综合物探在水工隧洞软岩变形区探测中的应用

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）

水工隧洞是引调水工程的重要组成部分， 承担着不间断调水功能。 我国各类水工隧洞发展历程表明，随着工程区地质条件日趋复杂，隧洞涌水、围岩变形、岩爆等不良地质问题越发突出［1］。其中隧洞围岩变形通常发生在软岩地层中，在隧洞开挖以后，软岩变形具有形变大、速率快、周期长等特点，并引起支护破坏、初衬侵限、二衬开裂等现象［2］，因此需及时处理。软岩变形一般需根据其发育规模、部位及衬砌破损情况等研究相适应的处理方案， 因此应采用一定手段对变形区进行综合探测。 物探由于其具有无损、高效、直观的特点［3］，在解决类似工程问题上具有较广泛的应用。

1 工程问题概况

某水工隧洞区位于北天山西段南麓低山丘陵区，地层岩性为第三系（N1+2）砂砾岩、泥岩，弱胶结，砂砾岩主要分布于隧洞上台阶， 泥岩主要分布于隧洞下台阶。输水隧洞桩号5+038.3～5+047.3 段完成衬砌施工后砂砾岩发生变形， 导致顶拱下沉及两侧边拱衬砌混凝土结构错动开裂（如图1）。为科学设计处理方案， 现需查明变形区具体的发育规模及衬砌破损情况。

图1 衬砌混凝土裂缝、错动开裂

2 工程区地球物理特征分析

松动、未松动砂砾岩及破损、未破损衬砌结构间均存在明显的波阻抗或介电常数差异， 具备使用地震波、电磁波、超声横波等物探方法的基本前提。

基于探查孔试验及编录成果校准探测参数，衬砌结构介电常数取值6.4、地震波平均波速3750 m/s、超声横波波速2450 m/s， 松动砂砾岩介电常数取值7.5、地震波平均波速2000 m/s。

3 探测方法

3.1 地震映像法

地震映像法是一种在待测介质表面连续等间距激发并接收地震反射波的方法。若介质内部均匀，则接收的反射波同相轴连续稳定， 无错断、 拱起等现象，若介质内存在缺陷，则反射波在缺陷界面上产生绕射，使得同相轴出现错断、拱起等现象［4］。现场工作测线沿洞轴向布置于洞顶及左、右拱顶，长度25.0 m，偏移距1.0 m，测量点距0.5 m。

3.2 探地雷达法

探地雷达是基于高频电磁反射波探测介质内部缺陷的物探技术。电磁波传播中，波形将随所通过介质介电常数差异而发生变化， 通过对雷达图像的处理，根据接收电磁波特征，可确定介质内部缺陷空间位置及结构特征［5］。现场工作测线沿洞轴向布置于左洞顶及左、右拱顶测线，测线长度20.0 m，天线主频400 MHz，150 扫描/s，采样长度125 ns。

3.3 超声横波成像法

超声横波成像法是一种以多道点接触传感器进行数据采集，以“合成孔径聚焦技术”进行数据反演的物探方法。当待探测介质内存在缺陷时，信号将会在缺陷表面形成强反射波， 通过分析反射波旅行路径和时间即可推断出缺陷位置及发育范围。 在衬砌错动开裂区域布置3 个测区，测点间距0.1 m。

4 解译分析

4.1 地震映像法

松动、 未松动砂砾岩间存在明显地震波波阻抗差异，未松动砂砾岩地震反射波相位横向连续性好，松动砂砾岩地震反射波信号相位横向连续性差。

图2 为洞顶测线地震映像法探测成果。 由图2可知， 桩号K5+022.0～K5+028.0 洞段地震反射波信号相位横向连续性差， 表明衬砌上方砂砾岩完整性差； 桩号K5+028.0～K5+038.5 洞段地震反射波信号相位横向较为连续，局部连续性差，存在明显连续强反射波同相轴， 为固结灌浆砂砾岩与原状砂砾岩分界面的反映； 桩号K5+038.5～K5+046.5 洞段地震波反射信号相位横向连续性差， 表明衬砌上方砂砾岩完整性差，存在明显连续反射波同相轴（如图中实线所示），为松动、未松动砂砾岩分界面的反映。变形区地震波平均波速为3750 m/s， 相对松动砂砾岩地震波平均波速为2000 m/s， 计算砂砾岩变形区底界面埋深约0.9 m、顶界面埋深范围0.9～8.3 m，最深处位于桩号K5+044.0 附近。

图2 洞顶测线地震映像法波形

4.2 探地雷达法

未松动砂砾岩电磁波反射信号同相轴较连续，松动砂砾岩电磁波反射信号同相轴横向连续性差且频率低，松动、未松动砂砾岩分界面位置电磁波反射信号同相轴表现为错断或弯曲， 变形区域内电磁波反射信号同相轴呈沉降趋势。

洞顶测线探地雷达法成果如图3。由图3 可知，桩号K5+022.0～K5+028.0 洞段电磁反射波信号同相轴横向连续性差，表明衬砌上方砂砾岩完整性差；桩号K5+028.0～K5+038.5 洞段电磁反射波信号同相轴横向较为连续，局部连续性差，为固结灌浆砂砾岩的反映； 桩号K5+038.5～K5+046.5 洞段存在电磁波反射信号同相轴错断弯曲特征（如图3 中虚线所示），为变形砂砾岩与原状砂砾岩分界面的反映， 变形区内同相轴横向连续性差且频率低，呈沉降趋势，表明衬砌上方砂砾岩完整性差。 变形区衬砌结构介电常数为0.64，松动砂砾岩介电常数取值为7.5，计算变形区砂砾岩底界面埋深约0.9 m、桩号K5+042.0 位置顶界面埋深4.0 m，最深处位于桩号K5+042.0 附近。

图3 洞顶测线探地雷达法成果

4.3 超声三维成像法

超声横波反射信号越强表征衬砌结构内部完整性越差，强破坏区衬砌结构超声横波呈“强反射”特征，完整衬砌结构呈“弱或无反射”特征，弱破坏区衬砌结构信号强度介于上述二者之间。

图4 为超声横波成像法 （桩号K5+046.0～K5+045.0）成果（X 为洞轴线方向，Y 为竖向，Z 为径向），由蓝至红表示信号强度逐渐增大，Y 方向1.0 m 位置为上、下台阶拼接缝，由图4 可知：①右壁衬砌洞轴向桩号K5+045.4～K5+046.0、径向深度0～0.3 m 为强破坏区，上游至下游方向、上台阶至下台阶方向衬砌破坏径向深度逐渐增大； ②右壁衬砌洞轴向桩号K5+045.0～K5+045.4、径向深度0～0.5 m 为弱破坏区，上游至下游方向、 上台阶至拼接缝方向衬砌破坏径向深度逐渐增大且拼接缝至下台阶方向逐渐减小。

图4 超声横波成像法成果

5 综合成果及验证

综合成果： ①左壁松动砂砾岩洞轴线方向发育范围K5+038.5～K5+047.0、顶界面埋深0.9 m、底界面埋深0.9～4.2 m、 最深处位于桩号K5+045.0～K5+046.0； ②洞顶松动砂砾岩洞轴线方向发育范围K5+038.5～K5+047.0、 顶界面埋深0.9 m、 底界面埋深0.9～8.3 m，最深处位于桩号K5+044.0；③右壁松动砂砾岩洞轴线方向发育范围K5+038.5～K5+042.0、顶界面埋深0.9 m、底界面埋深1.0～4.1 m，最深处位于桩号K5+042.0； ④左壁强破坏区径向深度0～0.5 m，位于桩号K5+043.0 下游， 右壁强破坏区径向深度0～0.3 m，位于桩号K5+045.4 下游，上游至下游方向、上台阶至下台阶方向衬砌破坏径向深度逐渐增大；⑤左、右壁弱破坏区径向深度均为0～0.5 m，位于桩号K5+038.5～K5+043.0 内，上游至下游方向、上台阶至拼接缝方向衬砌破坏径向深度逐渐增大且拼接缝至下台阶方向逐渐减小。

验证：右壁桩号K5+042.0 位置布设钻孔（如图5a）， 揭露松动砂砾岩厚度为4.0 m， 右壁桩号K5+038.0 位置衬砌开槽（如图5b），揭露衬砌完整，钢筋未错断，说明桩号K5+038.0 位置至上游右壁衬砌结构未受影响，均与物探结果一致。

图5 验证示意图

6 结语

（1）围岩变形是软岩隧洞建设中危及隧洞施工及长期安全的重大工程灾害之一， 只有全面查明变形区发育规模，掌握其隐伏缺陷发育规律，才能为处理方案设计提供有效的数据服务和决策支持。

（2）综合物探是探测围岩变形有效手段，基于围岩变形所引发的物理场变化， 在正确合理分析变形区缺陷地球物理特征的基础上， 选择适宜的物探方法进行综合探测，可取得较为理想的效果。

（3）以某水工隧洞软岩变形探测为例，基于对变形区地球物理特征的合理分析，确定探地雷达法、地震映像法及超声横波成像法相结合的综合物探思路，通过研究松动砂砾岩与原状砂砾岩地震波、电磁波相位特征及波阻抗差异划定沉降变形范围， 通过研究衬砌结构超声横波反射强度分析衬砌破损情况，为后续处理提供科学依据。