一發雙收巖體超聲波檢測技術現場應用

申進，錢偉安

（1重慶市涪陵區教育基建后勤中心，重慶 408000；2重慶偉東工程勘察設計技術服務有限公司，重慶 404300）

0 引言

我國巖體聲波檢測技術應用研究是從上世紀六十年代中期開始的，它的起步借鑒了金屬超聲波檢測和水生探測技術，巖體聲波測試技術是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學參數相關性為基礎，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數，為評價工程巖體力學性質提供依據。該技術在巖石工程中應用廣泛，主要有工程巖體質量分級、圍巖松動圈測定、大壩基礎灌漿效果檢測、巖體動靜彈模對比、建基面基巖質量評價和驗收、爆破開挖影響范圍檢測、測定風化系數、完整性系數和各項異性系數、斷層和巖溶等地質缺陷探查等。

國內外學者對聲波測試技術進行了大量的研究與應用。朱煥春等[1]對某高邊坡巖體進行聲波測試發現，因控制性因素差異，邊坡巖體松弛深度不同，可分為表層松弛、淺層松弛和深層松弛。馬榮田等[2]對某大型礦山地下巷道圍巖進行了聲波測試，得到了圍巖巖體聲波的數字特征值。沈昌賢等[3]對金堆城露天礦邊坡巖體進行聲波測試，揭示了邊坡巖體的松弛范圍及其分布規律，為凹陷露天礦邊坡形狀優化提供了依據。孫清祥等[4]通過對會澤鉛鋅礦一號礦體不同水平不同區域的工程巖體進行聲波速度測試，得出了不同部位工程地質巖組的巖體聲波速度及傳播特征。張新鵬[5]建立了開裂巖體厚度與劣化程度的數學模型，為保護花山巖提供了可靠的理論依據。張澤林等[6]對某地巖體進行聲波測試，分析其裂隙系數、完整系數和風化系數，并劃分風化帶，認為現在開挖形成的建基面是能夠滿足雙曲薄拱壩的建壩需求的。李建林等[7]對現場開挖邊坡卸倚巖體不同距離的聲波進行測試，劃分了邊坡開挖后巖體不同的卸荷區域，確定了各卸荷區巖體宏觀力學參數。閆長斌等[8]針對傅立葉分析的缺陷，運用小波（包）變換方法，對聲波測試信號的頻譜特征進行分解分析。胡可等[9]基于聲波巖體損傷定義，利用錘擊疊加作震源對臺階爆破鉆鑿的炮孔進行了聲波測試試驗，研究了爆區附近巖體的損傷。王新杰等[10]通過鉆孔聲波測井和室內巖性測試，計算了庫址巖體聲波速度和巖體動力學參數、評價了巖體穩定性、分析了庫址全區縱波速度場分布特征，對庫址巖體安全性進行了分析，為石油儲備庫的建設提供依據。韓震等[11]探討了巖體超聲波測試探頭耦合方法的改進，提出了一種三膠囊超聲波探頭耦合方法。

以上學者對巖體聲波檢測技術進行了大量研究及應用，本文采用巖體聲波測試技術對某工程巖體ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48個勘察鉆孔進行一發雙收超聲波檢測，研究結果可為某工程場地地層巖體穩定性提供依據。

1 工程概況

根據鉆探資料，在鉆探深度范圍內，擬建某工程場地地層。該工程毗鄰城市交通干道，周邊配套設施較為完善，規劃區西側為現狀解放中路，南面為現狀紅旗中路，北臨現狀步行街，距離廣場及縣政府直線距離不超過1km，區位優勢明顯，擬建場地交通條件良好。根據巖體的風化程度、力學性質，將巖體劃分為中風化泥質白云巖巖體基本質量單元。泥質白云巖呈灰色、灰黑色，薄～中厚層，節理裂隙發育，節理面泥質充填，局部方解石脈充填，脈寬1～5mm。巖芯呈塊狀、短柱狀、長柱狀，取芯率多在25%～55%以上，RQD值多在15%～45%。由于受區域構造的影響，場地內巖石張性節理發育，巖石破碎；且場地原始地形為巖溶地貌，石芽、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等巖溶現象較發育，基巖面起伏較大。

2 巖體聲波測試技術

2.1 基本原理

巖體聲波測試技術研究橫波和縱波在巖體內部的傳播速度及規律，從而推斷巖體相關的物理力學狀態，為評價工程巖體質量提供依據。在實際工程中，將巖體視為各項同性的連續介質，聲波是一種彈性波，將巖體視為彈性體，且聲波在巖體中服從彈性波傳播規律。巖體內部縱波波速和橫波波速可表示如下：

式中：E為巖體彈性模量；μ為巖體泊松比；ρ為巖體密度。

2.2 測試裝置

測試裝置：記錄處理系統、井下換能器和地面控制儀。

地面控制儀器為RSM-SY5智能聲波儀，主要指標為：（1）前置程控放大器；（2）發射電壓：300/800V可選；（3）發射脈寬：0.1、0.2 ……10、20……（μs）；（4）可程控帶寬：1～500kHz；（5）采樣間隔：0.1～6553μs；（6） 每道采用長度：0.5K、1K、2K、4K、8K、16K可選；（7）串口通訊口；（8）～220伏AC或+12伏DC交直流電源電壓。

數據處理系統為便攜式筆記本電腦，該系統能采集、儲存和分析數據。

為了接受到巖體中的滑行波，必須消除聲波發生探頭與接受探頭之間在水中的直達波，主要措施為：利用巖體波速大于水的波速原理，選擇發生與接受探頭之間的合適距離；兩探頭間安裝濾波器；延長直達波的到達時間；該試驗過程中使用FSS-20型聲波檢測換能器，頻率為20kHz，直徑為50mm，發射至接收一距離為30cm，接收一至接收二距離為20cm。測試系統的構成示意圖如圖1所示，圖中F為發射換能器，S1為第一個接收換能器，S2為第二個接收換能器。

2.3 測試方法

圖1 聲波測井系統示意圖

單孔聲波測試采用一發雙收井下換能器，在鉆孔內沿井壁發射、接收聲波信息。測井時換能器下至井底或置于井口，按測井點距向上或向下測試，計算機進行聲波數據的采集與儲存，在實驗室內進行數據處理提取縱波，根據采集到的波形計算縱波波速。聲波測井首先按照測定聲波在鉆孔巖壁上傳播的時間，結合式（5）計算巖體聲波波速，并對巖體聲波進行整理分析，得出巖體動力學參數。該系統主要由井下換能器、地面控制儀器和數據處理系統等組成，如圖1所示。探頭的工作原理如圖2所示。

圖2 探頭工作原理

現場試驗過程中采用一發雙收裝置的測井換能器，發射換能器F發射的聲波，通過直線FS1S2和折線FABS1、FACS2到達接收換能器S1和S2，而巖體聲波儀檢測到的是沿巖壁滑行的折射波首波。因此，BC段的巖體波速即可按式（5）計算：

式中：△L為兩接收換能器間的距離；tFS、tFS為兩接收換能12器接收到的滑行波時間。

因為水是一種不可壓縮不可剪切的介質，采用該聲波測試系統無法檢測巖體的橫波波速，但可采用鉆孔巖芯試樣測試橫波波速。現場實測過程中，通常將一發雙收換能器置于孔底，由下往上進行測試，但遇到聲波波速異常處，需進行多次測試。

表1 鉆孔聲波測試分段結果

3 結果分析

3.1 現場測試結果分析

本次測試采用一發雙收的測試方法，考慮到接收一到接收二的間距為20cm，而測試是通過兩個接收探頭的距離與接收的時間差來得到巖體的波速，為了得到整個鉆孔的巖體波速，本次測試采用的測距為20cm，采用清水耦合，實現聲波在巖體小范圍內傳播時間的測量。由于塌孔、沉淀物堵塞等原因，探頭不能完全放至孔底，故孔底部分巖體不能進行測試。

依據現場采集到的波形曲線，按照如下步驟進行分析：

1）根據雙收探頭接收到發射探頭發射的信號，分別確定兩個接收探頭接收波形的初至時間，由式（5）確定兩個接收探頭之間巖體周圍的波速，將此波速作為兩接收探頭中心點的巖體波速。雙收探頭接收到的典型曲線如圖3所示。

2）將每點測試到的波形分別進行初至時間的確定，從而確定整個鉆孔巖體的波速，將所有的波速繪制成巖體波速隨深度變化的曲線，如圖4所示。

3）根據鉆孔聲波測試所繪制的巖體波速曲線，對巖體波速進行分段處理。巖體的質量好壞、風化程度、軟弱結構面的位置會有所不同，具體表現在波速上就是波速的大小變化。因此，為了對巖體進行總體評價，必須根據波速的變化曲線，將曲線劃分為若干段，尤其應該指出波速偏低的區域。

鉆孔聲波測試分段結果如表1所示。

由表1可知，通過對48個鉆孔進行聲波測試，可知地層巖體的縱波平均波速為2747 m/s，最小波速為2222 m/s，最大波速為3226 m/s，標準差為130 m/s，變異系數為0.047。

3.2 室內試件波速測試

采用RSM-SY5型智能聲波儀外加縱波換能器對12個飽水狀態下的泥質白云巖試樣進行縱波測試，場區主要巖石單元為泥質白云巖，本次僅對泥質白云巖取樣，如表2所示。

由表2可知，巖石飽和狀態單軸抗壓強度最小值為29.2 MPa，最大值為31.7 MPa，平均值為30.25 MPa，屬較硬巖。巖塊最大波速為4828 m/s，最小波速為4105 m/s，平均波速為4364 m/s。

圖3 典型波形圖

圖4 波速-深度圖

表2 泥質白云巖抗壓強度及波速

3.3 巖體完整程度評價

由表1和表2測試結果可知，地層巖體的縱波波速平均波速為2747 m/s，最小波速為2222 m/s，最大波速為3226 m/s，標準差為130m/s，變異系數為0.047。巖石飽和單軸抗壓強度為30.25 MPa，屬較硬巖。巖塊最大波速為4828 m/s，最小波速為4105 m/s，平均波速為4364 m/s。

巖體完整性指數公式：

式中：Vmp為巖體縱波波速；Vrp為巖塊縱波波速。

由式（6）計算得，Kw=0.32，其巖體完整性等級為破碎，該場地巖體基本質量等級為Ⅳ級。

4 結語

巖體聲波測試技術是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學參數相關性為基礎，通過測定聲波在巖體中的傳播特性參數，為評價工程巖體力學性質提供依據。本文介紹了巖體聲波測試基本原理和方法，采用聲波測試技術對某工程巖體ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48個勘察鉆孔進行了一發雙收超聲波檢測，其研究結果可為該工程場地地層巖體穩定性提供依據。