CN113466944A - 一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高地应力环境下隧道软岩变形段落查找围岩能干层的地球物理方法，包括：S11、在施工隧道的掌子面上施做水平钻孔；S12、将超声波仪器探头放至钻孔的孔底，钻孔内用水管注满水；S13、将超声波仪器探头从钻孔内保持匀速移出，边移动边发射并接收超声波；S14、根据超声波仪器探头接收到的两张波列图，计算波速值，将整个孔内的波速值连线即形成速度曲线；S15、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，再换算至隧道施工的里程上；通过地球物理方法中的波速与围岩坚硬程度的相关关系，对软弱围岩中的能干层进行划分，尤其适用于与隧道轴线方向大角度相交的层状介质，快速查找、划分地层中的能干层。

Description

一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法

技术领域

本发明涉及高地应力环境下围岩能干层的查找技术领域，特别涉及一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法。

背景技术

隧道开挖前岩石处于三轴应力平衡状态，在高地应力环境下，当隧道开挖后因形成临空面，围岩出现卸荷现象导致应力重新分布以达到新的平衡。在应力重新分布的过程中，高地应力环境下的硬岩隧道易发生岩爆现象，而软岩隧道施工过程中则围岩易发生变形，有的表现出变形大，有的则表现为大变形，其中尤其在大变形段落隧道初期支护易出现挤压变形发生破坏。上述的围岩大变形和岩爆是围岩变形的两种极端状态，两者之间还有中间状态。由于中间状态对隧道开挖影响不大，所以工程界只作为正常的围岩支护对待。

在相同的地质背景下，软岩不易积聚地应力，而硬岩容易积聚地应力；完整性好的岩体容易积聚地应力，而完整性差的岩体不易积聚地应力。能干层即为变形软岩中的相对硬岩，在高地应力环境下，是地应力的主要受力骨架，能干层的刚度和屈服强度明显区别于周围岩层。

目前，高地应力软岩变形隧道中还未开展有效查找能干层的工作，对高地应力软岩变形隧道中能干层查找的研究也较少，由于能干层位于地层中，不能直观地观察到，对于准确查找其位置并了解清楚其空间分布情况，具有较大的难度，而在实际施工的过程中，现阶段还没有有效的方法来确定能干层位置及其分布情况。因能干层是变形软岩中的相对硬岩，在地球物理方法中，硬岩相对软岩的波速较高，故可通过弹性波波速差异对能干层进行划分，施工过程中通过查找、划分地层中的能干层，可对隧道支护参数进一步进行优化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的不能在隧道施工中对高地应力软岩变形隧道进行能干层的查找的不足，提供一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，该方法基于物探方法，应用弹性波波速差异的原理，能够查找、划分地层中的能干层，对隧道优化支护参数提供有力依据。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其包括以下步骤：

S11、在施工隧道的掌子面上施做水平钻孔，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态；

S12、将一发双收的超声波仪器探头放至钻孔的孔底，钻孔内用水管注满清水，作为超声波传播的耦合介质；

S13、将超声波仪器探头从钻孔内保持匀速移出，直至超声波仪器探头的发射传感器移出钻孔，移动中，通过一发双收的超声波仪器探头向软岩变形段落发射并接收超声波；

S14、根据超声波仪器探头接收到的两张波列图，选取两张列波图上波形的初至波，确定起跳点时间，通过两张列波图上起跳时间的时间差和超声波仪器探头的两个接收传感器的间距，计算波速值，将整个孔内的波速值连线即形成速度曲线；

S15、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度。

通过施水平钻孔，并在钻孔内插入超声波仪器探头进行测试，应用弹性波波速差异的原理，利用能干层与周围软岩对超声波的传播特性不同，在速度曲线上找到能干层对应的位置；能够在隧道施工中，准确对能干层进行定位，得到能干层的分布情况，解决了一直以来不能解决的技术问题，填补了高地应力环境下隧道施工软弱围岩中查找能干层的技术空白，进一步拓展了物探技术的应用领域。

在本发明较佳的实施例中，上述超声波仪器探头呈杆状，且具有相互间隔设置的：一个发射传感器和两个接收传感器，在钻孔中，发射传感器位于两个接收传感器的外侧；能够方便超声波仪器探头插入到钻孔内，通过一发双收的采集方式，使用单孔即可测试出能干层的位置和宽度，方便对能干层进行快速定位，测试效率高。

在本发明较佳的实施例中，上述步骤S11-S15中，对单个钻孔进行测试，测试时，钻孔位于掌子面的中心部位，选取折射波为有效波进行采集；单个钻孔测试时，接收到的超声波信号初至波波速是通过围岩传播过来的折射波波速，此时的波速与围岩强度息息相关，通过折射波能够有效反映围岩强度，准确找出能干层。

在本发明较佳的实施例中，上述步骤S11-S15中，对多个钻孔进行测试，选取折射波或透射波为有效波进行采集，分别通过对应钻孔的速度曲线来划分能干层，确定能干层的空间展布情况；进一步地，钻孔为三个，三个钻孔呈等腰三角形；多个钻孔测试时，需要测试透射波在地层中穿过每对钻孔之间的间距进行传播的情况，此时的波速与地质剖面信息相关，通过透射波能够有效反映围岩强度，准确找出能干层。

在本发明较佳的实施例中，上述步骤S11-S15中，需要确定能干层的空间展布情况时，通过步骤S11施钻多个水平钻孔，实施S12-S15，对多个水平钻孔分别进行测试，还包括以下步骤：

S16、将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况。

通过一发双收的超声波仪器探头分别对多个水平钻孔逐一进行测试，能够得到每个钻孔对应的能干层分布深度位置和厚度的数据，转换到三维空间，便可得到能干层在三维空间中的展布，实现了对能干层空间分布的确定，更直观了解能干层的空间信息。

在本发明较佳的实施例中，上述步骤S11-S15中，对多个钻孔进行测试时，采用多个钻孔两两组合的方式进行测试，具体包括以下步骤：

S21、在施工隧道的掌子面上施做多个水平钻孔，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态；

S22、将多个水平钻孔两两进行组合，形成多对钻孔，测量每对钻孔之间的围岩净距；

S23、采用单发和单收的超声波仪器探头，在每对钻孔中，一个钻孔中放置发射传感器的探头，另一个钻孔中放置接收传感器的探头，钻孔内用水管注满水，作为超声波传播的耦合介质；

S24、将两个超声波仪器探头从一对钻孔内保持同步且匀速移出，直至超声波仪器探头的发射传感器和接收传感器移出钻孔，移动中，通过发射传感器的探头向软岩变形段落发射超声波，并通过接收传感器的探头接收超声波；

S25、根据接收到透射波直达波初至的起跳点时间和两个钻孔的围岩净距，计算出每个测量位置处的波速值，将其连线形成速度曲线；

S26、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度。

S27、重复步骤S23-S26，直至测试完每对钻孔，将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况。

通过对多个钻孔进行测试，能够知道每个钻孔对应的能干层信息，更加详细对空间上的分布进行计算和确定，增加了查找的准确性，更加全面地了解能干层的空间展布情况。

在本发明较佳的实施例中，上述钻孔数量≥3个，多个钻孔的位置分布，使多个钻孔确定一个平面；为查明能干层的空间展布情况，钻孔数量至少需要三孔，通过多个钻孔，覆盖更大的区域，便于准确划分出能干层的展布情况。

在本发明较佳的实施例中，上述超声波仪器探头采用超声波换能器；进一步地，超声波仪器探头采用分离式径向换能器；通过分离式径向换能器，提供一个用于发射的超声波仪器探头和一个用于接收的超声波仪器探头，能够向多方向发射超声波信号，而只接收某一方向的超声波信号。

在本发明较佳的实施例中，上述钻孔，采用现有隧道施工的超前地质预报工作中已施钻的水平钻孔代替；利用现有的已实施的水平钻孔，节约了施工时间和施工成本。

在本发明较佳的实施例中，上述超声波仪器探头的发射信号能量衰减程度与每对钻孔之间的净距呈正比，每对钻孔之间的净距小于4米；考虑到目前仪器设备的信号发射功率，通过钻孔净距的设置，保证超声波信号能够正常穿透，使得接收的超声波信号较为明显，增强测试的有效性。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、在隧道施工中对高地应力软岩变形隧道进行能干层的查找，单孔测试能够快速普查是否存在能干层；通过查找、划分地层中的能干层，对隧道支护参数优化提供有力依据；

2、能够查找出高地应力软岩变形隧道地层中能干层的位置、宽度、产状；

3、多孔测试能够探明高地应力软岩变形隧道地层中能干层的三维空间展布情况，掌握能干层的地质情况，为施工人员的工作提供技术保障；

4、填补了高地应力隧道施工环境下软弱围岩中查找能干层的技术空白，拓展了物探技术的应用领域。

附图说明：

图1为本发明实施例1的单孔测试的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法示意图；

图2为本发明实施例1的超声波仪器探头的示意图；

图3为本发明实施例1的单孔测试的速度曲线示意图；

图4为本发明实施例3的多孔测试的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法示意图；

图5为本发明实施例3的隧道中掌子面上的多钻孔分布示意图；

图6为本发明实施例3的超声波仪器探头在两个钻孔中的使用示意图；

图中标记：1-超声波仪器探头；11-接收传感器；12-发射传感器；1#、2#、3#，分别为钻孔的标号。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其包括以下步骤：

S11、在施工隧道的掌子面上施做一水平钻孔，作为测试孔，该钻孔位于掌子面中心处，呈圆柱形腔体状，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态，检查有无塌孔，清孔是否彻底，探头移动能否顺畅，确保钻孔的孔壁稳定、钻孔的孔道畅通，这样能保证不塌孔，超声波仪器探头1能安装进去，确保钻孔的质量不会对测试质量造成影响，测试孔检查合格后方可开展后续的测试工作；掌子面的钻孔，也可采用现有隧道施工的超前地质预报工作中已施钻的水平钻孔代替，因目前隧道施工均将超前地质预报工作纳入施工工序进行管理，有的隧道已经在掌子面施钻有水平钻孔，能干层查找可充分利用超前地质预报工作中的水平钻孔开展工作，孔数、孔位、孔深、孔径、外插角等参数与超前预报水平钻孔可保持一致，在超前预报工作中设计没有钻孔的，则需另外施做钻孔作为测试孔，利用现有的已实施的水平钻孔，可节约施工时间和施工成本。

S12、采用一发双收的超声波仪器探头1，请参照图2，该超声波仪器探头1为超声波换能器，一发双收是指该仪器具有一个超声波发射传感器12和两个超声波接收传感器11，且该三个传感器相互间隔，超声波仪器探头1的第一端用于插入至钻孔内，在距第一端10cm、30cm处分别为超声波接收传感器11，而距第一端50cm处为超声波发射传感器12，该设置为厂家生产时提供的超声波仪器探头1的探头参数；在钻孔中，发射传感器12位于两个接收传感器11的外侧；测试前对超声波仪器探头1设置采集参数，检查各探头之间的间距是否正确，将超声波仪器探头1的测试点距(可设置5cm、10cm、15cm等)设置好，该设置和检查为本领域的常规设置，再将一发双收的超声波仪器探头1放至钻孔的孔底，用隧道施工配置的水管向钻孔内注满清水，利用清水作为超声波传播的耦合介质，由于超声波在水中的传播速度，比超声波在围岩中的传播速度较低；该超声波仪器探头1呈杆状，能够方便超声波仪器探头1插入到钻孔内，通过一发双收，使用单孔即可测试出能干层的位置和宽度，方便对能干层进行快速普查，宏观定位，测试效率高。

S13、将超声波仪器探头1从钻孔内向孔口方向保持匀速移出，直至超声波仪器探头1的发射传感器12移出钻孔，移动中，边移动边采集数据，通过一发双收的超声波仪器探头1向软岩变形段落发射并接收超声波，选取折射波为有效波进行采集接收；匀速移动，是通过测量轮控制的，当孔深范围全部测量完成后停止，孔深范围为超声波仪器探头1的第一端至发射传感器12之间的距离，即发射传感器12移出钻孔结束测量，测量轮是人工拉线，轮子计数，计数的信息进入测量轮的主机，测量时，超声波仪器探头1的另一端部连接有线，该线是放入测量轮的卡槽上压住，由于测量轮半径是固定的，测量轮带动线进行移动的时候，测量轮的线速度和线的移动速度一致，使得超声波仪器探头1能够匀速移动，所以测量轮的轮子转一圈是多少距离，测量轮能够自动识别，直至测量轮识别到发射传感器12的位置移出钻孔，停止测量；整个测量过程中，观察波形初至波是否清晰，待全孔数据采集完毕保存数据即可，发射传感器12移出钻孔时，整个钻孔内全部测完则停止；需要指出的是，数据测量轮和超声波仪器探头1采集的参数一旦确定，在整个采集过程中应保持同样的参数进行，不得中途改变采集参数的设置。

S14、根据超声波仪器探头1接收到的两张波列图，选取两张列波图上波形初至波，确定起跳点时间，通过两张列波图上起跳时间的时间差和超声波仪器探头1的两个接收传感器11的间距，上述时间差可从波列图上读取，由于超声波仪器探头1的厂家生产时已经确定了距离参数，可查看上述间距，再计算波速值，然后将整个孔内的波速值连线即形成速度曲线，曲线的纵坐标为速度值，横坐标为钻孔深度值；采用一发双收的超声波仪器探头1进行测试，其波速计算如公式(1)所示：

△V＝△S/△T (1)

上式中，△S为一发双收的超声波仪器探头1的发射传感器12到两个接收传感器11之间的距离差，本次测试的设备发射传感器12在距离超声波仪器探头1第一端50cm处，接收传感器11分别在距离上述第一端10cm和30cm处，故该处的△S为固定值20cm(探头类型一旦确定，该距离则为固定值)；

△T为波列图中，同一组发射信号上两个接收传感器11之间的初至波时间差；

△V为固定的探头距离下，对应波形初至波的波速。

由于超声波在水中的波速较低，围岩中的超声波波速较水的高，而围岩中，根据其岩性的不同，波速差异比较大，而在同一岩性和隧道埋深下，波速围绕一个固定值上下波动；单孔测试时，接收到的超声波信号初至波波速，是通过围岩传播的折射波波速，波速与围岩强度相关，通过折射波能够有效反映围岩强度，可用该波速对软岩中的相对硬岩进行划分，波速曲线上，波速相对较高的部分，即对应为软岩中的相对硬岩位置，即能干层的位置分布，根据此来确定能干层的深度及厚度信息；应用弹性波波速差异的原理，利用能干层与周围软岩对超声波的传播特性不同，在速度曲线上准确找到能干层对应的位置；

S15、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，突然增加是指速度曲线上，速度在短时间内急剧增加，加速度变大，反映在图上速度曲线的斜率陡然增大，曲线上，表示速度的点的位置随横坐标时间的增加，突然升高到某一纵坐标的高度，速度增加到较高水平后上下波动，请参照图3中虚线方框中的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置的能干层深度及厚度的信息换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度；测试时，隧道掌子面(开挖面)为DK2+300，钻孔30米深，对应的钻孔终孔里程为DK2+330，本实施例测得发现测距点的10-15米处为能干层的位置，即其为5米的厚度，那么换算到隧道施工里程就是DK2+310-315，相当于DK2+300，这个是隧道的施工里程，是个绝对值，我们测量的能干层位置在掌子面前面多少米是个相对值。单孔测试效率高，采用单孔测试，可用于软岩隧道中的能干层的宏观普查，但通过单孔测试仅能反映钻孔某一深度位置上的能干层宽度(即相对硬岩的厚度)，所以，单孔测试，无法查明能干层的空间展布情况，仅能用于判断是否存在能干层、存在位置，以及大致的宽度。

实施例2

本实施例与实施例1采用了相同的原理，也采用了相似的步骤，不同之处在于：本实施例为多孔测量，在隧道的掌子面施钻有多个水平钻孔。

实施例2采用了步骤S11-S15，整个步骤中，其为多孔测量的方式，采用对多个钻孔分别进行单孔测试，通过步骤S11施钻多个水平钻孔，也可采用超前预报工作中的多个钻孔，多孔时，因确定一个平面至少需要三点，所以想要查明能干层的空间展布情况，钻孔数量至少需要三孔，多个钻孔的位置分布，使多个钻孔确定一个平面，为查明能干层的空间展布情况，通过多个钻孔，覆盖更大的区域，便于准确划分出能干层的展布情况，本实施例采用三孔，且该三个钻孔位于等腰三角形的三个顶点处，也三个钻孔连线也可形成其他三角形状。

实施步骤S12-S15，采用一发双收的超声波仪器探头对多个水平钻孔分别进行测试，而测试时，选取折射波为有效波进行采集，分别通过对应钻孔的速度曲线来划分能干层；本实施例的三个钻孔的连线呈等腰三角形，三个钻孔测试时，确定能干层的空间展布情况。

实施例2通过步骤S11-S15进行测试后，还需要进行步骤S16：

S16、将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况；多个钻孔的数据，也为单孔测试的数据，其仅能反映测试钻孔周边的地质信息，而将多个钻孔对应的信息进行结合，可得到地质剖面信息，准确划分出面状能干层在隧道地下空间的三维空间展布情况。通过一发双收的超声波仪器探头1分别对三个水平钻孔逐一进行测试，能够得到每个钻孔对应的能干层分布深度位置和厚度的数据，转换到三维空间，便可得到能干层在三维空间中的展布，实现了对能干层空间分布的确定，更直观了解能干层的空间信息。

实施例3

请参照图4，本实施例在实施例2的基础上进行了改进，与实施例2的不同之处在于，本实施例采用了单发单收的超声波仪器探头1，本实施例采用多个钻孔两两组合的方式进行测试，对步骤S11-S16进行了改进，具体包括以下步骤：

S21、在施工隧道的掌子面上施做多个水平钻孔，请参照图5，钻有三个钻孔，分别标为1#、2#和3#，三个钻孔位于等边三角形的三个顶点处，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态，确保钻孔的孔壁稳定、钻孔的孔道顺畅；同样的，钻孔数量≥3个，多个钻孔的位置分布，使多个钻孔确定一个平面，为查明能干层的空间展布情况，钻孔数量至少需要三孔，通过多个钻孔，覆盖更大的区域，便于准确划分出能干层的展布情况。

S22、将多个水平钻孔两两进行组合，如1#-2#、2#-3#、3#-1#这样两两组合，形成三对钻孔，测量每对钻孔之间的围岩净距，围岩净距是指每对水平钻孔之间的间距，而使用中是指每对钻孔中两个超声波仪器探头1之间的围岩的厚度，可使用卷尺测量每对钻孔之间的围岩净距，测量精确到厘米，以便超声波波速的准确求取；应当注意的是，如果钻孔深度较大，钻孔可能不是水平的，即钻孔带有一定的外插角，那么，还需要对钻孔进行测斜，来确定钻孔的最终端部位置，以便于设置准确的钻孔间净距；

S23、采用单发和单收的超声波仪器探头1，在每对钻孔中放置，请参照图6，该超声波仪器探头1是连接到测量轮的主机的，两个超声波仪器探头1分别通过接线连接至主机，该接线通过测量轮的主机后连接到超声波仪器主体，或直接将超声波仪器主体或固定在主机上，在每对钻孔中，一个钻孔中放置带有发射传感器12的超声波仪器探头1，另一个钻孔中放置另一带有接收传感器11的超声波仪器探头1，放置的位置使得该两个超声波仪器探头1的发射传感器12和另一超声波仪器探头1的接收传感器11位于两个钻孔内的同一深度位置，该超声波仪器1采用分离式径向换能器，通过分离式径向换能器，提供一个用于发射的超声波仪器探头11和一个用于接收的超声波仪器探头11，能够向多方向发射超声波信号，而只接收某一方向的超声波信号；放置后，钻孔内用水管注满清水，作为超声波传播的耦合介质；超声波仪器探头1的发射信号能量衰减程度与每对钻孔之间的净距呈正比，每对钻孔之间的净距小于4米，发射信号能量衰减程度是和发射信号的振幅有一定关系的，而发射信号的振幅大小体现在接收的接收传感器11接收到的图像上，每对钻孔之间的净距越大，发射信号振幅越小，能量衰减程度越大；考虑到目前仪器设备的信号发射功率，通过钻孔净距的设置，保证超声波信号能够正常穿透，使得接收的超声波信号较为明显，增强测试的有效性。

S24、将两个超声波仪器探头1从一对钻孔内保持同步且匀速移出，直至超声波仪器探头1的发射传感器12和接收传感器11移出钻孔，由于两个超声波仪器探头1是同步移出的，这样上述发射传感器12和接收传感器11也是同步移出一对钻孔的，移动中，通过一个超声波仪器探头1的发射传感器12向软岩变形段落发射超声波，并通过另一个超声波仪器探头1的接收传感器11接收超声波，接收时，采集透射波为有效波，形成超声波在地层的剖面数据，需要测试透射波在地层中穿过每对钻孔之间的间距进行传播的情况，此时的波速与地质剖面信息相关，通过透射波能够有效反映围岩强度，准确找出能干层分布情况；同时，移动中，保持每对钻孔中超声波仪器探头1的发射传感器12和接收传感器11均位于同一深度位置，测试过程中，保持各探头的相对位置不变，同样的超声波仪器探头1如实施例1中一样，通过线与测量轮固定，通过测量轮同步移动超声波仪器探头1，直至整个钻孔内的数据采集完成。

S25、根据接收到透射波直达波初至的起跳点时间和两个钻孔的围岩净距，计算出每个测量位置处(即测量点)的波速值，将各测量点的波速值连线形成速度曲线，当采用三孔测试时，分别计算出三对钻孔的剖面速度曲线，钻孔间的剖面速度曲线；多孔探测时采用透射波为有效波，其每对钻孔中某一深度位置的波速计算公式(2)为：

V＝S/T (2)

其中，S为对应每对钻孔的某一深度位置处的两钻孔之间的围岩净距；T为一个超声波仪器探头1的发射传感器12发射的信号，到达另一超声波仪器探头1的接收传感器11所用的旅行时间；V为孔对某一深度位置处的围岩超声波波速。

S26、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度，上述换算方法在实施例1中已进行了说明；

S27、重复步骤S23-S26，直至测试完每对钻孔，完成所有对钻孔的测试，将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，再将能干层位置和宽度的信息表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况。

通过对多个钻孔进行测试，能够知道每个钻孔对应的能干层信息，更加详细对空间上的分布进行计算和确定，增加了查找的准确性，更加全面地了解能干层的空间展布情况。

本发明的方法，尤其适用于与隧道轴线方向大角度相交的层状介质中能干层的查找，能够充分利用地球物理方法中波速测试手段，填补了高地应力环境下隧道施工软弱围岩中查找能干层的技术空白，通过波速曲线，对能干层进行划分，利于对能干层的快速查找，进一步拓展了物探技术的应用领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11、在施工隧道的掌子面上施做水平钻孔，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态；

S12、将一发双收的超声波仪器探头放至钻孔的孔底，钻孔内用水管注满水，作为超声波传播的耦合介质；

S13、将超声波仪器探头从钻孔内保持匀速移出，直至超声波仪器探头的发射传感器移出钻孔，移动中，通过一发双收的超声波仪器探头向软岩变形段落发射并接收超声波；

S14、根据超声波仪器探头接收到的两张波列图，选取两张列波图上波形的初至波，确定起跳点时间，通过两张列波图上起跳时间的时间差和超声波仪器探头的两个接收传感器的间距，计算波速值，将整个孔内的波速值连线即形成速度曲线；

S15、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度。

2.根据权利要求1所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述超声波仪器探头呈杆状，且具有相互间隔设置的：一个发射传感器和两个接收传感器，在钻孔中，所述发射传感器位于两个接收传感器的外侧。

3.根据权利要求2所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述S11-S15中，对单个钻孔进行测试，选取折射波为有效波进行采集。

4.根据权利要求1所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述S11-S15中，对多个钻孔进行测试，选取折射波或透射波为有效波进行采集，分别通过对应钻孔的速度曲线来划分能干层，确定能干层的空间展布情况。

5.根据权利要求4所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，需要确定能干层的空间展布情况时，通过步骤S11施钻多个水平钻孔，实施S12-S15，对多个水平钻孔分别进行测试，还包括以下步骤：

S16、将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况。

6.根据权利要求1所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，对多个钻孔进行测试时，采用多个钻孔两两组合的方式进行测试，具体包括以下步骤：

S21、在施工隧道的掌子面上施做多个水平钻孔，钻孔完毕做清孔处理，对钻孔质量进行检查，使钻孔处于畅通状态；

S22、将多个水平钻孔两两进行组合，形成多对钻孔，测量每对钻孔之间的围岩净距；

S23、采用单发和单收的超声波仪器探头，在每对钻孔中，一个钻孔中放置发射传感器的探头，另一个钻孔中放置接收传感器的探头，钻孔内用水管注满水，作为超声波传播的耦合介质；

S24、将两个超声波仪器探头从一对钻孔内保持同步且匀速移出，直至超声波仪器探头的发射传感器和接收传感器移出钻孔，移动中，通过发射传感器探的头向软岩变形段落发射超声波，并通过接收传感器的探头接收超声波；

S25、根据接收到透射波直达波初至的起跳点时间和两个钻孔的围岩净距，计算出每个测量位置处的波速值，将其连线形成速度曲线；

S26、选取速度曲线上波速相对于其他区段突然增加的部分，即为能干层对应的曲线部分，通过钻孔的孔深相对位置换算至隧道施工的里程上，即可得到沿隧道里程方向上的能干层位置和能干层宽度；

S27、重复步骤S23-S26，直至测试完每对钻孔，将每个钻孔对应测得的能干层位置和能干层宽度的信息，表示在三维空间上，即可得到能干层的三维空间展布情况。

7.根据权利要求5或6所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述钻孔数量≥3个，多个所述钻孔的位置分布，使多个钻孔确定一个平面。

8.根据权利要求1-6任一所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述超声波仪器探头采用超声波换能器。

9.根据权利要求1-6任一所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述钻孔，采用现有隧道施工的超前地质预报工作中已施钻的水平钻孔代替。

10.根据权利要求6所述的隧道软岩变形段落查找能干层的地球物理方法，其特征在于，所述超声波仪器探头的发射信号能量衰减程度与每对钻孔之间的净距呈正比，每对钻孔之间的净距小于4米。

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