周振廣，祖夢琦

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

在復雜條件下的水工隧洞施工過程中，常遇到穿越諸如斷層破碎帶、溶洞、軟巖等不良地質(zhì)條件，這些不良地質(zhì)條件洞段圍巖巖體一般較為破碎，在施工影響下，往往易發(fā)生沉降變形塌方的工程問題。水工隧洞圍巖沉降變形或塌方可導致洞周形成巖體破碎帶，最終影響水工隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［1］，因此需及時進行加固處理。實際工作中對于這些工程問題加固處理的方法雖很多，但均須根據(jù)沉降變形的發(fā)育規(guī)模而定［2］，因此，采用一定手段查明沉降變形破碎帶發(fā)育范圍，是有效處理這些問題的關鍵任務，物探由于其具有無損、高效、不受場地限制的特點［3］，在解決類似工程問題上具有較為廣泛的應用。

1 工程概況

某輸水隧洞直徑6.5m，最大埋深2300m，當施工至樁號2+881～2+906 段時，因穿越斷層破碎帶，使得洞頂發(fā)生沉降變形，左側(cè)至拱頂下沉約15～20 cm，掌子面左拱～拱頂形成0.5 m＜H＜0.6 m 塌腔，為防止塌方進一步擴大，施工單位對沉降變形區(qū)域進行臨時支護。受圍巖沉降影響，沉降區(qū)無法按設計襯砌厚度進行施工，需對沉降區(qū)洞頂巖體進行全面處理并重新擴挖至設計開挖洞徑，為科學設計處理方案，現(xiàn)需查明洞頂沉降破碎帶具體的深度和范圍。

該施工洞段位于斷層帶內(nèi)，揭露地層巖性為石炭系阿恰勒和組（C1ab-1）沉凝灰?guī)r，圍巖較軟且破碎，斷層破碎帶以糜棱巖為主，碎塊巖次之，圍巖整體潮濕，有滴水和線狀流。

2 地球物理特征分析

目前洞頂沉降區(qū)由淺至深基本包括襯砌結(jié)構(gòu)層、固結(jié)灌漿層、原狀圍巖和沉降破碎圍巖。襯砌結(jié)構(gòu)層主要為鋼筋混凝土，固結(jié)灌漿層主要為充填混凝土的糜棱巖巖體，沉降破碎帶主要是相對松散的糜棱巖，原狀圍巖主要為相對致密的糜棱巖。各類介質(zhì)間存在明顯的彈性及介電常數(shù)差異，具備開展地球物理探測的物性條件。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，測區(qū)內(nèi)雷達測試介電常數(shù)取值為8，襯砌結(jié)構(gòu)層地震波平均波速3750 m/s，臨時灌漿層糜棱巖巖體地震波平均波速2500 m/s，多序灌漿層糜棱巖巖體地震波平均波速3500 m/s，沉降破碎帶糜棱巖巖體地震波平均波速2000 m/s，原狀糜棱巖巖體地震波平均波速3020 m/s。

3 探測方法

待探測區(qū)表層不具備接地條件且破碎巖體波速低于表層襯砌結(jié)構(gòu)，綜合考慮選擇不受接地及高波速屏蔽影響的地震映像法和探地雷達法進行綜合探測，通過綜合物探技術提高解譯可靠性及精度。

3.1 探地雷達法

探地雷達法是利用高頻電磁波的反射來探測有介電常數(shù)差異的目標體的一種物探技術。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強度及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化，因此通過對雷達圖像的處理和分析，可確定地下介質(zhì)層或目標體的空間位置及結(jié)構(gòu)特征［4］。

在洞頂及左、右拱頂延洞軸線方向布置3 條探地雷達法測線，長度均為15.0 m，工作參數(shù)：主頻400 MHz，時間測量模式，采樣長度125 ns。

3.2 地震映像法

地震映像法采用人工敲擊產(chǎn)生的地震波向介質(zhì)傳播，當遇到介質(zhì)存在波阻抗差異時，便產(chǎn)生反射波反射回地面。當介質(zhì)分布均勻，無不良地質(zhì)體存在時，則所得到的同相軸連續(xù)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)錯斷、拱起等現(xiàn)象，若介質(zhì)內(nèi)存在空洞、破碎等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地震波在其分界面上產(chǎn)生波繞射等現(xiàn)象，使得同相軸出現(xiàn)錯斷、拱起等現(xiàn)象。據(jù)此通過對圖像的分析，達到解決地質(zhì)問題的目的［5］。

在隧洞洞頂布置1 條地震映像法測線，長8.0 m。地震映像法工作參數(shù)：偏移距1.0 m，測量點距0.5 m，100 Hz 檢波器接收。

4 解譯分析

4.1 探地雷達法

存在物性差異的不同介質(zhì)內(nèi)電磁波傳播具有不同特征。襯砌結(jié)構(gòu)電磁波信號中分布有連續(xù)的雙曲形三振相強反射信號；一序固結(jié)灌層糜棱巖巖體局部殘留不密實區(qū)域，電磁波反射信號表現(xiàn)為整體較為均勻，局部存在強反射、三振相特征；多序固結(jié)灌漿層糜棱巖巖體內(nèi)部基本不存在不密實區(qū)域，電磁波表現(xiàn)為弱振幅、相位連續(xù)特征；沉降破碎帶糜棱巖巖體密實度差，電磁波在破碎巖體間以漫反射為主，電磁波反射信號總體表現(xiàn)為強振幅、相位錯斷特征，原狀糜棱巖巖體完整性高于沉降破碎帶糜棱巖巖體，因此從其電磁波反射信號強度及相位連續(xù)性分析，總體介于沉降破碎帶巖體與固結(jié)灌漿巖體之間，表現(xiàn)為振幅稍強、相位連續(xù)性差特征。

洞頂WT2 測線探地雷達法探測成果如圖1。首先根據(jù)電磁波同相軸延伸趨勢可見樁號2+882.0～2+897.0 洞段洞頂圍巖存在沉降變形趨勢，帶箭頭的實線為圍巖沉降變形示意線，中心沉降點位于樁號2+894.5 附近。其次根據(jù)電磁波在被探測介質(zhì)中傳播特征可將介質(zhì)分為3 層，層間分界面如圖中虛線所示，第1 層內(nèi)存在連續(xù)雙曲形三振相電磁波強反射信號，為襯砌結(jié)構(gòu)層的反映；第2 層電磁波反射信號具有整體弱振幅、相位連續(xù)特點，表明介質(zhì)內(nèi)部較為均勻，為固結(jié)灌漿層的反映；第3 層藍色實線以外區(qū)域相對于固結(jié)灌漿層電磁波反射信號振幅稍強、相位連續(xù)性差，為原狀糜棱巖的反映，藍色實線以內(nèi)區(qū)域電磁波反射信號振幅強、相位錯斷，表明介質(zhì)內(nèi)部巖體破碎，為糜棱巖沉降破碎帶的反映，順洞軸線方向糜棱巖沉降破碎帶位于隧洞樁號2+887.5～2+897.0范圍內(nèi)。依據(jù)介電常數(shù)8 計算電磁波時深轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.106 m/ns，以此計算中心沉降點沉降幅度約0.35 m，沉降破碎帶徑向發(fā)育深度2.65～6.20 m，最深處位于樁號2+894.5 附近。

圖1 WT2 測線探地雷達法成果

4.2 地震映像法

固結(jié)灌漿層、沉降破碎帶及原狀圍巖巖體間存在明顯地震波波阻抗差異，對于同一波阻抗界面反射波同相軸呈連續(xù)形態(tài)這一特點可直觀地反映糜棱巖沉降破碎帶形態(tài)變化特征，同時由于破碎帶內(nèi)巖體松散，地震波在破碎帶內(nèi)呈漫反射傳播，所接受到的地震反射波信號相位連續(xù)性差，多表現(xiàn)為同相軸錯斷、拱起或凹陷。

洞頂WT2 測線地震映像法探測成果如圖2。圖中存在2 個同相軸連續(xù)的波阻抗界面，實線所示為固結(jié)灌漿層與沉降破碎帶分界面，虛線所示為沉降破碎帶與原狀圍巖分界面，兩個界面間地震波相位連續(xù)性差且局部相位錯斷，為糜棱巖沉降破碎帶的反映。根據(jù)試驗成果所述各層地震波平均波速，計算糜棱巖沉降破碎帶徑向發(fā)育深度范圍1.95～5.90 m，最深處位于樁號2+894.5 附近。

圖2 WT2 測線地震映像法彩色密度

4.3 綜合分析

將WT2 測線樁號2+890.0～2+897.0 段探地雷達法、地震映像法劃定定洞頂糜棱巖巖體破碎帶頂、底界面深度進行對比研究，結(jié)果如表1。

表1 探地雷達、地震映像法劃定糜棱巖巖體破碎帶頂、底界面深度對比

成果對比：首先兩者解釋的最深沉降位置樁號均約在2+894.5 附近，其次兩者解釋的沉降破碎帶深度深度基本一致，誤差在0～0.95 m 之間，說明綜合物探技術可以準確反映洞頂沉降破碎帶的發(fā)育范圍。

綜合成果：①左拱頂、洞頂及右拱頂樁號2+889.5～2+897.0 圍巖均存在沉降變形，沉降中心均位于樁號2+894.5 附近，沉降幅度約0.35 m。②左拱頂、洞頂及右拱頂沉降破碎帶分別位于樁號2+890.5 ～2+897.0、2+887.5 ～2+897.0 及2+889.5 ～2+897.0 洞段，徑向發(fā)育深度范圍分別為2.65～5.20 m、2.65～6.20 m 及2.35～5.75 m，最深位置均位于樁號2+894.5 附近。

5 結(jié)語

（1）在復雜條件下的水工隧洞施工過程中，圍巖沉降變形塌方屬于常見工程問題。查明沉降區(qū)巖體破碎帶分布范圍，掌握其隱伏部分的情況，可為加固處理提供科學依據(jù)。

（2）綜合物探是探查巖體沉降破碎帶的有效手段，但需在正確分析沉降區(qū)域地球物理特征、研究破碎巖體與周圍介質(zhì)物性差異及異常地球物理信號表現(xiàn)特征的基礎上，選擇相適應的物探方法。本文以探地雷達法和地震映像法綜合探測水工隧洞洞頂沉降破碎帶發(fā)育規(guī)模，通過分析各類介質(zhì)物性特征，劃定巖體破碎帶的深度和范圍，取得良好的應用效果，可供類似工程參考和借鑒。