主厂房岩墙厚度43m的声波测试分析及研究

3.1　工程介绍

某特大型水电站引水系统地下洞室群布置复杂，在0.5 km2范围内布置有130多条大小洞室，引水发电系统围岩挖空率高；地下洞室群布设多条施工支洞，洞室相互纵横交错，立体交叉口很多，洞室与洞室之间的岩柱较薄；主厂房、主变室、尾水调压室开挖断面较大，边墙高，工程地质条件复杂。

本区岩石类别主要为砂岩、粉砂岩、泥板岩，泥板岩厚约15～20cm，洞室开挖时，交替出露，软硬不均。根据多组不同条件有限元分析和地质力学模型试验表明：主厂房洞室开挖后，围岩主应力一般小于10～15 MPa，平均量值为12～13 MPa，属中等量级，但拱座和洞壁转折处，局部应力集中系数高达2～2.5，其最大应力已接近围岩中泥板岩的单轴饱和抗压强度。

主厂房与主变室间岩墙厚仅43m，主厂房设计开挖长度398.9m，岩锚梁以上跨度30.7m，以下跨度28.9m，最大高度77.6m，分为11层开挖，岩锚梁在第Ⅱ层。岩锚梁是地下主厂房重要建筑物，岩锚梁混凝土浇筑后，由于厂房施工工期紧，其他部位开挖不能等岩锚梁混凝土龄期达到设计强度之后进行。为确保已浇筑的岩锚梁不受爆破开挖振动的影响，应满足质点振速vmax≤7cm/s。因此，决定选择在主厂房、主变室的顶拱（层）用声波跨孔法测试塑性区深度和进行爆破松动圈试验测试。

3.2　地下洞室围岩爆破开挖松动圈测定方法

（1）采用声波测试来测定爆破松动圈大小，声波测试是测定爆破松动圈大小的一种方法。

（2）本次爆破松动圈检测主要采用声波法跨孔测试。声波跨孔测试是把接收和发射换能器分别置于互相平行的一对钻孔中，用清水做耦合剂，同步提升或放下两换能器，逐点测读波在两孔间所传播的时间，根据下式计算波在岩体中的传播速度v：

式中　L——两孔间的距离，m；

　　　T、T0——波的传播时间、仪器系统的延迟时间，μs。

（3）测试仪器采用声波松动圈测试仪器，为RS-UT01C型智能声波测试仪，最小采样间隔为0.1μs，换能器为湘潭无线电厂生产的30k HZ增压式柱状单孔换能器和35 k HZ增压式柱状跨孔换能器。所用仪器设备均计量、率定合格。

3.3　洞室围岩爆破开挖松动圈判定标准

（1）基准波速的确定方法。

方法一：在地下洞室工程区的新鲜～微风化、弱透水性、地下水活动微弱的围岩中，声波波速一般在5000m/s以上，因此选取该声波波速为爆破前的基准波速，即在测试波速超过5000m/s的岩体内，可判断围岩没有受爆破破坏的影响，在测试控制范围内的岩体质量是好的。(www.xing528.com)

方法二：根据各组实测波速的分析和变化趋势及变化特点，可取孔深2.0m以下相对完整的岩体的平均波速作为爆破前的基准波速。

（2）根据《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（SL 47—1994）的要求，用波速方法判断爆破岩体质量破坏标准为同部位的爆后波速Cp2与爆前波速Cp1的变化率η=1-Cp2/Cp1，当η＞10%时，爆破破坏了岩体，使岩体的质量受影响；当η≤10%时，爆破是安全的，没有破坏岩体，岩体质量没有恶化，爆破对岩体质量的影响在标准范围之内，爆破开挖施工工艺是合理可取的。

（3）根据上述的判定标准，采用方法一、方法二的基准波速来代替爆前的波速，通过爆后围岩实测波速的数值，按照第（2）项η的爆前爆后的变化率来确定地下洞室围岩的爆破松动圈。

3.4　地下洞室围岩爆破开挖松动圈测点布置

地下洞室群围岩爆破开挖松动圈的测试主要选择在厂房和主变室的Ⅰ层，厂房采用先开挖上下游导洞、再开挖中隔墩的开挖施工程序，主变室采用先开挖中导洞，后扩挖两侧边墙的开挖施工程序。声波测试统计分析结果见表1。

表1　声波测试统计分析结果

（1）在主厂房桩号H L0+300～HL0+320的上游边墙（Ⅱ类围岩）测定一组；在主厂房桩号HR0+050～HR0+070的上游边墙（Ⅲ类围岩）、下游边墙（Ⅳ类围岩）各测定一组；在厂房桩号HR0+018～HR0+019的中隔墩（Ⅳ、Ⅴ类围岩）布置一组爆前爆后声波对比测试；厂房布置四组测试共12个孔，分别布设在Ⅱ～Ⅳ类围岩范围内。

（2）在主变室桩号H L0+151～H L0+153的下游边墙（Ⅱ类围岩）布置一组共3孔，测试在开挖试验爆破完成3 d后进行。

3.5　松动圈声波测试孔参数

（1）测试孔向下倾与水平夹角为7°～10°，严格按照孔斜造孔，避免钻孔穿过Ⅱ层开挖面，测试孔到洞室底板的垂直距离为170～200cm，孔深深入边墙一般为400～450cm，有效检测深度为3.7～4.0m。孔径55mm，每组3个测试孔，测试孔中心间距一般为100～150cm，为等边三角形布置见图2。

图2　主厂房、主变室边墙围岩松动圈测试孔布置图

（2）成孔后对测试孔进行清孔、洗孔，测试时需注满清水，测试完成后灌注砂浆进行封堵。