周振廣，祖夢琦

（中水北方勘測設(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。 我國各類水工隧洞發(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，在隧洞開挖以后，軟巖變形具有形變大、速率快、周期長等特點(diǎn)，并引起支護(hù)破壞、初襯侵限、二襯開裂等現(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)采用一定手段對變形區(qū)進(jìn)行綜合探測。 物探由于其具有無損、高效、直觀的特點(diǎn)［3］，在解決類似工程問題上具有較廣泛的應(yīng)用。

1 工程問題概況

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階， 泥巖主要分布于隧洞下臺階。輸水隧洞樁號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 探測方法

3.1 地震映像法

地震映像法是一種在待測介質(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)場工作測線沿洞軸向布置于洞頂及左、右拱頂，長度25.0 m，偏移距1.0 m，測量點(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，波形將隨所通過介質(zhì)介電常數(shù)差異而發(fā)生變化， 通過對雷達(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)場工作測線沿洞軸向布置于左洞頂及左、右拱頂測線，測線長度20.0 m，天線主頻400 MHz，150 掃描/s，采樣長度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)待探測介質(zhì)內(nèi)存在缺陷時(shí)，信號將會(huì)在缺陷表面形成強(qiáng)反射波， 通過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)開裂區(qū)域布置3 個(gè)測區(qū)，測點(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相位橫向連續(xù)性差。

圖2 為洞頂測線地震映像法探測成果。 由圖2可知， 樁號K5+022.0～K5+028.0 洞段地震反射波信號相位橫向連續(xù)性差， 表明襯砌上方砂礫巖完整性差； 樁號K5+028.0～K5+038.5 洞段地震反射波信號相位橫向較為連續(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K5+038.5～K5+046.5 洞段地震波反射信號相位橫向連續(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K5+044.0 附近。

圖2 洞頂測線地震映像法波形

4.2 探地雷達(dá)法

未松動(dòng)砂礫巖電磁波反射信號同相軸較連續(xù)，松動(dòng)砂礫巖電磁波反射信號同相軸橫向連續(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)電磁波反射信號同相軸呈沉降趨勢。

洞頂測線探地雷達(dá)法成果如圖3。由圖3 可知，樁號K5+022.0～K5+028.0 洞段電磁反射波信號同相軸橫向連續(xù)性差，表明襯砌上方砂礫巖完整性差；樁號K5+028.0～K5+038.5 洞段電磁反射波信號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K5+038.5～K5+046.5 洞段存在電磁波反射信號同相軸錯(cuò)斷彎曲特征（如圖3 中虛線所示），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，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K5+042.0 位置頂界面埋深4.0 m，最深處位于樁號K5+042.0 附近。

圖3 洞頂測線探地雷達(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“弱或無反射”特征，弱破壞區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)信號強(qiáng)度介于上述二者之間。

圖4 為超聲橫波成像法 （樁號K5+046.0～K5+045.0）成果（X 為洞軸線方向，Y 為豎向，Z 為徑向），由藍(lán)至紅表示信號強(qiáng)度逐漸增大，Y 方向1.0 m 位置為上、下臺階拼接縫，由圖4 可知：①右壁襯砌洞軸向樁號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、上臺階至下臺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K5+045.0～K5+046.0； ②洞頂松動(dòng)砂礫巖洞軸線方向發(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K5+044.0；③右壁松動(dòng)砂礫巖洞軸線方向發(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K5+042.0； ④左壁強(qiáng)破壞區(qū)徑向深度0～0.5 m，位于樁號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K5+045.4 下游，上游至下游方向、上臺階至下臺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K5+038.5～K5+043.0 內(nèi)，上游至下游方向、上臺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階方向逐漸減小。

驗(yàn)證：右壁樁號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K5+038.0 位置襯砌開槽（如圖5b），揭露襯砌完整，鋼筋未錯(cuò)斷，說明樁號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

（1）圍巖變形是軟巖隧洞建設(shè)中危及隧洞施工及長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）綜合物探是探測圍巖變形有效手段，基于圍巖變形所引發(fā)的物理場變化， 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，可取得較為理想的效果。

（3）以某水工隧洞軟巖變形探測為例，基于對變形區(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)。