地震法在单位弹性抗力系数测试中的应用

朱冠宇，刘 凯，韩 飞，杨嘉明，宋伟健

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130000；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130062）

1 概况

在水工隧洞的检测项目中，围岩抗力系数是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，即为使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。抗力系数越大说明围岩受内水压力的能力愈大。但是抗力系数并非一个常数，它随洞室的洞径尺寸变化，即洞径越大抗力系数越小，从而会出现同一岩体不同洞径所测得的抗力系数值不同，因此在工程上为了统一标准经常使用单位抗力系数K来表示围岩抗力的大小，也即洞径为1 m时的抗力系数值。

在实际的检测过程中，弹性抗力系数的确定方式是需要进行原位测试。传统的方法有：隧洞水压法、径向千斤顶法、径向液压枕法等，可以直观有效地测试出弹性抗力系数，但是由于过程复杂，现场实现较困难，检测成本较高，所以测试并未采取上述方式进行抗力系数的检测。

2 弹性抗力系数测试原理

测试计算采用单位弹性抗力系数公式（1）。

式中：K0——单位弹性抗力系数，MPa/cm；Ed——动弹模量，MPa；μ——泊松比；α——折减系数（工程示例取值为1/2）。

由公式（1）可知，式中Ed及μ，为可求变量，即：

式中：Vp——岩体纵波波速，m/s；Vs——岩体横波波速，m/s；ρ——岩体密度，g/cm3。

由以上公式可知，实际上，只需要测试岩体的横波波速和纵波波速及相应岩体的密度，即可将相应洞段岩体的弹性抗力系数值计算出来。在隧洞的检测中对于纵波的取法较为简单容易，但是对于提取横波波速就相对困难些，特别是围岩类别较低时，往往达不到理想的效果。所以测试为了能够使测试效果相对满意，经过仔细考虑决定使用地震法提取横纵波。

3 地震测试原理

地震法是通过人工激发的弹性波在岩土层中传播的特点，来判定地层岩性、地质构造、波速等，从而解决某一地质问题及参数特性的物探方法。根据弹性波的传播方式可将地震法分为直达波法、反射波法、折射波法及瑞雷波法。试验主要采用直达波法，即透射波法来进行检测。

直达波是一种从震源出发不经过界面的发射、折射而直接传播的接收点的地震波，利用直达波的时距曲线（波到达观测点的时间t和到达观测点所经过的距离s的关系曲线）求得直达波波速v，从而计算岩土层的动力参数。

直达波从震源传向接收点，因此时距曲线为直线，表达式：

式中：t——直达波从震源到达接收点的时间，s；s——直达波从震源到达接收点的距离，m；v——直达波从震源到达接收点的速度，m/s。

4 工程实例

4.1 工程概况

辽宁某引水工程某标段工程主体包括钢管、连接竖井、隧洞。起点有2处，隧洞引水采用φ5.4 m有压隧洞，变径至φ5.62 m隧洞穿越河道，再变径至φ4.0 m接入连接井，线路长1 047 m。连接竖井布置在主洞桩号JH1+047.19处。标段隧洞工程主洞长12 120 m，桩号JH0+000.00～JH12+120.00。主洞段共布置4条施工支洞，即J1，J2，J3，J4号支洞，其中J3号支洞为永久支洞。

隧洞大部分为构造剥蚀地形—缓隆起剥蚀低山—浑圆状低山。地面高程一般在150～335 m，地表植被较发育～不发育，基岩埋深较浅，山顶部一般直接裸露，其余多为表层残积物掩盖。洞室最大埋深约245 m，地面高程一般117～133 m。隧洞穿越谷地地貌单元多属侵蚀堆积地形—山间坡洪积谷地—爪状谷地。

该线路穿越的地层岩性，主要有中生界地层和新生界地层。其中中生界地层有侏罗系中统髫髻山组（J2t）、上统张家口组（J3z）、白垩系下统义县组（K1y）；新生界地层有第四系全新统（Qhpal+dl）。围岩类别以Ⅲ、Ⅳ类为主。

4.2 检测方法技术

根据设计要求和现场勘查，经过研究采用地震法进行测试。测试仪器采用SE2404地震仪，配合6组检波器；利用高频水平检波器（纵波测量）或中频垂直纵波检波器（横波测量）进行接收，使其灵敏方向与有效波的主震方向一致，用石膏将检波器沿洞线轴向方向依次固定在一侧洞壁的一条直线上，每2个检波器为1组（1个高频检波器，1个中频检波器）每组检波器间距为2 m，如图1所示。

图1 工作连接示意图

根据现场具体情况设置地震仪采样点为1 024点，采样间隔为0.025 ms，使用两端激发，激发震源为锤击，最小源检距为5 m。测定纵波波速时，将采集总线连接6个高频水平检波器，沿隧洞轴线方向与，6组检波器在同一直线的洞壁上敲击墙体。当在地震仪显示器中采集的6道数据显示的波形清晰、初至明显时，保存波形。将采集总线与,6个高频检波器分离，与其余6个垂直于高频检波器的中频检波器连接。在6组检波器的同一条直线的洞壁上，沿与隧洞轴线垂直方向敲击墙体。同样在正确确认其为波形清晰，初至明显的横波时保存波形。由于采用两端激发，所以在6组检波器的所在测线的另一端，重复以上步骤。

4.3 检测结果及处理分析

根据设计要求，检测部位分别布置于1，2，3，4号洞4个洞段的主洞部分

分别为1号洞下游J0+900，2号洞下游J3+300所在部位为Ⅲ类围岩；3号洞上游J5+320，4号洞上游J8+957，J9+311，4号洞下游J10+840，J11+560所在部位为Ⅳ类围岩；4号洞上游J8+570，J9+274所在部位为Ⅴ类围岩。

首先，在现场进行一致性测试，对检波器的一致性进行检验。

其次，现场采集数据经过检测无误后保存，导入数据处理软件进行后期处理，即纵横波初至的判定及计算。现以1号洞下游J0+900检测位置测试数据为例，如图2所示。

由以上过程可以得出，各个桩号测试部位的纵波及横波波速值，将图中所示波速值带入式（1）（2）（3），即可求得各检测部位相应的单位弹性抗力系数值，具体数据如表1所示。

表1 各洞段围岩单位抗力系数测试成果表

表1得出的各围岩单位弹性抗力系数K0，满足各类围岩主要物理学参数经验值范围。

5 结语

地震波法在水工隧洞检测隧洞围岩弹性抗力系数的应用中效果较好，检测较快捷，效率高，为隧洞后期的衬砌提供了较为客观的依据。