隧道围岩弹性波测试技术浅析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷，第３期　公　路　工　程　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．３　２　０　０　８年６月　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎ．，２　０　０　８　隧道围岩弹性波测试技术浅析　张敏，胡　帆　（湖南省交通科学研究院，湖南长沙４１００１５）　［摘要】拥有众多节理和裂隙等结构面的隧道围岩，当牵涉到隧道开挖效应、静动荷载等外部因素的作用　时，其表现为一种更加复杂的岩土介质，实时监测其围岩完整性及爆破开挖所产生的松动范围就显得尤为重要。　通过理论计算并结合工程实例，总结出一套隧道围岩弹性波测试技术，为同类检测提供借鉴参考。　［关键词】隧道；围岩；弹性波测试；龟裂系数；围岩松动圈　［中圈分类号】Ｕ　４５１　．２　［文献标识码】Ｂ　［文章编号】１００２—１２０５（２００８）０３－０１２５－０３　Ｉｎｉｔｉａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｏ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎ，ＨＵ　Ｆａｎ　（Ｈｕｎａｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４１００１５，Ｃｈｉｎａ）　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｔｕｎｎｅｌ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｅｌａｓｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃｒｏｃｏｄｉｌｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ；ｓｕｒ－　ｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｌｏｏｓｅ　ｃｉｒｃｌｅ　隧道围岩的岩体中往往包含各种层面，如节理　声波的实质是弹性介质的机械振动，超声波是　和裂隙等结构面，当牵涉到隧道开挖效应、静动荷载　介质质点振动频率在超声频率范围内的弹性波动，　等外部因素的作用时，其表现为一种更加复杂的岩　它遵循基本的弹性波动方程理论。无限体中纵波的　土介质。在隧道施工过程中，利用声波在岩体内的　传播速度　为：　传播特性，以测定岩体的弹性常数，了解岩体的某些　’一／业一／物理力学性质，判断岩体的完整性以及破坏程度等，　Ｐ＾／Ｐ　Ｐ（１＋墨！！＝　２　）（１一　）　　这就是隧道围岩的弹性波测试。　式中：Ｅ为弹性模量（杨氏模量）；ｐ为密度；肛为泊　１岩石中声波传播原理　松比。　由此可以看出，介质中声波的传播速度实质上　岩石跟大多数弹性介质一样，在外力的作用下，　是由介质的动弹性力学参数决定的。　产生的变形有两种基本形式：一种是形状保持不变，　只是体积大小变化的体变（即膨胀与收缩变形）；另　２　隧道围岩弹性波测试方法　一种是体积保持不变，而形状发生变化的剪切变形　２．１　现场测试　（即各边之间的夹角变化）。这两种变形同时存在，　现场一般采用双孔孔间穿透法，即通过在岩石　而体变是由张力、压力引起，剪切变形是由剪应力引　中钻凿两个相互平行的孔，孔径一般为５Ｏ～６０　ｍｍ，　起。因此，由于不同性质的外力作用，在岩体内产生　孔深一般为２～３　ｍ，间距一般为１．０～２．０　ｍ，将发　相应的两种波形：纵波和横波。纵波简称Ｐ（Ｐｒｉｍａ．　射换能器和接收换能器分别安设在两个钻孔中，现　ｒｙ）波，表示初始波的意思，特点是质点的振动方向　场进行弹性声波脉冲的发射和接收试验。由声波脉　与传播方向互相平行；横波简称ｓ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）波，表　冲发射源在岩石中激发高频弹性脉冲波，用高精度　示次至波的意思，特点是质点的振动方向与传播方　的接收系统接收记录脉冲在岩石中传播过程中表现　向互相垂直。通常情况下我们关心和测试的是纵波　的波动特性，根据首波的到达时间及波的能量衰减　（Ｐ波）的传播特性。　特性、频率变化程度等特征，即可获得检测区域内的　［收横日期】２００８—０４—２０　［作者简介】张敏（１９７３－），男，湖南邵阳人，工程师，主要从事试验检测工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２６　公路工程　３３卷　岩石密实度参数，从而判别被测岩体的完整性及松　件声速。　动范围。测试系统见图１。　表１岩体完整性分类表　龟裂系数Ｋ　岩体完整程度　岩体结构　＞０．７５　完整性好、裂隙少　完整块状结构　０．７５—０．４５完整性较好、裂隙间距大于２０—３０　ｃｍ　块状　：　：竺　塞鳖堡茎：型墼　堕尘王　：　！竺　壁型、状　２．３　围岩松动圈计算　岩体开挖洞室后，洞室周围岩体产生应力重新　分布，形成次生应力场，周围岩体将依次出现应力降　低区、应力升高区和原岩应力区。处于应力降低区　图１弹性波测试系统　的岩体由于开挖被破碎，加以施工爆破等影响，是不　为提高换能器的声波效率，使声能尽最大可能　稳定的，这样就在洞室周围形成一定厚度的松动圈　辐射到岩体中去，并使声波尽可能多的传递到接收　（带）。松动圈范围的测定，是评价岩体稳定性和支　换能器，要求换能器和岩壁之间保持良好韵声阻抗　护结构设计的重要依据。　匹配。理想的状态是换能器与岩壁之间不存在声波　这样，在洞室壁的各个部位布置适量的测孔，量　阻抗界面，但这在技术上是困难的，通常采用在换能　测距洞壁不同深度的各点声波传播速度的变化，绘　一　．　＼　一．．ｓ．６　４　２　６　器和岩壁之间加一层中间介质，来填补换能器与岩　制波速距洞壁不同深度的变化曲线，即　一　曲线，　壁面所未能接触到的空间，这种介质称为耦合剂。　并结合岩体正常的波速和地质情况，即可区分洞室　水和黄油是现场常用的耦合剂材料。当钻孔水平或　围岩中波速小于原岩波速范围的松动圈（应力降低　倾斜向上时，为使钻孔内注满清水，并使探头在钻孔　区），大于原岩波速范围的压密圈（应力升高区）和　内移动时不外溢，建议采用密水气囊堵塞出口保持　不受采动影响的岩体正常波速的原岩应力区。其基　水位。检测时，钻孔内应注满清水，发射与接收换能　本特征曲线见图３。　器（探头）置于同一标高位置。检测自内而外（或自　外而内），每移动探头２５　ｅｍ，即每２５　ｅｍ为一检测　＼　、、４－——————————一　断面，依次读取各测点的纵波声时、波形、波幅并进　Ｉ　行记录。现场检测示意图见图２。　Ⅱ１　Ⅲ　　ｌＩ　Ｉ　　ＩＩ　　Ｊ０．５　１．０　１．５　２．０　２．５　０．５　１．０　１．５　２．０　２．５　￡／ｍ　￡／ｍ　６　●　４　：　一　ｉⅡｊ　ｍ　　ｌｌ　０．５　１．０　１．５　２．０　２．５　０．５　１．０　１．５　２　０　２．５　Ｌ／ｍ　Ｌ　ｆ　ｍ　图２现场检测不葸图　Ｉ一应力下降区；ＩＩ一应力升高区；ＨＩ一原岩应力区　２．２围岩完整性评价　图３　围岩松动圈基本特征曲线　为了解岩体中裂隙的发育程度，进而判断岩体　的完整性，我们引入了龟裂系数，即岩体完整性系　数，以Ｋ表示。根据不同Ｋ值，我们将岩体结构按　３　工程实例　完整性分类成完整块状、块状和破裂状三种，具体分　常吉高速公路凉水井隧道位于泸溪县洗溪镇洞　类见表１。　头寨村，为分离式单向行车双线隧道。隧道左线起　Ｋ＝（　）　讫桩号为Ｚｋｌ８８＋４９０～Ｚｋ１８９＋１６０，全长６７０　ｍ；隧　道右线起讫桩号为Ｙｋ１８８＋４２５～Ｙｋ１８９＋１８４，全长　式中：　为采样点岩体声速；　为检测区域岩石试　７５９　ｍ。现场测试及室内计算机数据的计算、整理、　＼　２　　４　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　张　敏，等：隧道围岩弹性波测试技术浅析　１２７　分析，检测结果如下。　①断面１（Ｙｋ１８９＋１４０）左侧。　弹性波检测计算表见表２。　表２　ｌ　断面测试数据　龟裂系数（岩体完整性系数）Ｋ。　经试验得：Ｖｍ＝４．４８　ｋｍ／ｓ。ｖｃ＝５．１８　ｋｍ／ｓ　＝　＝（筹）　－ｏ．７５　对照分类表，分类见表３。　纵波波速与测孔深度关系曲线见图４。　表３　ｌ　断面岩体完整性分类　注：　为所属项。　圈４　ｌ＃ＩＩ￣ｉｌｌｉｉ岩松动圈特征曲线　此曲线属增高型曲线，曲线前段波速较低，逐渐　上升，中后段接近于正常原岩波速值，说明洞室该处　围岩表面有松动，因而有应力降低区产生。围岩松　动圈为０—１．０　ｍ左右，建议局部注浆补强。　②断面２（Ｙｋ１８９＋１２８）右侧。　弹性波检测计算表如表４。　龟裂系数（岩体完整性系数）Ｋ。　经试验得：Ｖｍ＝４．６９　ｋｍ／ｓ，　＝５．１８　ｋｍ／ｓ　＝（　＝（　）　－ｏ．８２　表４　２＃断面测试数据　对照分类表，分类如表５。　纵波波速与测孔深度关系曲线见图５。　表５　ｚ＃［ｉｌｉ岩体完整性分类　龟裂系数　岩体完整程度　岩体结构　＞０．７５　完整性好、裂隙少　完整块状结构　０．７５～０．４５完整性较好、裂隙间距大于２０～３０　ｅｍ　块状　＜０．４５　完整性差、裂隙间距小于２０～３０　ｅｍ　碎裂状　注：　为所属项。　圈５　ｚ＃ＩＩ￣ｉｌｉＨｌｌ岩松动圈特征曲线　此曲线属平缓型曲线，波速与孔深关系曲线基　本上保持在原岩正常波速值，说明岩体完整性好，强　度高，洞室开挖后围岩的完整性未受破坏，应力没有　明显变化，于是，可以认为该处围岩没有松动带出　现。　４　结束语　上述可知，通过现场采样，隧道弹性波检测完全　可以准确及时的监测到围岩节理、裂隙发育等完整　性情况及松动范围，为设计、施工提供技术帮助。　［参考文献］　［１］　李晓红．隧道新奥法及其量测技术［Ｍ］．北京：科学出版社　２００２　［２］ＪＴＧ　Ｄ７０—２００４，公路隧道设计规范［Ｓ］．