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應(yīng)用干孔聲波法測試隧洞圍巖松弛圈

2019-05-20 06:49孫治新趙洪鵬
水利水電工程設(shè)計 2019年1期
關(guān)鍵詞:原巖縱波換能器

孫治新 趙 秋 趙洪鵬

某水工隧洞最大埋深2 200 m,洞徑約6 m,在主洞樁號9+630 處進(jìn)行主、支洞交叉段擴(kuò)挖,該段主要巖性為志留系中統(tǒng)基夫克組第一層(S2j1)硅質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖,屬Ⅱ類巖體。由于主支洞交叉段擴(kuò)挖,使隧洞洞徑由原來的6 m 擴(kuò)大至17 m 左右,邊界條件的改變,破壞了原相對平衡的圍巖,使圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場再次發(fā)生變化,形成了新的應(yīng)力場,隧洞圍巖松弛圈厚度也隨之發(fā)生改變,從而導(dǎo)致施工過程中容易引起隧洞圍巖的失穩(wěn)和破壞,并可能影響隧洞圍巖的長期穩(wěn)定[1-2]。為保證隧洞施工安全,確保隧洞洞室穩(wěn)定,需對隧洞原設(shè)計支護(hù)類型和襯砌參數(shù)進(jìn)行修正。圍巖松弛圈是確定巖體穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計的重要參數(shù),特別是錨噴結(jié)構(gòu)支護(hù)中,要根據(jù)圍巖松弛圈厚度來設(shè)計錨固的深度。

1 基本原理[5-10]

由發(fā)射換能器激勵聲波脈沖,通過發(fā)射膠囊內(nèi)液體耦合傳至孔壁,沿孔壁以滑行縱波傳播并通過接收膠囊內(nèi)液體耦合被接收換能器1 和接收換能器2 采集。讀取2 個接收換能器之間的傳播時間差,即可獲得兩接收換能器之間圍巖的縱波波速,見式(1)。

式中 vp——孔壁圍巖縱波速度,m/s;

ΔL——兩接收換能器距離,m;

Δt——兩接收換能器縱波初至?xí)r差,s。

當(dāng)圍巖應(yīng)力發(fā)生改變時,聲波在不同應(yīng)力區(qū)的縱波波速也發(fā)生改變。應(yīng)力低,其波速相對低;應(yīng)力高,其波速相對較高,而未受影響的深部圍巖則保持原有的應(yīng)力(如圖1 所示),這3 個區(qū)具有明顯的或是漸變的波速界面(如圖2 所示)。根據(jù)這個原理,對隧洞圍巖進(jìn)行聲波測試,繪制出縱波波速和測孔深度的關(guān)系曲線,判斷圍巖中的應(yīng)力變化,確定其松弛圈的范圍。

圖1 隧洞圍巖應(yīng)力分布

圖2 速度—深度關(guān)系曲線

2 工作布置及測試技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場情況,在樁號9+630 斷面處腰墻、洞頂位置共布置4 個鉆孔。其中,1 個腰墻孔(ZK1),位于支洞左壁腰墻上,距洞底板約2 m,孔深9.4 m;3 個洞頂孔(ZK2、ZK3、ZK4),分別位于支洞中心右側(cè)約3 m 處、交匯中心線、主洞右臂起拱處,孔深分別為9.4、9.6、9.4 m。均垂直洞壁造孔,孔徑為50 mm。

采用一發(fā)雙收干孔聲波換能器,自孔底向孔口方向逐點(diǎn)觀測,測點(diǎn)距0.2 m,每測試10 個測點(diǎn)進(jìn)行一次深度校正;換能器與孔壁之間均以人工膠囊注水方式進(jìn)行耦合以確保換能器和孔壁接觸良好、接收信號清晰。

3 成果分析

依據(jù)實(shí)測聲波縱波波速,繪制聲波波速和測孔深度關(guān)系曲線,根據(jù)曲線的變化特征判斷圍巖松弛圈的范圍(如圖3 所示)。

圖3 樁號9+630斷面洞頂孔ZK3圍巖松弛圈聲波法測試成果圖

通過對腰墻孔(ZK1)、洞頂孔(ZK2、ZK3、ZK4)實(shí)測聲波波速—孔深關(guān)系曲線分析,可得出各孔圍巖松弛圈厚度和聲速變化特征,應(yīng)力集中區(qū)深度和聲速變化特征,原狀圍巖的平均聲速(詳見表1、圖4),現(xiàn)分析如下:

表1 圍巖松弛圈測試成果表

圖4 隧洞樁號9+630斷面聲波測試圍巖應(yīng)力分區(qū)圖

(1)腰墻孔(ZK1)圍巖松弛圈厚度為1.3 m,聲波速度由原巖的6 100 m/s 下降至4 520 m/s,降幅為25.9%;圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為1.3~2.4 m,聲波波速由原巖的6 100 m/s 上升為6 410 m/s,升幅為5.1%;原狀圍巖平均波速為6 100 m/s。

(2)洞頂孔(ZK2)圍巖松弛圈厚度為3.0 m,聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 510 m/s,降幅為43.4%;圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為3.0~4.0 m,聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 580 m/s,升幅為6.1%;原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

(3)洞頂孔(ZK3)圍巖松弛圈厚度為3.2 m,聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 520 m/s,降幅為43.2%;圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為3.2~4.6 m,聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 940 m/s,升幅為11.9%;原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

(4)洞頂孔(ZK4)圍巖松弛圈厚度為1.4 m,聲波速度由原巖的6 200 m/s 下降至3 790 m/s,降幅為38.9%;圍巖應(yīng)力集中區(qū)深度范圍為1.4~2.6 m,聲波波速由原巖的6 200 m/s 上升為6 760 m/s,升幅為9.0%;原狀圍巖平均波速為6 200 m/s。

綜上所述,主、支洞交叉擴(kuò)挖段樁號9+630 斷面,腰墻孔(ZK1)和洞頂孔(ZK4)圍巖松弛圈厚度相對較小,一般為1.3~1.4 m;洞頂孔(ZK2)和洞頂孔(ZK3)圍巖松弛圈厚度相對較大,一般為3.0~3.2 m。圍巖松弛區(qū)與圍巖原始應(yīng)力區(qū)之間均存在圍巖應(yīng)力集中區(qū),其應(yīng)力集中帶厚度一般為1.0~1.4 m。圍巖松弛區(qū)最小聲速相對原狀圍巖平均聲速一般降低25.9%~43.4%;圍巖應(yīng)力集中區(qū)最大聲速一般比原狀圍巖平均聲速高5.1%~11.9%。根據(jù)實(shí)測成果建議支護(hù)錨固深度應(yīng)大于等于5 m,以達(dá)到隧洞圍巖的長期穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

實(shí)例表明,應(yīng)用聲波法測試地下洞室圍巖松弛圈是一種簡單、經(jīng)濟(jì)、行之有效的方法。洞室圍巖松弛圈是確定巖體穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計的重要參數(shù),特別是錨噴結(jié)構(gòu)支護(hù)中,要根據(jù)圍巖松弛圈厚度來設(shè)計錨固的深度。因此,圍巖松弛圈的測定對于地下洞室合理而有效的支護(hù)具有十分重要的意義。

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