声波探测技术在公路勘察中应用

刘 江1   赵勇刚2

（2002年煤田地质与可持续发展研究发表）

（1、陕西省煤田地质局物探测量队，陕西 西安 7100042、西安市鸿儒岩土科技开发有限公司陕西 西安 710080）

摘要：本文介绍了超声波探测技术的原理、测试方法以及在公路（隧道、桥址区）勘察中的应用效果，并归纳了不同岩性、不同风化程度、不同破碎程度岩石的波速值范围。

关键词：声波；公路勘察；波速测试

1.前言

   随着科学技术的不断发展，超声波探测技术的应用范围不断扩大， 其在公路勘察中的应用日益增多，也日益受到工程勘察界的睛睐。该方法主要通过测井以探测岩体、岩样的弹性波速度，从而了解拟建隧道处断层附近的破碎带及裂隙发育程度；同时可对岩体进行完整性及风化程度分类并提供围岩相关的动力学参数，为隧道围岩类别划分、风化程度和完整性评价提供定量指标，为隧道和桥梁的设计提供可靠的物性参数。
    本文着重介绍超声波探测技术在高速公路大桥桥址和高速公路的隧道处的应用。

2.方法原理

    超声波探测技术是利用人工激发产生的超声波研究该波在岩体内的传播规律的一种技术。常采用带波形显示功能的超声波检测仪和频率为20∽250kHz声波换能器，测量超声波在岩石中的传播速度、首波振幅和接收信号频谱等声学参数，并根据这些参数及其相对变化，判断岩石的风化及物理性能，以及岩体内结构状态、应力大小、弹性参数及岩体物理力学性质等。
    新鲜完整的岩石波速较高，风化岩石波速较低，风化越严重，波速就越低。这是由于风化作用使岩石中的结构面增加，且原有的矿物分解成次生的亲水矿物，矿物或岩屑颗粒之间的连结状态，也由原来的结晶连结或胶结连结转化为水胶连结，较为松散，从而使声波传播时间增长，波速降低，而吸收衰减增大，波幅大大缩小，波在风化岩石中的穿透能力也大为减弱。

3.检测方法

    超声波探测技术的测试方法分为孔内岩体测试和岩样测试。

    孔内岩体测试：采用专用的一发（射）双（接）收单孔观测系统，配有由一个发射换能器及两个接收换能器组合而成的测井探头，以水为耦合介质测定岩体纵波速度（Vp）（或用干孔换能器测定Vp）。
    岩样测试：在柱状岩样的两端或直径方向上放置纵波和横波发射换能器及接收换能器，测定岩样的纵波波速和横波波速（Vp，Vs），不同大小的岩样可使用不同型号的夹心式换能器。

4、常用各类岩石的波速特征（见上表1）。

表1测区岩石波速范围值一览表

5.工程实例

5.1山西省某大桥的声波测试

    该大桥的桥址区地层为沉积岩，岩性以灰岩为主，区内溶洞、断裂破碎带发育。所以查明桥址区地层的岩石风化、破碎情况对于桥址勘察设计尤为重要。
    岩石以破碎、极破碎为主，岩石的风化程度多为弱风化或强风化。钻孔内岩性以灰岩为主。从波速测试结果及计算分析可以得知该钻孔在79m、87m、123m、138m等位置附近，波速值波动较大，显示有溶洞或断层破碎带存在（测试结果及分析结果见图1）。并根据测试结果计算出岩石的动力学参数，为大桥的设计提供了依据。

图1仁义河大桥ZK1钻孔波速测试曲线及分析结果

5.2山区公路隧道的声波测试

    该测区位于秦岭腹地，山势陡峻。区段内地层分属秦岭地层区南秦岭分区和扬子地层区。由于区内断裂发育，地质构造复杂，演化历史漫长，新生代以来又是新构造运动活跃的地区。主要研究区内分布的几条较大断裂对拟建的高速公路隧道影响程度。
    1、青龙垭隧道ZK7号钻孔深270m，岩石以安山岩构造片岩、碎裂岩、糜棱岩为主，从测试结果及计算分析得知：岩石波速变化较大，说明了岩石的风化程度、破碎程度变化较大。59m以上波速在1600～2000 m/s之间，为全风化、极破碎的构造片岩，59m～103m波速在2900～3300 m/s之间，为弱风化、较破碎的安山岩，103m以下波速在1700～2400 m/s之间，为强风化、破碎的安山岩、碎裂岩，说明该钻孔103m以下为断裂破碎带之特征（测试结果及分析结果见图2）。

图2青龙垭隧道ZK7号钻孔波速测试曲线及分析结果

    2、朱家垭隧道ZK3号钻孔深215m，以云母石英片岩为主，从测试结果及计算得知：岩石波速波动较小，68.5m以上波速在2200～2500 m/s之间，为强风化的云母石英片岩，岩石较破碎；68.5m以下波速在4300～5100 m/s之间，为弱风化云母石英片岩，岩石较完整（测试结果及分析结果见图3）。基本不受断层的影响。

图3朱家垭隧道ZK3号钻孔波速测试曲线及分析结果

6.结论

    1、用超声波探测技术能够进行岩石的纵波波速、横波波速的测定，并根据测试结果和实验室岩样测试数据，能够评价所测岩体的风化程度和岩体完整性程度,其成果较为可靠。

    2、所测钻孔的波速曲线图基本反映了该区地层的风化程度及岩体破碎情况，可以为设计提供较为可靠的物性参数，是一种值得推广的测试方法。

参考文献：

〔1〕陈成宗.工程岩体声波探测技术〔M〕.北京：中国铁道出版社，1990

〔2〕GB50021-2001.岩土工程勘察规范〔S〕

第一作者简介：刘江(1968年08月--)，男， 1991年毕业于西安地质学院物探系，硕士学位 ，高级工程师，主要从事工程物探的野外施工、资料处理和资料解释工作。