宗緒，郭超，陳正林，張劼超

(中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

0 引言

我國從20 世紀(jì)60 年代末開始研究巖體聲波測試技術(shù)，該技術(shù)是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù)為評價巖體力學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。經(jīng)過幾十年的努力，聲波測試技術(shù)無論從硬件還是軟件方面都得到了前所未有的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于巖體力學(xué)與工程的許多領(lǐng)域。

國內(nèi)外學(xué)者對聲波測試技術(shù)進行了大量的研究與應(yīng)用。羅周全等[1]詳述了現(xiàn)場實施巖石裂隙聲波測試的全過程，通過對測試結(jié)果進行分析，預(yù)測了爆破振動影響下采場裂隙發(fā)展情況。于維剛等[2]提出了更快捷、更經(jīng)濟的聲波法測試技術(shù)，通過在青島膠州灣海底隧道應(yīng)用，驗證了聲波法隧道圍巖松動圈探測技術(shù)應(yīng)用的可能性和可靠性。簡文彬等[3]對壩址區(qū)進行鉆孔巖體聲波波速測試，得到的測試結(jié)果為解決壩址穩(wěn)定及滲漏問題提供了重要的依據(jù)。彭柏興等[4]通過測定巖體的縱波速度，對長沙地區(qū)紅層軟巖建立了紅層巖體聲波速度與其強度的相關(guān)方程。孫國清[5]利用原位聲波測試法對新集一礦F10 斷層的力學(xué)性質(zhì)進行測試，利用彈性波兩點時差法，獲得了對應(yīng)的動彈模量、體積模量、剪切模量。楊靜熙等[6]在錦屏一級水電站工程巖體中進行對穿、單孔聲波測試，確定了單孔聲波波速和對穿聲波波速之間的定量關(guān)系。許波濤等[7]對某核電站核島地基巖體采用了室內(nèi)巖塊聲波測試、現(xiàn)場孔內(nèi)聲波測試、地震波單孔檢層法及跨孔法測試，得到了不同測試方法下的巖體縱波及橫波速度，確定了巖體動力參數(shù)。West 等[8]開發(fā)出了適用于小直徑鉆孔的聲波測試儀器，并基于鉆孔里實測的聲波波速推導(dǎo)出了確定巖石強度的方法。Minaeian 等[9]從不同的壩址得到軟礫巖，測出巖樣的縱波波速、施密特錘回彈值、單軸抗壓強度，運用多元回歸的方法得到了聲波和其力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。

本文采用巖體聲波測試技術(shù)對五老峰隧道的工程巖體進行鉆孔，并開展一發(fā)雙收超聲波檢測，研究結(jié)果可為五老峰隧道的巖體穩(wěn)定性評價提供相關(guān)的依據(jù)。

1 工程概況

五老峰特長隧道位于建水縣至元陽段高速公路于茍街互通和與龍岔互通之間，隧道為雙線分離式隧道，左線(Z3K22+675至Z3K31+015)長8340 m；右線(K22+715 至K31+070)長8355 m。從初勘地質(zhì)資料來看，洞口段以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖為主，洞身段以砂巖、灰?guī)r和花崗巖為主，出口段以花崗巖為主；隧道出口鄉(xiāng)村道路較窄且急彎較多，施工條件相對較差。軸線高程為1435～2425 m，相對高差為990 m。隧道穿過的山體植被茂盛，隧洞軸線與地層走向呈斜交。

2 一發(fā)雙收鉆孔聲波檢測技術(shù)

2.1 基本原理

聲波測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)是彈性波在彈性介質(zhì)中的傳播。當(dāng)外部作用于無限彈性介質(zhì)時，會產(chǎn)生往不同方向傳播的彈性波，波動方程就是描述彈性波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。在現(xiàn)場工程中，將巖體視為各向同性的連續(xù)彈性介質(zhì)，且聲波在巖體中遵循彈性波傳播規(guī)律。巖體內(nèi)部縱波波速、橫波波速的傳播方程如下：

式中，vp為縱波波速；vs為橫波波速；ρ為巖體密度；λ、G為拉梅常數(shù)。

橫、縱波傳播速度也可表示為：

式中，E為巖體彈性模量；μ為巖體泊松比。

鉆孔聲波測試技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是波速測試，現(xiàn)場基于鉆孔的聲波測試技術(shù)主要有跨孔聲波測試法以及單孔聲波測試法。其中單孔聲波測試法中的一發(fā)雙收鉆孔聲波測試法可消除耦合劑水的影響。如圖1 所示，該測試設(shè)備由一個發(fā)射換能器、兩個接收換能器組成，發(fā)射換能器和接收換能器以及兩個接收換能器之間的距離均被固定。

圖1 一發(fā)雙收單孔聲波測試法

設(shè)vw、vk分別為聲波在耦合劑水及鉆孔圍巖體的傳播速度，可知vk大于vw，由費馬爾原理可知聲波在兩點之間的傳播路徑為用時最少的路徑，因此從發(fā)射換能器中發(fā)出的聲波信號ABCD以及ABEF的路徑先后被兩個接收換能器接收，如圖2 所示。

圖2 一發(fā)雙收換能器測試原理

聲波信號由發(fā)射換能器發(fā)出，經(jīng)ABCD的傳播路徑到達第一個接收換能器的時間t1為：

經(jīng)ABEF到達第二個接收換能器的時間t2為：

認為聲波在被測巖體和耦合劑水之間的折射角相等，故AB=CD=EF，則兩個接收換能器接收到聲波信號的聲差Δt為：

式中，L為兩個接收換能器之間的距離，聲差Δt可由聲波測試儀得出，從而可以根據(jù)式（5）計算出鉆孔圍巖體的縱波波速vk的大小。由此可以看出采用一發(fā)雙收換能器可以消除耦合劑水所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，得到被測巖體的真實縱波波速。故本次現(xiàn)場實驗采用一發(fā)雙收單孔聲波測試法。

2.2 現(xiàn)場試驗

本次測試孔采用的鉆頭分別為130 mm 的實心鉆頭及130 mm 的取芯鉆頭，測試孔鉆設(shè)完畢后，將測試孔注滿清水后進行聲波測試，本次現(xiàn)場鉆孔聲波測試試驗采用的測試儀器為ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀及HS-B3GP100 一發(fā)雙收換能器。

在現(xiàn)場進行檢測時，為了便于迅速找到首波及得到清晰、完整、穩(wěn)定的聲波波形，需要對ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀的采集參數(shù)進行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場實際情況本次測試所用的采集參數(shù)見表1。

表1 非金屬超聲波檢測儀采集參數(shù)指標(biāo)

所有參數(shù)設(shè)置完成后，將一發(fā)雙收換能器的發(fā)射接口與聲波測試儀的發(fā)射端口相接，換能器的接收口1 與接收口2 分別與聲波測試儀的通道1、通道2 相連，連接完成后，打開測試儀的電源，選擇一發(fā)雙收測井功能模塊，人工將一發(fā)雙收換能器緩慢放置于鉆孔的底端作為第一個聲波測點的位置，按下采樣鍵，此時聲波檢測儀會自動對接收的聲波信號進行調(diào)整，顯示屏的波形區(qū)上將會顯示出兩個通道的動態(tài)波形，遇到波形無法通過儀器自動調(diào)整的情況，則需人工通過相應(yīng)的按鍵進行手動調(diào)整，使得首波清晰完整地出現(xiàn)在顯示屏的波形區(qū)上。手動調(diào)整按鍵，使得聲時自動判讀線準(zhǔn)確位于首波的起點后，幅度自動判讀線準(zhǔn)確位于首波的波峰或波谷后，按下存儲鍵，輸入第一個測點位置。輸入完成后，儀器將自動保存第一個測點的測試數(shù)據(jù)，重復(fù)上述的操作進行下一測點的測試，直到所有測點測試完畢。之后需將一發(fā)雙收換能器人工勻速地下放至第一個測點的位置，重新采集并調(diào)整波形，按復(fù)測鍵，參照上述方法對所有測點進行復(fù)測，復(fù)測完成后再次按采樣鍵停止采樣，則完成了所有鉆孔孔的聲波測試。

2.3 現(xiàn)場波速數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)場測試時，人工很難保證每次測試時均能使一發(fā)雙收換能器向上勻速提升和整個測試過程中換能器始終位于鉆孔中心，加之在現(xiàn)場測試孔測試聲波時偶有隧道出渣車經(jīng)過，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜。而超聲波又屬于頻率高、能量小的彈性波，故測試的結(jié)果容易受到無法消除的人為及現(xiàn)場測試環(huán)境的影響而出現(xiàn)異值點。為了盡量減少試驗誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性，本次現(xiàn)場試驗分別在不同日期測試孔進行了3 次測試，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后，去除異常的波速值點，取每個測點波速的平均值作為各個測點的波速值。測試孔的波速檢測結(jié)果見表2。

表2 五老峰隧道鉆孔聲波波速測試結(jié)果

由表2 可知，該隧道巖層的縱波平均波速為4456 m/s，最小波速為3306 m/s，最大波速為5209 m/s。

3 室內(nèi)試驗

隧道測試孔主要巖石單元為花崗巖，本次僅對花崗巖進行取樣，采用ZBL-U520 非金屬超聲波檢測儀及縱波換能器對12 個花崗巖樣品進行縱波波速測試，并對其進行單軸抗壓強度測試。其測試結(jié)果見表3。

表3 花崗巖室內(nèi)試驗結(jié)果

由表3 可知，試驗巖樣的平均波速為5030 m/s，最小波速為4306 m/s，最大波速為6435 m/s。巖石平均單軸抗壓強度為161 MPa，屬硬質(zhì)巖石。

根據(jù)巖體完整性指數(shù)公式：

式中，vmp為巖體縱波波速；vrp為巖塊縱波波速。代入現(xiàn)場測得的巖體平均縱波波速vmp=4456 m/s 和室內(nèi)試驗測得的巖塊平均縱波波速vrp=5030 m/s，計算得到KV=0.78＞0.75。參照GB/T 50518—2014，可知其巖體完整性等級為完整，該隧道巖體基本質(zhì)量等級為I 級。

4 結(jié)語

本文介紹了一發(fā)雙收鉆孔聲波測試的基本原理和方法，并以五老峰隧道為研究背景，在隧道測試孔里進行了一發(fā)雙收鉆孔聲波測試，其研究結(jié)果可為該隧道巖體的穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。聲波探測技術(shù)雖在工程建設(shè)中得到很大發(fā)展，但由于其傳播機制較復(fù)雜及其實測值離散性較大，其成果的分析、解釋有時不夠理想，給廣泛應(yīng)用帶來一定的困難，還有待進一步實踐和探討。