震映像法

松動(dòng)、 未松動(dòng)砂礫巖間存在明顯地震波波阻抗差異，未松動(dòng)砂礫巖地震反射波相位橫向連續(xù)性好，松動(dòng)砂礫巖地震反射波信號(hào)相位橫向連續(xù)性差。

圖2 為洞頂測(cè)線(xiàn)地震映像法探測(cè)成果。 由圖2可知， 樁號(hào)K5+022.0～K5+028.0 洞段地震反射波信號(hào)相位橫向連續(xù)性差， 表明襯砌上方砂礫巖完整性差； 樁號(hào)K5+028.0～K5+038.5 洞段地震反射波信號(hào)相位橫向較為連續(xù)，局部連續(xù)性差，存在明顯連續(xù)強(qiáng)反射波同相軸， 為固結(jié)灌漿砂礫巖與原狀砂礫巖分界面的反映； 樁號(hào)K5+038.5～K5+046.5 洞段地震波反射信號(hào)相位橫向連續(xù)性差， 表明襯砌上方砂礫巖完整性差，存在明顯連續(xù)反射波同相軸（如圖中實(shí)線(xiàn)所示），為松動(dòng)、未松動(dòng)砂礫巖分界面的反映。變形區(qū)地震波平均波速為3750 m/s， 相對(duì)松動(dòng)砂礫巖地震波平均波速為2000 m/s， 計(jì)算砂礫巖變形區(qū)底界面埋深約0.9 m、頂界面埋深范圍0.9～8.3 m，最深處位于樁號(hào)K5+044.0 附近。

圖2 洞頂測(cè)線(xiàn)地震映像法波形

4.2 探地雷達(dá)法

未松動(dòng)砂礫巖電磁波反射信號(hào)同相軸較連續(xù)，松動(dòng)砂礫巖電磁波反射信號(hào)同相軸橫向連續(xù)性差且頻率低，松動(dòng)、未松動(dòng)砂礫巖分界面位置電磁波反射信號(hào)同相軸表現(xiàn)為錯(cuò)斷或彎曲， 變形區(qū)域內(nèi)電磁波反射信號(hào)同相軸呈沉降趨勢(shì)。

洞頂測(cè)線(xiàn)探地雷達(dá)法成果如圖3。由圖3 可知，樁號(hào)K5+022.0～K5+028.0 洞段電磁反射波信號(hào)同相軸橫向連續(xù)性差，表明襯砌上方砂礫巖完整性差；樁號(hào)K5+028.0～K5+038.5 洞段電磁反射波信號(hào)同相軸橫向較為連續(xù)，局部連續(xù)性差，為固結(jié)灌漿砂礫巖的反映； 樁號(hào)K5+038.5～K5+046.5 洞段存在電磁波反射信號(hào)同相軸錯(cuò)斷彎曲特征（如圖3 中虛線(xiàn)所示），為變形砂礫巖與原狀砂礫巖分界面的反映， 變形區(qū)內(nèi)同相軸橫向連續(xù)性差且頻率低，呈沉降趨勢(shì)，表明襯砌上方砂礫巖完整性差。 變形區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)介電常數(shù)為0.64，松動(dòng)砂礫巖介電常數(shù)取值為7.5，計(jì)算變形區(qū)砂礫巖底界面埋深約0.9 m、樁號(hào)K5+042.0 位置頂界面埋深4.0 m，最深處位于樁號(hào)K5+042.0 附近。

圖3 洞頂測(cè)線(xiàn)探地雷達(dá)法成果

4.3 超聲三維成像法

超聲橫波反射信號(hào)越強(qiáng)表征襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部完整性越差，強(qiáng)破壞區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)超聲橫波呈“強(qiáng)反射”特征，完整襯砌結(jié)構(gòu)呈“弱或無(wú)反射”特征，弱破壞區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)信號(hào)強(qiáng)度介于上述二者之間。

圖4 為超聲橫波成像法 （樁號(hào)K5+046.0～K5+045.0）成果（X 為洞軸線(xiàn)方向，Y 為豎向，Z 為徑向），由藍(lán)至紅表示信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大，Y 方向1.0 m 位置為上、下臺(tái)階拼接縫，由圖4 可知：①右壁襯砌洞軸向樁號(hào)K5+045.4～K5+046.0、徑向深度0～0.3 m 為強(qiáng)破壞區(qū)，上游至下游方向、上臺(tái)階至下臺(tái)階方向襯砌破壞徑向深度逐漸增大； ②右壁襯砌洞軸向樁號(hào)K5+045.0～K5+045.4、徑向深度0～0.5 m 為弱破壞區(qū)，上游至下游方向、 上臺(tái)階至拼接縫方向襯砌破壞徑向深度逐漸增大且拼接縫至下臺(tái)階方向逐漸減小。

圖4 超聲橫波成像法成果

5 綜合成果及驗(yàn)證

綜合成果： ①左壁松動(dòng)砂礫巖洞軸線(xiàn)方向發(fā)育范圍K5+038.5～K5+047.0、頂界面埋深0.9 m、底界面埋深0.9～4.2 m、 最深處位于樁號(hào)K5+045.0～K5+046.0； ②洞頂松動(dòng)砂礫巖洞軸線(xiàn)方向發(fā)育范圍K5+038.5～K5+047.0、 頂界面埋深0.9 m、 底界面埋深0.9～8.3 m，最深處位于樁號(hào)K5+044.0；③右壁松動(dòng)砂礫巖洞軸線(xiàn)方向發(fā)育范圍K5+038.5～K5+042.0、頂界面埋深0.9 m、底界面埋深1.0～4.1 m，最深處位于樁號(hào)K5+042.0； ④左壁強(qiáng)破壞區(qū)徑向深度0～0.5 m，位于樁號(hào)K5+043.0 下游， 右壁強(qiáng)破壞區(qū)徑向深度0～0.3 m，位于樁號(hào)K5+045.4 下游，上游至下游方向、上臺(tái)階至下臺(tái)階方向襯砌破壞徑向深度逐漸增大；⑤左、右壁弱破壞區(qū)徑向深度均為0～0.5 m，位于樁號(hào)K5+038.5～K5+043.0 內(nèi)，上游至下游方向、上臺(tái)階至拼接縫方向襯砌破壞徑向深度逐漸增大且拼接縫至下臺(tái)階方向逐漸減小。

驗(yàn)證：右壁樁號(hào)K5+042.0 位置布設(shè)鉆孔（如圖5a）， 揭露松動(dòng)砂礫巖厚度為4.0 m， 右壁樁號(hào)K5+038.0 位置襯砌開(kāi)槽（如圖5b），揭露襯砌完整，鋼筋未錯(cuò)斷，說(shuō)明樁號(hào)K5+038.0 位置至上游右壁襯砌結(jié)構(gòu)未受影響，均與物探結(jié)果一致。

圖5 驗(yàn)證示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

（1）圍巖變形是軟巖隧洞建設(shè)中危及隧洞施工及長(zhǎng)期安全的重大工程災(zāi)害之一， 只有全面查明變形區(qū)發(fā)育規(guī)模，掌握其隱伏缺陷發(fā)育規(guī)律，才能為處理方案設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)服務(wù)和決策支持。

（2）綜合物探是探測(cè)圍巖變形有效手段，基于圍巖變形所引發(fā)的物理場(chǎng)變化， 在正確合理分析變形區(qū)缺陷地球物理特征的基礎(chǔ)上， 選擇適宜的物探方法進(jìn)行綜合探測(cè)，可取得較為理想的效果。

（3）以某水工隧洞軟巖變形探測(cè)為例，基于對(duì)變形區(qū)地球物理特征的合理分析，確定探地雷達(dá)法、地震映像法及超聲橫波成像法相結(jié)合的綜合物探思路，通過(guò)研究松動(dòng)砂礫巖與原狀砂礫巖地震波、電磁波相位特征及波阻抗差異劃定沉降變形范圍， 通過(guò)研究襯砌結(jié)構(gòu)超聲橫波反射強(qiáng)度分析襯砌破損情況，為后續(xù)處理提供科學(xué)依據(jù)。