综合物探在水工隧洞洞顶沉降破碎带探测中的应用

周振广，祖梦琦

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

在复杂条件下的水工隧洞施工过程中，常遇到穿越诸如断层破碎带、溶洞、软岩等不良地质条件，这些不良地质条件洞段围岩岩体一般较为破碎，在施工影响下，往往易发生沉降变形塌方的工程问题。水工隧洞围岩沉降变形或塌方可导致洞周形成岩体破碎带，最终影响水工隧洞结构稳定性［1］，因此需及时进行加固处理。实际工作中对于这些工程问题加固处理的方法虽很多，但均须根据沉降变形的发育规模而定［2］，因此，采用一定手段查明沉降变形破碎带发育范围，是有效处理这些问题的关键任务，物探由于其具有无损、高效、不受场地限制的特点［3］，在解决类似工程问题上具有较为广泛的应用。

1 工程概况

某输水隧洞直径6.5m，最大埋深2300m，当施工至桩号2+881～2+906 段时，因穿越断层破碎带，使得洞顶发生沉降变形，左侧至拱顶下沉约15～20 cm，掌子面左拱～拱顶形成0.5 m＜H＜0.6 m 塌腔，为防止塌方进一步扩大，施工单位对沉降变形区域进行临时支护。受围岩沉降影响，沉降区无法按设计衬砌厚度进行施工，需对沉降区洞顶岩体进行全面处理并重新扩挖至设计开挖洞径，为科学设计处理方案，现需查明洞顶沉降破碎带具体的深度和范围。

该施工洞段位于断层带内，揭露地层岩性为石炭系阿恰勒和组（C1ab-1）沉凝灰岩，围岩较软且破碎，断层破碎带以糜棱岩为主，碎块岩次之，围岩整体潮湿，有滴水和线状流。

2 地球物理特征分析

目前洞顶沉降区由浅至深基本包括衬砌结构层、固结灌浆层、原状围岩和沉降破碎围岩。衬砌结构层主要为钢筋混凝土，固结灌浆层主要为充填混凝土的糜棱岩岩体，沉降破碎带主要是相对松散的糜棱岩，原状围岩主要为相对致密的糜棱岩。各类介质间存在明显的弹性及介电常数差异，具备开展地球物理探测的物性条件。

根据试验结果可知，测区内雷达测试介电常数取值为8，衬砌结构层地震波平均波速3750 m/s，临时灌浆层糜棱岩岩体地震波平均波速2500 m/s，多序灌浆层糜棱岩岩体地震波平均波速3500 m/s，沉降破碎带糜棱岩岩体地震波平均波速2000 m/s，原状糜棱岩岩体地震波平均波速3020 m/s。

3 探测方法

待探测区表层不具备接地条件且破碎岩体波速低于表层衬砌结构，综合考虑选择不受接地及高波速屏蔽影响的地震映像法和探地雷达法进行综合探测，通过综合物探技术提高解译可靠性及精度。

3.1 探地雷达法

探地雷达法是利用高频电磁波的反射来探测有介电常数差异的目标体的一种物探技术。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化，因此通过对雷达图像的处理和分析，可确定地下介质层或目标体的空间位置及结构特征［4］。

在洞顶及左、右拱顶延洞轴线方向布置3 条探地雷达法测线，长度均为15.0 m，工作参数：主频400 MHz，时间测量模式，采样长度125 ns。

3.2 地震映像法

地震映像法采用人工敲击产生的地震波向介质传播，当遇到介质存在波阻抗差异时，便产生反射波反射回地面。当介质分布均匀，无不良地质体存在时，则所得到的同相轴连续稳定，不会出现错断、拱起等现象，若介质内存在空洞、破碎等不良地质现象，地震波在其分界面上产生波绕射等现象，使得同相轴出现错断、拱起等现象。据此通过对图像的分析，达到解决地质问题的目的［5］。

在隧洞洞顶布置1 条地震映像法测线，长8.0 m。地震映像法工作参数：偏移距1.0 m，测量点距0.5 m，100 Hz 检波器接收。

4 解译分析

4.1 探地雷达法

存在物性差异的不同介质内电磁波传播具有不同特征。衬砌结构电磁波信号中分布有连续的双曲形三振相强反射信号；一序固结灌层糜棱岩岩体局部残留不密实区域，电磁波反射信号表现为整体较为均匀，局部存在强反射、三振相特征；多序固结灌浆层糜棱岩岩体内部基本不存在不密实区域，电磁波表现为弱振幅、相位连续特征；沉降破碎带糜棱岩岩体密实度差，电磁波在破碎岩体间以漫反射为主，电磁波反射信号总体表现为强振幅、相位错断特征，原状糜棱岩岩体完整性高于沉降破碎带糜棱岩岩体，因此从其电磁波反射信号强度及相位连续性分析，总体介于沉降破碎带岩体与固结灌浆岩体之间，表现为振幅稍强、相位连续性差特征。

洞顶WT2 测线探地雷达法探测成果如图1。首先根据电磁波同相轴延伸趋势可见桩号2+882.0～2+897.0 洞段洞顶围岩存在沉降变形趋势，带箭头的实线为围岩沉降变形示意线，中心沉降点位于桩号2+894.5 附近。其次根据电磁波在被探测介质中传播特征可将介质分为3 层，层间分界面如图中虚线所示，第1 层内存在连续双曲形三振相电磁波强反射信号，为衬砌结构层的反映；第2 层电磁波反射信号具有整体弱振幅、相位连续特点，表明介质内部较为均匀，为固结灌浆层的反映；第3 层蓝色实线以外区域相对于固结灌浆层电磁波反射信号振幅稍强、相位连续性差，为原状糜棱岩的反映，蓝色实线以内区域电磁波反射信号振幅强、相位错断，表明介质内部岩体破碎，为糜棱岩沉降破碎带的反映，顺洞轴线方向糜棱岩沉降破碎带位于隧洞桩号2+887.5～2+897.0范围内。依据介电常数8 计算电磁波时深转换系数为0.106 m/ns，以此计算中心沉降点沉降幅度约0.35 m，沉降破碎带径向发育深度2.65～6.20 m，最深处位于桩号2+894.5 附近。

图1 WT2 测线探地雷达法成果

4.2 地震映像法

固结灌浆层、沉降破碎带及原状围岩岩体间存在明显地震波波阻抗差异，对于同一波阻抗界面反射波同相轴呈连续形态这一特点可直观地反映糜棱岩沉降破碎带形态变化特征，同时由于破碎带内岩体松散，地震波在破碎带内呈漫反射传播，所接受到的地震反射波信号相位连续性差，多表现为同相轴错断、拱起或凹陷。

洞顶WT2 测线地震映像法探测成果如图2。图中存在2 个同相轴连续的波阻抗界面，实线所示为固结灌浆层与沉降破碎带分界面，虚线所示为沉降破碎带与原状围岩分界面，两个界面间地震波相位连续性差且局部相位错断，为糜棱岩沉降破碎带的反映。根据试验成果所述各层地震波平均波速，计算糜棱岩沉降破碎带径向发育深度范围1.95～5.90 m，最深处位于桩号2+894.5 附近。

图2 WT2 测线地震映像法彩色密度

4.3 综合分析

将WT2 测线桩号2+890.0～2+897.0 段探地雷达法、地震映像法划定定洞顶糜棱岩岩体破碎带顶、底界面深度进行对比研究，结果如表1。

表1 探地雷达、地震映像法划定糜棱岩岩体破碎带顶、底界面深度对比

成果对比：首先两者解释的最深沉降位置桩号均约在2+894.5 附近，其次两者解释的沉降破碎带深度深度基本一致，误差在0～0.95 m 之间，说明综合物探技术可以准确反映洞顶沉降破碎带的发育范围。

综合成果：①左拱顶、洞顶及右拱顶桩号2+889.5～2+897.0 围岩均存在沉降变形，沉降中心均位于桩号2+894.5 附近，沉降幅度约0.35 m。②左拱顶、洞顶及右拱顶沉降破碎带分别位于桩号2+890.5 ～2+897.0、2+887.5 ～2+897.0 及2+889.5 ～2+897.0 洞段，径向发育深度范围分别为2.65～5.20 m、2.65～6.20 m 及2.35～5.75 m，最深位置均位于桩号2+894.5 附近。

5 结语

（1）在复杂条件下的水工隧洞施工过程中，围岩沉降变形塌方属于常见工程问题。查明沉降区岩体破碎带分布范围，掌握其隐伏部分的情况，可为加固处理提供科学依据。

（2）综合物探是探查岩体沉降破碎带的有效手段，但需在正确分析沉降区域地球物理特征、研究破碎岩体与周围介质物性差异及异常地球物理信号表现特征的基础上，选择相适应的物探方法。本文以探地雷达法和地震映像法综合探测水工隧洞洞顶沉降破碎带发育规模，通过分析各类介质物性特征，划定岩体破碎带的深度和范围，取得良好的应用效果，可供类似工程参考和借鉴。