一发双收岩体超声波检测技术现场应用

申进，钱伟安

（1重庆市涪陵区教育基建后勤中心，重庆 408000；2重庆伟东工程勘察设计技术服务有限公司，重庆 404300）

0 引言

我国岩体声波检测技术应用研究是从上世纪六十年代中期开始的，它的起步借鉴了金属超声波检测和水生探测技术，岩体声波测试技术是以声波在岩体中的传播特性与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩体中的传播特性参数，为评价工程岩体力学性质提供依据。该技术在岩石工程中应用广泛，主要有工程岩体质量分级、围岩松动圈测定、大坝基础灌浆效果检测、岩体动静弹模对比、建基面基岩质量评价和验收、爆破开挖影响范围检测、测定风化系数、完整性系数和各项异性系数、断层和岩溶等地质缺陷探查等。

国内外学者对声波测试技术进行了大量的研究与应用。朱焕春等[1]对某高边坡岩体进行声波测试发现，因控制性因素差异，边坡岩体松弛深度不同，可分为表层松弛、浅层松弛和深层松弛。马荣田等[2]对某大型矿山地下巷道围岩进行了声波测试，得到了围岩岩体声波的数字特征值。沈昌贤等[3]对金堆城露天矿边坡岩体进行声波测试，揭示了边坡岩体的松弛范围及其分布规律，为凹陷露天矿边坡形状优化提供了依据。孙清祥等[4]通过对会泽铅锌矿一号矿体不同水平不同区域的工程岩体进行声波速度测试，得出了不同部位工程地质岩组的岩体声波速度及传播特征。张新鹏[5]建立了开裂岩体厚度与劣化程度的数学模型，为保护花山岩提供了可靠的理论依据。张泽林等[6]对某地岩体进行声波测试，分析其裂隙系数、完整系数和风化系数，并划分风化带，认为现在开挖形成的建基面是能够满足双曲薄拱坝的建坝需求的。李建林等[7]对现场开挖边坡卸倚岩体不同距离的声波进行测试，划分了边坡开挖后岩体不同的卸荷区域，确定了各卸荷区岩体宏观力学参数。闫长斌等[8]针对傅立叶分析的缺陷，运用小波（包）变换方法，对声波测试信号的频谱特征进行分解分析。胡可等[9]基于声波岩体损伤定义，利用锤击叠加作震源对台阶爆破钻凿的炮孔进行了声波测试试验，研究了爆区附近岩体的损伤。王新杰等[10]通过钻孔声波测井和室内岩性测试，计算了库址岩体声波速度和岩体动力学参数、评价了岩体稳定性、分析了库址全区纵波速度场分布特征，对库址岩体安全性进行了分析，为石油储备库的建设提供依据。韩震等[11]探讨了岩体超声波测试探头耦合方法的改进，提出了一种三胶囊超声波探头耦合方法。

以上学者对岩体声波检测技术进行了大量研究及应用，本文采用岩体声波测试技术对某工程岩体ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48个勘察钻孔进行一发双收超声波检测，研究结果可为某工程场地地层岩体稳定性提供依据。

1 工程概况

根据钻探资料，在钻探深度范围内，拟建某工程场地地层。该工程毗邻城市交通干道，周边配套设施较为完善，规划区西侧为现状解放中路，南面为现状红旗中路，北临现状步行街，距离广场及县政府直线距离不超过1km，区位优势明显，拟建场地交通条件良好。根据岩体的风化程度、力学性质，将岩体划分为中风化泥质白云岩岩体基本质量单元。泥质白云岩呈灰色、灰黑色，薄～中厚层，节理裂隙发育，节理面泥质充填，局部方解石脉充填，脉宽1～5mm。岩芯呈块状、短柱状、长柱状，取芯率多在25%～55%以上，RQD值多在15%～45%。由于受区域构造的影响，场地内岩石张性节理发育，岩石破碎；且场地原始地形为岩溶地貌，石芽、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等岩溶现象较发育，基岩面起伏较大。

2 岩体声波测试技术

2.1 基本原理

岩体声波测试技术研究横波和纵波在岩体内部的传播速度及规律，从而推断岩体相关的物理力学状态，为评价工程岩体质量提供依据。在实际工程中，将岩体视为各项同性的连续介质，声波是一种弹性波，将岩体视为弹性体，且声波在岩体中服从弹性波传播规律。岩体内部纵波波速和横波波速可表示如下：

式中：E为岩体弹性模量；μ为岩体泊松比；ρ为岩体密度。

2.2 测试装置

测试装置：记录处理系统、井下换能器和地面控制仪。

地面控制仪器为RSM-SY5智能声波仪，主要指标为：（1）前置程控放大器；（2）发射电压：300/800V可选；（3）发射脉宽：0.1、0.2 ……10、20……（μs）；（4）可程控带宽：1～500kHz；（5）采样间隔：0.1～6553μs；（6） 每道采用长度：0.5K、1K、2K、4K、8K、16K可选；（7）串口通讯口；（8）～220伏AC或+12伏DC交直流电源电压。

数据处理系统为便携式笔记本电脑，该系统能采集、储存和分析数据。

为了接受到岩体中的滑行波，必须消除声波发生探头与接受探头之间在水中的直达波，主要措施为：利用岩体波速大于水的波速原理，选择发生与接受探头之间的合适距离；两探头间安装滤波器；延长直达波的到达时间；该试验过程中使用FSS-20型声波检测换能器，频率为20kHz，直径为50mm，发射至接收一距离为30cm，接收一至接收二距离为20cm。测试系统的构成示意图如图1所示，图中F为发射换能器，S1为第一个接收换能器，S2为第二个接收换能器。

2.3 测试方法

图1 声波测井系统示意图

单孔声波测试采用一发双收井下换能器，在钻孔内沿井壁发射、接收声波信息。测井时换能器下至井底或置于井口，按测井点距向上或向下测试，计算机进行声波数据的采集与储存，在实验室内进行数据处理提取纵波，根据采集到的波形计算纵波波速。声波测井首先按照测定声波在钻孔岩壁上传播的时间，结合式（5）计算岩体声波波速，并对岩体声波进行整理分析，得出岩体动力学参数。该系统主要由井下换能器、地面控制仪器和数据处理系统等组成，如图1所示。探头的工作原理如图2所示。

图2 探头工作原理

现场试验过程中采用一发双收装置的测井换能器，发射换能器F发射的声波，通过直线FS1S2和折线FABS1、FACS2到达接收换能器S1和S2，而岩体声波仪检测到的是沿岩壁滑行的折射波首波。因此，BC段的岩体波速即可按式（5）计算：

式中：△L为两接收换能器间的距离；tFS、tFS为两接收换能12器接收到的滑行波时间。

因为水是一种不可压缩不可剪切的介质，采用该声波测试系统无法检测岩体的横波波速，但可采用钻孔岩芯试样测试横波波速。现场实测过程中，通常将一发双收换能器置于孔底，由下往上进行测试，但遇到声波波速异常处，需进行多次测试。

表1 钻孔声波测试分段结果

3 结果分析

3.1 现场测试结果分析

本次测试采用一发双收的测试方法，考虑到接收一到接收二的间距为20cm，而测试是通过两个接收探头的距离与接收的时间差来得到岩体的波速，为了得到整个钻孔的岩体波速，本次测试采用的测距为20cm，采用清水耦合，实现声波在岩体小范围内传播时间的测量。由于塌孔、沉淀物堵塞等原因，探头不能完全放至孔底，故孔底部分岩体不能进行测试。

依据现场采集到的波形曲线，按照如下步骤进行分析：

1）根据双收探头接收到发射探头发射的信号，分别确定两个接收探头接收波形的初至时间，由式（5）确定两个接收探头之间岩体周围的波速，将此波速作为两接收探头中心点的岩体波速。双收探头接收到的典型曲线如图3所示。

2）将每点测试到的波形分别进行初至时间的确定，从而确定整个钻孔岩体的波速，将所有的波速绘制成岩体波速随深度变化的曲线，如图4所示。

3）根据钻孔声波测试所绘制的岩体波速曲线，对岩体波速进行分段处理。岩体的质量好坏、风化程度、软弱结构面的位置会有所不同，具体表现在波速上就是波速的大小变化。因此，为了对岩体进行总体评价，必须根据波速的变化曲线，将曲线划分为若干段，尤其应该指出波速偏低的区域。

钻孔声波测试分段结果如表1所示。

由表1可知，通过对48个钻孔进行声波测试，可知地层岩体的纵波平均波速为2747 m/s，最小波速为2222 m/s，最大波速为3226 m/s，标准差为130 m/s，变异系数为0.047。

3.2 室内试件波速测试

采用RSM-SY5型智能声波仪外加纵波换能器对12个饱水状态下的泥质白云岩试样进行纵波测试，场区主要岩石单元为泥质白云岩，本次仅对泥质白云岩取样，如表2所示。

由表2可知，岩石饱和状态单轴抗压强度最小值为29.2 MPa，最大值为31.7 MPa，平均值为30.25 MPa，属较硬岩。岩块最大波速为4828 m/s，最小波速为4105 m/s，平均波速为4364 m/s。

图3 典型波形图

图4 波速-深度图

表2 泥质白云岩抗压强度及波速

3.3 岩体完整程度评价

由表1和表2测试结果可知，地层岩体的纵波波速平均波速为2747 m/s，最小波速为2222 m/s，最大波速为3226 m/s，标准差为130m/s，变异系数为0.047。岩石饱和单轴抗压强度为30.25 MPa，属较硬岩。岩块最大波速为4828 m/s，最小波速为4105 m/s，平均波速为4364 m/s。

岩体完整性指数公式：

式中：Vmp为岩体纵波波速；Vrp为岩块纵波波速。

由式（6）计算得，Kw=0.32，其岩体完整性等级为破碎，该场地岩体基本质量等级为Ⅳ级。

4 结语

岩体声波测试技术是以声波在岩体中的传播特性与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩体中的传播特性参数，为评价工程岩体力学性质提供依据。本文介绍了岩体声波测试基本原理和方法，采用声波测试技术对某工程岩体ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48个勘察钻孔进行了一发双收超声波检测，其研究结果可为该工程场地地层岩体稳定性提供依据。