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摘要：声波探测技术是隧道岩石力学测量技术中最有希望的物探方法之一，最早在鐵路隧道检测领域应用较广，在水工隧洞探测领域的起步比较晚，且很少有人用于水工隧洞的围岩检测。本文采用平面换能器对测法和穿透声波法两种方法，对迭部沟洁寺水电站引水隧洞进行岩体地质分析和围岩分类，并通过动弹性参数对工程区围岩地质情况进行深入了解，从而对该引水隧洞的围岩稳定情况有了直接的认识，为隧洞的设计、施工和安全运行提供了依据和保障。
关键词：平面换能器对测法；穿透声波法；围岩分类；波速测试；动弹性参数
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
长期以来，在工程地质勘探中，多采用钻探和电法等物探方法 [1]。这些方法很难与岩体的物理力学性质建立关系。近些年来,在水工隧洞领域研究采用一种新的探测方法：声波探测技术。该法既是工程地质的物探手段，又是岩体力学的测试手段，具有重大的实用价值和意义。在国内外隧洞岩体探测方面得到广泛研究应用。
本文结合工程实例，通过声波探测技术中各种方法的对比，选取了适合该工程区的探测方法：平面换能器对测法和穿透声波法[2]，对该工程区的岩体地质情况进行了分类，从而为设计和施工提供依据。
2 工作原理
从工程地质勘探看，超声波探测法是小型轻便的地球物理勘探方法，其工作原理是用人工的方法在岩石介质和结构中激发一定频率的弹性波[3]。由一声源讯号发生器(发射机),向压电材料制成的发射换能器发射一电脉冲,激励晶片振动,产生声波向岩石发射,作为声波探测的声源。声波在岩石中传播,经由接收换能器接收,把声能换成微弱的电讯号送至接收机,经放大后由示波管在屏幕上显示出波形图。本次探测主要使用NM-4A型非金属超声检测分析仪，引水隧洞围岩级别判定采用带信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，用黄油耦合，声时测量精度为±0.1us，通过超声波在岩体发射和接受换能器之间岩体的距离F和声波通过岩体距离所需传播时间T来计算波速，从而根据声波传播速度V来判别岩石和岩质情况，对岩体进行围岩分类。
（1）
3 探测方法的对比
3.1 平面换能器对测法
平面换能器对测法是将发射和接收换能器放在相距一定距离F的岩体表面，用黄油耦合，通过发射换能器发射一定频率的声波，穿过发射和接收换能器之间岩体，在相距F的接收换能器得到接收波，接收波起点时标读数即为声波通过距离为F的岩体所需传播时间，见图1。
本方法适用于裸露岩体围岩地质情况和岩体分类，而工程区大多数开挖段由于岩体岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，为防止围岩塌落等而进行了混凝土喷锚，故该方法只能反映一部分裸露岩体的地质情况，并不能真实反映整个开挖段岩体地质。
3.2穿透声波法
穿透声波法是为了克服上述的不足，根据铁路隧道探测两钻井之间的工程地质情况原理，使用声波仪一发单收换能器，在两个测试孔内同时放入换能器进行测试，其中一个为发
射换能器，另一个为接收换能器。孔内灌满水，作为换能器与孔壁岩体的耦合剂。这种方法可以真实反映该工程区岩体情况并进行围岩分类，见图2。
图1 平面换能器对测法图2 跨孔测试方法示意图
4工程应用
建设中的迭部沟洁寺水电站引水隧洞，隧洞全长约5km，洞径约为3.6m，横穿过达拉河右岸岩体上。对引水隧洞有影响的冲沟有3条，分别为引1#冲沟；2#冲沟及3#冲沟，尤以3#冲沟最大。冲沟走向基本垂直河流，坡降较大，呈“V”，相对高差100～300m，沟内覆盖第四系冲洪积物，厚度10～30m。沿途洞室围岩岩性为变质砂岩夹板岩、板岩夹少量砂岩呈互层状。变质砂岩岩性致密坚硬，板岩岩质较软，板理发育，局部呈片理化带。岩体中断裂发育，层间挤压带和层面裂隙地带多，故在设计施工阶段，探测岩体地质状况，并判断岩性级别非常重要，为设计施工提供主要依据，并对岩体稳定性进行定量评价。
4.1 测孔布置及数据采集
按设计要求，隧洞围岩级别测试共划分为3个测区，分别为引水隧洞、厂房和坝址处，每个测区随机选取3～6个测点进行测试，采样间距0.5～1m，采用接收信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，以得到较清晰的波形，见图3。
a. 隧洞平面换能器测试波形 b. 穿透声波法孔1和孔2跨孔测试波型
图3隧洞测试波形
一般岩性坚硬，风化微弱，结构面不发育，岩体完整性好则波速高、振幅大；反之，当岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，岩体破碎则波速低，吸收衰减厉害，振幅小。应力增大，波速增高；反之，则降低。
4.2引水隧洞围岩分类
引水隧洞根据已有的勘察资料和设计资料，利用地质推断和作图等方法初步推测了一些定性指标及围岩的变化情况，引水发电洞围岩除进水口和沿线的主要冲沟段岩体属Ⅲ～Ⅳ类围岩外，其它地段洞室埋深较大，厚度在100～400m之间，隧洞均处于微风化～新鲜岩体中，属Ⅱ～Ⅲ类围岩，板岩由于岩体软弱，围岩变形较大，因此围岩分类时将微～新鲜岩体划分到Ⅲ类围岩中。围岩分类及岩体力学参数建议值见表1[4]，国外按比值和动泊松比协值对岩体分类情况见表2。
表1 围岩分类及岩体力学参数建议值
围岩
类别 岩体结构类型 纵波速度VP 岩石抗压强度Rb 岩体完整性系数
KV 变形
模量 抗剪断 弹性抗力系数K0 坚固
系数
f
f c
m/s MPa GPa Mpa MPa/cm
Ⅱ 完整层状 >4100 >80 >0.55
10
∫
15 1.1
∫
1.2 0.8
∫
0.9 70
∫
90 6
∫
8
Ⅲ 中厚层状 3000
∫
4000 40
∫
80 0.55
∫
0.30 5
∫
8 0.8
∫
0.9 0.0.6
∫
0.80 40
∫
50 3
∫
5
Ⅳ 层状
∫
碎裂 2000
∫
3000 >25 0.3
∫
0.17 2
∫
3 0.50
∫
0.60 0.30
∫
0.40 15
∫
20 ＜2
表2国外按Vp/Vs比值和动泊桑比岩体分类
动态参数比 比值范围 岩石质量好坏 围岩
类别
纵横波速比Vp/Vs 1.7～1.6 质量好 I、II
2.0～3.0 岩石质量变坏 III、IV
3.0～3.5 岩石质量较破碎 IV
3.5以上 岩石非常破碎 V
动泊松比 0.25～0.30 质量好 I、II
0.30～0.36 岩石质量变坏 III、IV
0.36～0,40 岩石相当坏 IV
0.40～0.43 岩石破碎并充水 V
4.3 资料的分析与处理
根据声波探测法的测试原理，对引水隧洞的4条引水支洞开挖段的所有岩层和厂房、坝址的岩体进行探测，对其中一部分探测资料进行整理分析[5]，并判断其岩性情况，整理结果见表3.
关键词：平面换能器对测法；穿透声波法；围岩分类；波速测试；动弹性参数
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
长期以来，在工程地质勘探中，多采用钻探和电法等物探方法 [1]。这些方法很难与岩体的物理力学性质建立关系。近些年来,在水工隧洞领域研究采用一种新的探测方法：声波探测技术。该法既是工程地质的物探手段，又是岩体力学的测试手段，具有重大的实用价值和意义。在国内外隧洞岩体探测方面得到广泛研究应用。
本文结合工程实例，通过声波探测技术中各种方法的对比，选取了适合该工程区的探测方法：平面换能器对测法和穿透声波法[2]，对该工程区的岩体地质情况进行了分类，从而为设计和施工提供依据。
2 工作原理
从工程地质勘探看，超声波探测法是小型轻便的地球物理勘探方法，其工作原理是用人工的方法在岩石介质和结构中激发一定频率的弹性波[3]。由一声源讯号发生器(发射机),向压电材料制成的发射换能器发射一电脉冲,激励晶片振动,产生声波向岩石发射,作为声波探测的声源。声波在岩石中传播,经由接收换能器接收,把声能换成微弱的电讯号送至接收机,经放大后由示波管在屏幕上显示出波形图。本次探测主要使用NM-4A型非金属超声检测分析仪，引水隧洞围岩级别判定采用带信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，用黄油耦合，声时测量精度为±0.1us，通过超声波在岩体发射和接受换能器之间岩体的距离F和声波通过岩体距离所需传播时间T来计算波速，从而根据声波传播速度V来判别岩石和岩质情况，对岩体进行围岩分类。
（1）
3 探测方法的对比
3.1 平面换能器对测法
平面换能器对测法是将发射和接收换能器放在相距一定距离F的岩体表面，用黄油耦合，通过发射换能器发射一定频率的声波，穿过发射和接收换能器之间岩体，在相距F的接收换能器得到接收波，接收波起点时标读数即为声波通过距离为F的岩体所需传播时间，见图1。
本方法适用于裸露岩体围岩地质情况和岩体分类，而工程区大多数开挖段由于岩体岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，为防止围岩塌落等而进行了混凝土喷锚，故该方法只能反映一部分裸露岩体的地质情况，并不能真实反映整个开挖段岩体地质。
3.2穿透声波法
穿透声波法是为了克服上述的不足，根据铁路隧道探测两钻井之间的工程地质情况原理，使用声波仪一发单收换能器，在两个测试孔内同时放入换能器进行测试，其中一个为发
射换能器，另一个为接收换能器。孔内灌满水，作为换能器与孔壁岩体的耦合剂。这种方法可以真实反映该工程区岩体情况并进行围岩分类，见图2。
图1 平面换能器对测法图2 跨孔测试方法示意图
4工程应用
建设中的迭部沟洁寺水电站引水隧洞，隧洞全长约5km，洞径约为3.6m，横穿过达拉河右岸岩体上。对引水隧洞有影响的冲沟有3条，分别为引1#冲沟；2#冲沟及3#冲沟，尤以3#冲沟最大。冲沟走向基本垂直河流，坡降较大，呈“V”，相对高差100～300m，沟内覆盖第四系冲洪积物，厚度10～30m。沿途洞室围岩岩性为变质砂岩夹板岩、板岩夹少量砂岩呈互层状。变质砂岩岩性致密坚硬，板岩岩质较软，板理发育，局部呈片理化带。岩体中断裂发育，层间挤压带和层面裂隙地带多，故在设计施工阶段，探测岩体地质状况，并判断岩性级别非常重要，为设计施工提供主要依据，并对岩体稳定性进行定量评价。
4.1 测孔布置及数据采集
按设计要求，隧洞围岩级别测试共划分为3个测区，分别为引水隧洞、厂房和坝址处，每个测区随机选取3～6个测点进行测试，采样间距0.5～1m，采用接收信号放大功能的10kHZ低频平面换能器，以得到较清晰的波形，见图3。
a. 隧洞平面换能器测试波形 b. 穿透声波法孔1和孔2跨孔测试波型
图3隧洞测试波形
一般岩性坚硬，风化微弱，结构面不发育，岩体完整性好则波速高、振幅大；反之，当岩性软弱，节理裂隙发育，风化强烈，岩体破碎则波速低，吸收衰减厉害，振幅小。应力增大，波速增高；反之，则降低。
4.2引水隧洞围岩分类
引水隧洞根据已有的勘察资料和设计资料，利用地质推断和作图等方法初步推测了一些定性指标及围岩的变化情况，引水发电洞围岩除进水口和沿线的主要冲沟段岩体属Ⅲ～Ⅳ类围岩外，其它地段洞室埋深较大，厚度在100～400m之间，隧洞均处于微风化～新鲜岩体中，属Ⅱ～Ⅲ类围岩，板岩由于岩体软弱，围岩变形较大，因此围岩分类时将微～新鲜岩体划分到Ⅲ类围岩中。围岩分类及岩体力学参数建议值见表1[4]，国外按比值和动泊松比协值对岩体分类情况见表2。
表1 围岩分类及岩体力学参数建议值
围岩
类别 岩体结构类型 纵波速度VP 岩石抗压强度Rb 岩体完整性系数
KV 变形
模量 抗剪断 弹性抗力系数K0 坚固
系数
f
f c
m/s MPa GPa Mpa MPa/cm
Ⅱ 完整层状 >4100 >80 >0.55
10
∫
15 1.1
∫
1.2 0.8
∫
0.9 70
∫
90 6
∫
8
Ⅲ 中厚层状 3000
∫
4000 40
∫
80 0.55
∫
0.30 5
∫
8 0.8
∫
0.9 0.0.6
∫
0.80 40
∫
50 3
∫
5
Ⅳ 层状
∫
碎裂 2000
∫
3000 >25 0.3
∫
0.17 2
∫
3 0.50
∫
0.60 0.30
∫
0.40 15
∫
20 ＜2
表2国外按Vp/Vs比值和动泊桑比岩体分类
动态参数比 比值范围 岩石质量好坏 围岩
类别
纵横波速比Vp/Vs 1.7～1.6 质量好 I、II
2.0～3.0 岩石质量变坏 III、IV
3.0～3.5 岩石质量较破碎 IV
3.5以上 岩石非常破碎 V
动泊松比 0.25～0.30 质量好 I、II
0.30～0.36 岩石质量变坏 III、IV
0.36～0,40 岩石相当坏 IV
0.40～0.43 岩石破碎并充水 V
4.3 资料的分析与处理
根据声波探测法的测试原理，对引水隧洞的4条引水支洞开挖段的所有岩层和厂房、坝址的岩体进行探测，对其中一部分探测资料进行整理分析[5]，并判断其岩性情况，整理结果见表3.