地震折射層析法在隧道圍巖松動圈測試中的應用

高 帥

（中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

0 引言

隧道工程中形成松動圈，會引發巖層波速值急劇變化，相較于原巖波速而言，隧道邊挖邊界區域的波速相對更小。松動與未松動的交界區域尤為典型，此時入射波會發生折射現象，并沿著松動面持續傳播一段距離，此后再次折回到開挖表面。當超出特定的距離范圍時，折射波將更早地到達開挖表面。對某一區域折射波的走時進行分析，便可得知松動范圍的實際深度值。

1 工程概況

平涼至天水高速項目貫穿于整個G8513 線路中的關鍵區段，項目由華亭縣吳家堡子引出，最終到達天水市西十里鋪，項目全長168.07 km，且與連云港至霍爾果斯公路相交。

2 基本原理

地震折射層析法是一種較為新型的方法，其可以規避傳統折射解釋方法中所存在的種種缺陷，給出的解釋更為精確可行。具體操作原則：圍繞模型進行射線追蹤，基于此途徑可獲得炮點與檢波點所對應的最小走時，此后將其與實際測試值進行分析，借助最小二乘法實現對模型的修改并展開多次疊代，最終得到反演結果。在整個過程中，惠更斯原理以及費馬原理是極為重要的理論指導，在此基礎上可以得到震源與節點所對應的走時以及路徑情況。地震折射層析法可操作性高，對于復雜地質模型而言依然具有適應性。二維最小走時樹方法會對二維地質模型進行離散處理，得到一定量的四邊形單元，任何一個單元內的速度都相同，但各單元間的速度變化存在一定差異；此外，所有單元的四邊都存在節點射線，只通過節點實現傳播。

3 測試方法

3.1 原理及特征

測試過程使用的地震折射層析法，在時間場法以及延遲時法的基礎上可以得到對應的初始模型，由此進入正演環節，此時使用的是最小走時樹法，而反演過程應用阻尼最小二乘法，圍繞初始模型展開迭代操作，由此計算射線的路徑，提升計算時距曲線與實測曲線的相似性，得到的最優擬合速度模型是最終需要的解釋結果。

3.2 松動圈劃分的依據和方法

如果表層波速值＜1000 m/s，稱之為松弛帶；如果中部波速值介于1000～2500 m/s 內，稱之為松動帶；此外，如果底部波速值＜2500 m/s，稱之為未擾動帶。區帶的劃分，主要借助于速度梯度實現，同時考慮滑行界面的實際位置。

3.3 現場布置和測試數據質量

（1）剖面長度≥24 m，最佳長度48 m。

（2）采集數據量應足夠豐富，是確保反演精度的基本前提，道間距應達到1 m。

（3）控制炮孔深度，至少達到1.5 m。

（4）做好對檢波點、炮點位置以及深度的驗證工作。

（5）使用的乳化巖石炸藥，要求裝藥量達到3050 g。

4 隧道圍巖松動圈測試實例

測試段主要發生在斷層帶內，所形成的隧道斷層寬度通常達到400 余米，開挖施工后，便會帶來圍巖變形現象。當采用長度4 m 的錨桿時，錨固效果欠佳。對此，工程人員分析圍巖變形機理，變更預先設定的施工方案，最終確定對圍巖松動圈展開測試。受現場實際情況的影響，以地震折射層析法為宜，其具有較高的分辨率，適用于速度橫向不均的場景。

測試環節選用NZ48 道地震儀，道間距均為1 m，單排炮量10～15 個，遵循炮點均勻分布原則，炮深1～2 m，并沿著隧道軸線布置，從而獲悉到隧道斷面的變形與松動圈實際情況。

對隧道右拱腳1.5 m 區域進行分析，隧道斷層帶內右拱腳上1.5 m 折射層析解釋結果顯示：深度4 m 的區域，主要集中在425～445 m 區段內，諸多射線在此發生折射現象，并沿著直線滑行。

滑行直線兩側顏色存在明顯的由紅變黃的特性，對應的速度梯度變化幅度較大。在此基礎上分析松動圈物理特性，將折射層速度2050 m/s 的區域定義為松動圈與過渡帶的分界面。與此同時，深度9 m 的區域有諸多射線沿直線滑行，此時滑行直線上下兩側顏色表現出由綠變藍的特性，但對應的速度梯度變化較小；將折射滑行速度2850 m/s 的區域設定為過渡帶與原巖的分界面。此外，折射層析解釋結果顯示過渡帶與射線彎曲現象明顯，意味著過渡帶的速度以漸變的方式逐步趨于原巖速度。

層析解釋結果反映出了圍巖松動圈的分布情況及變化特征，隧道斷層帶內右拱腳上0.5 m 折射層析解釋結果顯示：松動圈主要集中在4～5 m 深度區域，如果錨桿長度為4 m，意味著錨桿只能進入松動圈，即無法達到錨固圍巖的效果，必然會帶來圍巖變形現象，影響施工的順利進行。避免上述問題的方法式錨桿加長到10 m 為宜。

隧道斷層帶內右拱腳上0.5 m 折射層析解釋結果顯示：452～467 m 區段速度界面發生向上凸起現象，并且兩側的射線呈透明特性，在此情況下，層析解釋在描繪速度界面中依然有效。

盡管折射層析結果顯示射線投射現象較為嚴重，但482 m兩側且深度3～4 m 范圍內的射線依然有很多發生了直線滑行現象，對應速度2150 m/s，以此為指導可確定出松動圈與過渡帶的邊界。此外，462～477 m 且深度5 m 的區域也會產生折射截面，此部分的速度有所提升，達到2900 m/s，是過渡帶與原巖的重要分界依據。這一過渡帶中依然存在射線彎曲傳播現象，但過渡帶表現出了變窄的特點。

隧道斷層帶內左拱腰折射層析解釋結果顯示：松動圈深1～2 m，深度明顯更小，其中的過渡帶起伏較大，推測與應力不均衡有很大關聯。

圍繞隧道斷層中的十余條測試面展開分析，與左邊墻相比，存在于右邊墻區域內的松動圈與過渡帶更深一些，原因與構造應力場對圍巖的作用有關，這是一種自右向左的影響機制。對于同一隧道斷面而言，開挖工作對隧道左右側的影響程度一致，但伴隨著開挖的持續進行，將會形成松動圈，此外還存在自重力，造成松動圈將進一步擴大。左邊墻部分也會受到開挖的影響，由此引發構造應力場失效，相比之下，右邊墻還會受到構造應力場的影響，且呈現出高度的連續性，這也是設計中的重要指導依據。

5 結束語

在當前的隧道工程中，松動圈測試尤為關鍵，以射線密集折射滑行區為基礎，得到相對應的速度值，從而展開區域劃分工作。過渡帶射線具有典型的彎曲傳播特性；射線向下傾斜時，彎曲程度更明顯。總體來說，折射層析法可行性較高，但速度變化較大的區域應加密炮點，以確保解釋精度。