宗绪，郭超，陈正林，张劼超

(中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

0 引言

我国从20 世纪60 年代末开始研究岩体声波测试技术，该技术是以声波在岩体中的传播特性与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定声波在岩体中的传播特性参数为评价岩体力学性质提供依据。经过几十年的努力，声波测试技术无论从硬件还是软件方面都得到了前所未有的发展，广泛应用于岩体力学与工程的许多领域。

国内外学者对声波测试技术进行了大量的研究与应用。罗周全等[1]详述了现场实施岩石裂隙声波测试的全过程，通过对测试结果进行分析，预测了爆破振动影响下采场裂隙发展情况。于维刚等[2]提出了更快捷、更经济的声波法测试技术，通过在青岛胶州湾海底隧道应用，验证了声波法隧道围岩松动圈探测技术应用的可能性和可靠性。简文彬等[3]对坝址区进行钻孔岩体声波波速测试，得到的测试结果为解决坝址稳定及渗漏问题提供了重要的依据。彭柏兴等[4]通过测定岩体的纵波速度，对长沙地区红层软岩建立了红层岩体声波速度与其强度的相关方程。孙国清[5]利用原位声波测试法对新集一矿F10 断层的力学性质进行测试，利用弹性波两点时差法，获得了对应的动弹模量、体积模量、剪切模量。杨静熙等[6]在锦屏一级水电站工程岩体中进行对穿、单孔声波测试，确定了单孔声波波速和对穿声波波速之间的定量关系。许波涛等[7]对某核电站核岛地基岩体采用了室内岩块声波测试、现场孔内声波测试、地震波单孔检层法及跨孔法测试，得到了不同测试方法下的岩体纵波及横波速度，确定了岩体动力参数。West 等[8]开发出了适用于小直径钻孔的声波测试仪器，并基于钻孔里实测的声波波速推导出了确定岩石强度的方法。Minaeian 等[9]从不同的坝址得到软砾岩，测出岩样的纵波波速、施密特锤回弹值、单轴抗压强度，运用多元回归的方法得到了声波和其力学参数之间的关系。

本文采用岩体声波测试技术对五老峰隧道的工程岩体进行钻孔，并开展一发双收超声波检测，研究结果可为五老峰隧道的岩体稳定性评价提供相关的依据。

1 工程概况

五老峰特长隧道位于建水县至元阳段高速公路于苟街互通和与龙岔互通之间，隧道为双线分离式隧道，左线(Z3K22+675至Z3K31+015)长8340 m；右线(K22+715 至K31+070)长8355 m。从初勘地质资料来看，洞口段以砂质泥岩、泥质砂岩为主，洞身段以砂岩、灰岩和花岗岩为主，出口段以花岗岩为主；隧道出口乡村道路较窄且急弯较多，施工条件相对较差。轴线高程为1435～2425 m，相对高差为990 m。隧道穿过的山体植被茂盛，隧洞轴线与地层走向呈斜交。

2 一发双收钻孔声波检测技术

2.1 基本原理

声波测试技术的理论基础是弹性波在弹性介质中的传播。当外部作用于无限弹性介质时，会产生往不同方向传播的弹性波，波动方程就是描述弹性波在介质中的传播规律。在现场工程中，将岩体视为各向同性的连续弹性介质，且声波在岩体中遵循弹性波传播规律。岩体内部纵波波速、横波波速的传播方程如下：

式中，vp为纵波波速；vs为横波波速；ρ为岩体密度；λ、G为拉梅常数。

横、纵波传播速度也可表示为：

式中，E为岩体弹性模量；μ为岩体泊松比。

钻孔声波测试技术中应用最为广泛的是波速测试，现场基于钻孔的声波测试技术主要有跨孔声波测试法以及单孔声波测试法。其中单孔声波测试法中的一发双收钻孔声波测试法可消除耦合剂水的影响。如图1 所示，该测试设备由一个发射换能器、两个接收换能器组成，发射换能器和接收换能器以及两个接收换能器之间的距离均被固定。

图1 一发双收单孔声波测试法

设vw、vk分别为声波在耦合剂水及钻孔围岩体的传播速度，可知vk大于vw，由费马尔原理可知声波在两点之间的传播路径为用时最少的路径，因此从发射换能器中发出的声波信号ABCD以及ABEF的路径先后被两个接收换能器接收，如图2 所示。

图2 一发双收换能器测试原理

声波信号由发射换能器发出，经ABCD的传播路径到达第一个接收换能器的时间t1为：

经ABEF到达第二个接收换能器的时间t2为：

认为声波在被测岩体和耦合剂水之间的折射角相等，故AB=CD=EF，则两个接收换能器接收到声波信号的声差Δt为：

式中，L为两个接收换能器之间的距离，声差Δt可由声波测试仪得出，从而可以根据式（5）计算出钻孔围岩体的纵波波速vk的大小。由此可以看出采用一发双收换能器可以消除耦合剂水所产生的系统误差，得到被测岩体的真实纵波波速。故本次现场实验采用一发双收单孔声波测试法。

2.2 现场试验

本次测试孔采用的钻头分别为130 mm 的实心钻头及130 mm 的取芯钻头，测试孔钻设完毕后，将测试孔注满清水后进行声波测试，本次现场钻孔声波测试试验采用的测试仪器为ZBL-U520 非金属超声波检测仪及HS-B3GP100 一发双收换能器。

在现场进行检测时，为了便于迅速找到首波及得到清晰、完整、稳定的声波波形，需要对ZBL-U520 非金属超声波检测仪的采集参数进行调试，根据现场实际情况本次测试所用的采集参数见表1。

表1 非金属超声波检测仪采集参数指标

所有参数设置完成后，将一发双收换能器的发射接口与声波测试仪的发射端口相接，换能器的接收口1 与接收口2 分别与声波测试仪的通道1、通道2 相连，连接完成后，打开测试仪的电源，选择一发双收测井功能模块，人工将一发双收换能器缓慢放置于钻孔的底端作为第一个声波测点的位置，按下采样键，此时声波检测仪会自动对接收的声波信号进行调整，显示屏的波形区上将会显示出两个通道的动态波形，遇到波形无法通过仪器自动调整的情况，则需人工通过相应的按键进行手动调整，使得首波清晰完整地出现在显示屏的波形区上。手动调整按键，使得声时自动判读线准确位于首波的起点后，幅度自动判读线准确位于首波的波峰或波谷后，按下存储键，输入第一个测点位置。输入完成后，仪器将自动保存第一个测点的测试数据，重复上述的操作进行下一测点的测试，直到所有测点测试完毕。之后需将一发双收换能器人工匀速地下放至第一个测点的位置，重新采集并调整波形，按复测键，参照上述方法对所有测点进行复测，复测完成后再次按采样键停止采样，则完成了所有钻孔孔的声波测试。

2.3 现场波速数据处理

在现场测试时，人工很难保证每次测试时均能使一发双收换能器向上匀速提升和整个测试过程中换能器始终位于钻孔中心，加之在现场测试孔测试声波时偶有隧道出渣车经过，现场环境复杂。而超声波又属于频率高、能量小的弹性波，故测试的结果容易受到无法消除的人为及现场测试环境的影响而出现异值点。为了尽量减少试验误差，提高数据的可靠性，本次现场试验分别在不同日期测试孔进行了3 次测试，导出数据后，去除异常的波速值点，取每个测点波速的平均值作为各个测点的波速值。测试孔的波速检测结果见表2。

表2 五老峰隧道钻孔声波波速测试结果

由表2 可知，该隧道岩层的纵波平均波速为4456 m/s，最小波速为3306 m/s，最大波速为5209 m/s。

3 室内试验

隧道测试孔主要岩石单元为花岗岩，本次仅对花岗岩进行取样，采用ZBL-U520 非金属超声波检测仪及纵波换能器对12 个花岗岩样品进行纵波波速测试，并对其进行单轴抗压强度测试。其测试结果见表3。

表3 花岗岩室内试验结果

由表3 可知，试验岩样的平均波速为5030 m/s，最小波速为4306 m/s，最大波速为6435 m/s。岩石平均单轴抗压强度为161 MPa，属硬质岩石。

根据岩体完整性指数公式：

式中，vmp为岩体纵波波速；vrp为岩块纵波波速。代入现场测得的岩体平均纵波波速vmp=4456 m/s 和室内试验测得的岩块平均纵波波速vrp=5030 m/s，计算得到KV=0.78＞0.75。参照GB/T 50518—2014，可知其岩体完整性等级为完整，该隧道岩体基本质量等级为I 级。

4 结语

本文介绍了一发双收钻孔声波测试的基本原理和方法，并以五老峰隧道为研究背景，在隧道测试孔里进行了一发双收钻孔声波测试，其研究结果可为该隧道岩体的稳定性评价提供依据。声波探测技术虽在工程建设中得到很大发展，但由于其传播机制较复杂及其实测值离散性较大，其成果的分析、解释有时不够理想，给广泛应用带来一定的困难，还有待进一步实践和探讨。