浅谈地震CT技术在隧道病害诊断中的应用

2011-12-20李德孝

城市建设理论研究 2011年23期

李德孝

摘要：地震CT是一种新的工程物探方法，已广泛地应用于地质与工程勘查、质量检测和工程病害诊断中。本文介绍了地震CT技术在某隧道的地质病害整治中应用，取得了良好的效果。

关键词：地震CT,隧道病害诊断,地质病害

一、地震CT技术原理[1-6]

地震CT是利用地震波射线对地质体进行透视，通过地震波走时和能量衰减的观测对地质体成像。地震波穿透岩土介质时，其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度有关，密度大、强度高的岩石模量大、波速高、走时短，反之亦然。完整坚硬的岩体波速高，破碎岩体和松散的土体波速低。波速可作为岩土介质力学强度和缺陷评价的定量指标。孔隙度小的密实岩体地震波的能量衰减小，破碎的岩体和松散的土体能量衰减大。因而地震CT图像能可靠地反映各类岩土体的分布界线及破碎岩体的破碎程度和分布。地震CT具有分辨率高、可靠性好、图像直观的特点，已被越来越广泛地应用于地质与工程勘查、质量检测和工程病害诊断中。

二、工程实例

1.工程概况

某隧道位于六盘水市红果县，隧道穿越东西走向的垭口山脉，进口位于芹菜垭口山脉的北北东，出口位于芹菜垭口山脉的南南西。垭口山体为一东西走向的中低山脉，连接两条近于平行的南北大山脉，隧道和路线沿两条南北大山脉之间的走廊带布线，隧道走向约2100。隧道设计进出口里程为K39+800～K40+735，全长935m。隧道为单洞双车道二级公路隧道。

2.隧道病害情况

由于隧道出口处于潜在滑坡体上，地质条件差，隧道成形困难。2009年5月4日在隧道出口段掌子面K40+691处左下角处发现一处裂缝，裂缝的宽度约5mm，长度1.5m左右，5月9号该裂缝宽度发展至20mm左右、长度约1.5m并延伸至左边墙长度3m左右。

在该裂缝对应隧道上方地表，已经形成对应的地表裂缝带。从地表的裂缝构成来看，已经形成环形闭合裂缝，基本构成的潜在滑动体。

掌子面裂缝区域岩土性状为泥岩，潮湿，软质岩，抗压强度小于15MPa，极破碎，走向150°，N60°E，倾角76°～85°。岩层的倾向与坡向一致，倾角大于坡角（坡角为30°～50°），坡体上覆松散覆盖层，坡体稳定性极差，因雨水、偏压、岩层的倾向与坡向一致、倾角大于坡角以及洞内施工对岩体的扰动等因素导致堆积体牵引下滑，该类地质条件破裂滑动其规模较大，隧洞出口段全部位于该不稳定边坡影响范围内，如果这种滑动发生，将会使芹菜垭隧道出口段发生整体下切破坏，给施工带来极大的安全隐患。

为制定合理有效的治理方案，需要清楚地了解隧道破坏与山体开裂的原因及其相互关系，以及隧道所处的工程地质环境。因此采用地震CT方法对该隧道出口K40+646～K40+740段的地质病害进行详细勘测。

3.地震CT观测系统的布置

本次采用两个排列进行观测。第一排列在隧道內布置检波器接收，在地表激发，检波器与激发点在一个平面内，检波器间距与激发点间距都为2m；第二排列布置在山坡上，目的是改善射线的正交性，检波器布置在山坡上部，激发点布置在山坡下部，检波器与激发点的位置与第一排列的激发点位相同。观测系统如图1和图2所示。

第二排列24道，检波距2m，位置位于第一排列第25~48道地表位置，第1道里程为K40+692，第24道里程为K40+646，炮点位于第一排列第1道~第24道地表，第1炮里程为K40+740，第24炮里程为K40+690。激发点炸药埋深0.7～1.0m，使用防水乳化炸药，每炮药量100g。地震CT剖面（二个排列）有效观测长度96m，实际测量点共48个，其中检波点72个，炮点72个，实际激发72炮，观测地震波射线2880条。

4.地震CT探测结果及地质解释

4.1地震CT探测结果

根据地震直达波走时，计算出各接收点的地震波速，应用国内最成熟的CT反演软件，进行计算叠代反演速度模型；根据反演得到的速度模型，以100m/s速度间隔进行色分，绘制波速影像图，如图3所示。

地震CT的探测结果主要是岩土介质的波速分布图，它表征介质力学强度的分布特征。为保证结果和解释的可靠性，CT结果中包含射线密度和射线正交性图像，如图4和图5。由地震射线密度和射线正交性图像可知，观测系统是非常完备的，研究区内绝大部分区域的正交性都在0.9以上，射线密度超过40条。

4.2 地质解释

由地震CT波速图像的特征表明，山体表面有一波速低于600m/s低速层，是松散堆积体，坡上厚度6m左右，向下变薄，强度很低，稳定性很差，雨季饱水后易产生滑塌；松散层下覆为强风化岩，波速1200～1400m/s，强度较低，厚20～30m，强风化岩中间夹有一低速透镜体，波速在800～1000m/s，为是全风化岩，强度略高于松散土，但低于强风化岩，也可能是由于隧道开挖支护不及时引起的松动区，极不稳定，应该进行注浆处治，以确保隧道边坡稳定。

在隧道里程K40+720～K40+670的50m范围内，存在1m宽的低速带，说明隧道衬砌与围岩之间有脱空现象。

同时从地震CT波速图像分析，隧道K40+691位置处裂缝没有贯穿到地表，与地表开裂裂缝没有形成连通裂缝。隧道边坡地表裂缝在CT图像中应该表现为明显的低速带异常，但在图像中实际出现的低速异常仅在浅部6m的范围内，这说明裂缝仅在浅部发育，进入强风化岩层后就转变为变形带。该裂缝的形成是由于下伏岩体变形沉陷引起，属重力陷落性质。裂缝总体深度大约10m左右，与隧道衬砌破坏有成因上的联系，但在几何结构上并未相通。

5.探测结果判定

综合地质调查和地震CT探测结果，得出如下结论：

5.1隧道衬砌破坏与地表开裂是由于局部岩体失稳造成的。由于隧道开挖引起了围岩扰动，拱顶岩体中形成较大的松动带，造成压应力分布不均和应力集中，过大的压力导致衬砌破坏。同时围岩扰动变形，在地表积累位移，引起山坡表层开裂。

5.2地表开裂与隧道衬砌破坏两者仅存在成因上的联系，几何结构上是不连通的。边坡地表出现的裂缝以张裂为主，伴有一定量的下沉，仅发育在浅表，进入松散层后很快收敛，尖灭于强风化岩中，转化为变形带。

5.3在所探测区域内山体表面为松散堆积层，坡上厚度6m左右，向下变薄，强度很低，稳定性很差，雨季饱水后易产生滑塌。

5.4松散层下覆为强风化岩，强度较低，厚20～30m，强风化岩中间夹有一低速透镜体，为全风化岩，强度略高于松散土，但低于强风化岩，也可能是由于隧道开挖支护不及时引起的松动区，极不稳定。

5.5在隧道里程K40+720～K40+670的50m内，存在1m宽的低速带，这是隧道衬砌与围岩之间有脱空现象。

从总体上分析，坡体和隧道整体上基本处于稳定，在非极端情况下，不存在滑坡的问题。但对上述探测结果指出的不稳定区域及脱空位置，应及时进行注浆处理，确保隧道结构和坡体的长期稳定安全。

三、结语

此次勘探应用地震CT进行了直达波速成像，基本查清隧道破坏与山体开裂的原因、形态及相互关系，查明了隧道所处围岩的工程地质结构，并在此基础上提出了隧道病害治理的建议，为制定合理的整治方案与隧道变更设计与施工提供了科学依据，达到了预期目的。

参考文献

[1] 赵永贵,王超凡,等. 地震CT 及其采空区探测中的应用[J ] . 地球物理学,1998 ,41 (增刊) :367～375.