地震法在單位彈性抗力系數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用

朱冠宇，劉 凱，韓 飛，楊嘉明，宋偉健

（1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春130000；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130062）

1 概況

在水工隧洞的檢測(cè)項(xiàng)目中，圍巖抗力系數(shù)是表征圍巖抵抗襯砌向圍巖方向變形能力的指標(biāo)，即為使洞壁圍巖產(chǎn)生一個(gè)單位徑向變形所需要的內(nèi)水壓力?？沽ο禂?shù)越大說明圍巖受內(nèi)水壓力的能力愈大。但是抗力系數(shù)并非一個(gè)常數(shù)，它隨洞室的洞徑尺寸變化，即洞徑越大抗力系數(shù)越小，從而會(huì)出現(xiàn)同一巖體不同洞徑所測(cè)得的抗力系數(shù)值不同，因此在工程上為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常使用單位抗力系數(shù)K來表示圍巖抗力的大小，也即洞徑為1 m時(shí)的抗力系數(shù)值。

在實(shí)際的檢測(cè)過程中，彈性抗力系數(shù)的確定方式是需要進(jìn)行原位測(cè)試。傳統(tǒng)的方法有：隧洞水壓法、徑向千斤頂法、徑向液壓枕法等，可以直觀有效地測(cè)試出彈性抗力系數(shù)，但是由于過程復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)較困難，檢測(cè)成本較高，所以測(cè)試并未采取上述方式進(jìn)行抗力系數(shù)的檢測(cè)。

2 彈性抗力系數(shù)測(cè)試原理

測(cè)試計(jì)算采用單位彈性抗力系數(shù)公式（1）。

式中：K0——單位彈性抗力系數(shù)，MPa/cm；Ed——?jiǎng)訌椖Ａ?，MPa；μ——泊松比；α——折減系數(shù)（工程示例取值為1/2）。

由公式（1）可知，式中Ed及μ，為可求變量，即：

式中：Vp——巖體縱波波速，m/s；Vs——巖體橫波波速，m/s；ρ——巖體密度，g/cm3。

由以上公式可知，實(shí)際上，只需要測(cè)試巖體的橫波波速和縱波波速及相應(yīng)巖體的密度，即可將相應(yīng)洞段巖體的彈性抗力系數(shù)值計(jì)算出來。在隧洞的檢測(cè)中對(duì)于縱波的取法較為簡(jiǎn)單容易，但是對(duì)于提取橫波波速就相對(duì)困難些，特別是圍巖類別較低時(shí)，往往達(dá)不到理想的效果。所以測(cè)試為了能夠使測(cè)試效果相對(duì)滿意，經(jīng)過仔細(xì)考慮決定使用地震法提取橫縱波。

3 地震測(cè)試原理

地震法是通過人工激發(fā)的彈性波在巖土層中傳播的特點(diǎn)，來判定地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、波速等，從而解決某一地質(zhì)問題及參數(shù)特性的物探方法。根據(jù)彈性波的傳播方式可將地震法分為直達(dá)波法、反射波法、折射波法及瑞雷波法。試驗(yàn)主要采用直達(dá)波法，即透射波法來進(jìn)行檢測(cè)。

直達(dá)波是一種從震源出發(fā)不經(jīng)過界面的發(fā)射、折射而直接傳播的接收點(diǎn)的地震波，利用直達(dá)波的時(shí)距曲線（波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間t和到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)所經(jīng)過的距離s的關(guān)系曲線）求得直達(dá)波波速v，從而計(jì)算巖土層的動(dòng)力參數(shù)。

直達(dá)波從震源傳向接收點(diǎn)，因此時(shí)距曲線為直線，表達(dá)式：

式中：t——直達(dá)波從震源到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間，s；s——直達(dá)波從震源到達(dá)接收點(diǎn)的距離，m；v——直達(dá)波從震源到達(dá)接收點(diǎn)的速度，m/s。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

遼寧某引水工程某標(biāo)段工程主體包括鋼管、連接豎井、隧洞。起點(diǎn)有2處，隧洞引水采用φ5.4 m有壓隧洞，變徑至φ5.62 m隧洞穿越河道，再變徑至φ4.0 m接入連接井，線路長1 047 m。連接豎井布置在主洞樁號(hào)JH1+047.19處。標(biāo)段隧洞工程主洞長12 120 m，樁號(hào)JH0+000.00～JH12+120.00。主洞段共布置4條施工支洞，即J1，J2，J3，J4號(hào)支洞，其中J3號(hào)支洞為永久支洞。

隧洞大部分為構(gòu)造剝蝕地形—緩隆起剝蝕低山—渾圓狀低山。地面高程一般在150～335 m，地表植被較發(fā)育～不發(fā)育，基巖埋深較淺，山頂部一般直接裸露，其余多為表層殘積物掩蓋。洞室最大埋深約245 m，地面高程一般117～133 m。隧洞穿越谷地地貌單元多屬侵蝕堆積地形—山間坡洪積谷地—爪狀谷地。

該線路穿越的地層巖性，主要有中生界地層和新生界地層。其中中生界地層有侏羅系中統(tǒng)髫髻山組（J2t）、上統(tǒng)張家口組（J3z）、白堊系下統(tǒng)義縣組（K1y）；新生界地層有第四系全新統(tǒng)（Qhpal+dl）。圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ類為主。

4.2 檢測(cè)方法技術(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)勘查，經(jīng)過研究采用地震法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器采用SE2404地震儀，配合6組檢波器；利用高頻水平檢波器（縱波測(cè)量）或中頻垂直縱波檢波器（橫波測(cè)量）進(jìn)行接收，使其靈敏方向與有效波的主震方向一致，用石膏將檢波器沿洞線軸向方向依次固定在一側(cè)洞壁的一條直線上，每2個(gè)檢波器為1組（1個(gè)高頻檢波器，1個(gè)中頻檢波器）每組檢波器間距為2 m，如圖1所示。

圖1 工作連接示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況設(shè)置地震儀采樣點(diǎn)為1 024點(diǎn)，采樣間隔為0.025 ms，使用兩端激發(fā)，激發(fā)震源為錘擊，最小源檢距為5 m。測(cè)定縱波波速時(shí)，將采集總線連接6個(gè)高頻水平檢波器，沿隧洞軸線方向與，6組檢波器在同一直線的洞壁上敲擊墻體。當(dāng)在地震儀顯示器中采集的6道數(shù)據(jù)顯示的波形清晰、初至明顯時(shí)，保存波形。將采集總線與,6個(gè)高頻檢波器分離，與其余6個(gè)垂直于高頻檢波器的中頻檢波器連接。在6組檢波器的同一條直線的洞壁上，沿與隧洞軸線垂直方向敲擊墻體。同樣在正確確認(rèn)其為波形清晰，初至明顯的橫波時(shí)保存波形。由于采用兩端激發(fā)，所以在6組檢波器的所在測(cè)線的另一端，重復(fù)以上步驟。

4.3 檢測(cè)結(jié)果及處理分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)部位分別布置于1，2，3，4號(hào)洞4個(gè)洞段的主洞部分

分別為1號(hào)洞下游J0+900，2號(hào)洞下游J3+300所在部位為Ⅲ類圍巖；3號(hào)洞上游J5+320，4號(hào)洞上游J8+957，J9+311，4號(hào)洞下游J10+840，J11+560所在部位為Ⅳ類圍巖；4號(hào)洞上游J8+570，J9+274所在部位為Ⅴ類圍巖。

首先，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一致性測(cè)試，對(duì)檢波器的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

其次，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過檢測(cè)無誤后保存，導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行后期處理，即縱橫波初至的判定及計(jì)算?，F(xiàn)以1號(hào)洞下游J0+900檢測(cè)位置測(cè)試數(shù)據(jù)為例，如圖2所示。

由以上過程可以得出，各個(gè)樁號(hào)測(cè)試部位的縱波及橫波波速值，將圖中所示波速值帶入式（1）（2）（3），即可求得各檢測(cè)部位相應(yīng)的單位彈性抗力系數(shù)值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各洞段圍巖單位抗力系數(shù)測(cè)試成果表

表1得出的各圍巖單位彈性抗力系數(shù)K0，滿足各類圍巖主要物理學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值范圍。

5 結(jié)語

地震波法在水工隧洞檢測(cè)隧洞圍巖彈性抗力系數(shù)的應(yīng)用中效果較好，檢測(cè)較快捷，效率高，為隧洞后期的襯砌提供了較為客觀的依據(jù)。