洞室松弛带的测定
关键词：围岩；松弛带；应力集中；观测断面；时间效应
1.前言
随着国家现代化建设事业的发展，水利水电、铁道、交通、矿山、工业与民用建筑、国防等工程中，各种类型、不同用途的岩石工程日益增多。在工程建设的各阶段（规划、勘察、设计和施工）中，正确地对岩体的质量和稳定性做出评价，具有十分重要的意义。质量高、稳定性好的岩体，不需要或只需要很少的加固支护措施，并且施工安全、简便；质量差、稳定性不好的岩体，需要复杂、昂贵的加固支护等处理措施，常常在施工中带来预想不到的复杂情况。正确、及时地对工程建设涉及到的岩体稳定性做出评价，是经济合理地进行岩体开挖和加固支护设计、快速安全施工，以及建筑物安全运行必不可少的条件。
随着地下工程施工技术的迅速发展，围岩监测已成为地下工程设计、施工、运行的重要部分。在施工、运行过程中，监测数据为保证工程安全提供了科学依据，为修改设计、指导施工提供了可靠的资料，同时为提高地下工程建设的技术水平积累了丰富的经验。随着反分析方法的出现，使以围岩监测信息为基础的监控设计又前进了一步，通过监测手段采集到的现场岩体的各种信息(位移、应力、应变)，经过反分析的逆运算，可得到围岩岩体的综合力学特征参数和初始地应力场等，还可进行围岩力学模型的判断。可以逐步逼近围岩岩体的真实形态，为设计提供了最可靠的设计依据。“在勘测、设计和施工阶段即进行监测，采集资料，反馈到设计中去，据以指导和改进设计”的设计思想受到越来越多的岩土力学专家和设计研究者的一致认可。对大型重要工程而言，在前期工作阶段，结合工程实际，进行模型洞围岩观测和位移反分析，并以此进行反馈设计，是现代设计思想的反映。
原位模型洞围岩观测作为地下洞室信息化设计的基础，其优点是：量测数据多，代表性强，能反映地质构造、地应力的力学性状，并可评价地下洞室围岩稳定支护措施。据统计，80年代以后设计建设的大型水电站地下厂房，大都进行了模型洞观测。
地下洞室开挖后，破坏了岩体原有的平衡条件，岩体内的应力重新分配。一般情况下，在洞壁周边的岩体将出现应力释放的松弛带，这取决于岩体所处的地质构造情况，岩石的物理力学特征等，以及地下洞室在岩体中的部位、形状、洞径大小和施工方法。
划定出岩体的松弛带范围和形状，对岩体的开挖和加固支护设计、快速安全施工，起着一定的指导作用。
洞室松弛带的地质－物性特点：
(1)洞室在掘进过程中容易形成洞壁岩面的松动，洞室形成后应力又将重新分布，并在洞室围岩表层产生应力下降带或应力集中带。
(2)洞壁围岩一般存在三个区带，即应力下降带、应力上升带和原岩应力带，这三个区带具有明显的或渐变的波速界面。
2.测试方法与成果分析
2.1测定方法与技术
(1)主要在洞室横断面上布置风钻孔进行声波法测试，可采用单孔一发双收换能器，也可采用双孔发射－接收换能器。
(2)测试断面的测孔布置，测孔数目及孔距应视洞径而定，一般为5孔(分顶孔、角孔、边墙孔，对于大跨度、高边墙的洞室可增加顶孔和边墙孔)，测孔深度与洞径和围岩地质情况有关，或按任务要求确定，孔深一般为3～5m（在洞径2～3m时），应以能够反映原岩应力为准。
(3)当洞壁围岩的松动层与完整岩石(原岩)具有明显的波速差别，可采用小相遇地震初至折射法作为辅助方法。
2.2成果分析
用声波法测定松弛带依据围岩不同性质的各带具有不同的声波速度层。应力下降带表现为相对的低速区(包括爆破和开挖引起的松弛)，应力上升带则为高速区。根据实测围岩不同的波速层，可划定松弛带的范围和形状。
洞室围岩松弛带测定的波速随钻孔深度变化曲线，大致有以下几种类型，如图2所示：
（1）图2（a）所示，可划分出应力上升带和不受开挖影响的原始应力带。洞壁附近波速减低，反映了表层岩体松弛，随着深度增加，出现了波速增高，这是洞室四周的应力集中区，波速的增高表明该区岩体完整，应力集中显著。
（2）图2（b）所示，当洞径较小且四周岩体完整坚硬时，洞壁只有弹性形变，出现应力集中现象，无松弛区。
（3）图2（c）所示，洞壁松弛不明显，各测点波速基本一致，波速较高，但总的波速接近于完整岩体的波速。
（4）图2（d）所示，洞壁松弛，应力集中现象不明显，这种现象常出现在洞壁岩体较为破碎的洞室。
洞室松弛带测定应提交的主要图件有波速随孔深变化的Vp～L曲线，松弛圈断面波速曲线展示图及松弛厚度分布图。
3.工程实例
3.1.工程概况
张河湾抽水蓄能电站位于河北省井陉县测鱼镇甘陶河干流上，距石家庄市直线距离53km，电站安装四台单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量为1000MW，接入冀南电网，担任调峰、填谷、调相和事故备用等任务。电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及附属洞室等组成。
电站利用未完建的张河湾水库扩建为下水库。在大坝上游1.2km左岸老爷庙台坪围筑成上水库。地下厂房位于蒲峪沟上游第四个山梁处的山体内，上覆岩体厚度116～173m左右，厂房纵轴线方向选定为NE40°。
地下厂房洞室主要有主、副厂房、主变室、母线洞、电缆洞、交通洞、排风兼安全洞及排水廊道等，主、副厂房与主变室间的岩墙厚度为43.4m。
模型试验洞断面为城门洞型，尺寸为：长104.5m，洞宽4.00m，洞高6.0m。模型洞观测段具体布置见地下厂房模型试验洞观测设计平面布置图（图3）。
模型试验洞分主观测段和次观测段，主观测段纵轴线方向为NW40°,末端与主变室西北端相接与厂房轴线平行，上覆岩体厚度124～104m；次观测段纵轴线方向NW310°，位于主厂房西北端的外侧,与厂轴线垂直，上覆岩体厚度104～92m；两观测段呈90°连接。
3.1.1开挖施工模拟
模型洞开挖施工模拟，包括分层开挖模拟和控制爆破模拟，鉴于洞室岩性为含角砾安山岩，岩石新鲜坚硬，不进行分层开挖模拟，仅进行控制爆破模拟，但实际开挖洞室时由于施工条件限制，模型洞分两层开挖，每层高度均为3m左右。下层始终留有4m左右的岩台，以便于施工。上、下层的开挖进尺在开挖观测段时为1m；在开挖非观测段时，掌子面距观测孔断面8m以上时为1.5～2m。
此外，目前通常进行的模型洞观测设计及成果不能进行真正的三维有限元分析计算，故采用将模型洞分为二段(主观测段、次观测段)，并形成一定夹角(90°)，以便进行三维位移反分析。
图3地下厂房模型试验洞观测设计平面布置图
3.1.2观测项目及观测断面设计
模型洞观测项目有：①收敛观测；②钻孔多点位移观测；③锚杆应力观测；④声波测孔；⑤锚杆抗拔实验。观测断面分为系统观测断面和收敛观测断面；系统观测断面观测项目：S1、S8观测断面包括上述①一④项观测项目，S4、S3’观测断面包括上述①②④观测项目。
3.2围岩松动范围确定
本工程测定围岩松动范围的方法主要采用钻孔声波测试和地震波“CT”测试，根据测点波速与孔深(孔间距)的变化规律，结合工程岩体的实际情况，对岩体破坏松动情况进行分析，确定围岩松动范围、评价围岩稳定性。
钻孔声波测试分单孔声波测试和孔间声波对穿测试。边墙部位孔倾斜误差应控制在孔深的2％以内。
3.2.1单孔声波测试成果分析
单孔声波测试的接收装置使用工程物探室专门为项目研制的四换能器可逆式声波探头。四个换能器作为发射和接收可任意互换，增加了有效测试段长度。测试时，首先将探头置于孔底，以0.2m测点间距由孔底向孔口逐点施测。
将仪器野外采集的原始波形转换存储到计算机中，在计算机中利用专门的分析处理软件进行滤波和读取各测点的两道间纵、横波旅行时，得到相应各点岩体纵、横波速度，最终绘制出各孔岩体波速～孔深关系曲线。（见图4）
在Sl、S3'、S4、S8四个观测断面上各进行四个孔单孔声波测式。由波速～孔深曲线上可看出，单孔声波测试获得的岩体纵波速度一般在6.0km/s以上，横波速度一般在3.3km/s以上，由于测试时距开挖爆破时间不长，局部产生应力集中，从而使岩体纵、横波速增高，最高可达7.4km/s。从曲线形态和波速变化可划分洞室开挖爆破后洞室围岩松动、松驰范围，表1为洞室围岩松动、松弛范围测试成果表。从表中可见，由于开挖爆破引起的围岩松动，松弛范围一般为0.5～1.5m。
表1洞室围岩松动、松弛范围测试成果表
观测
断面 孔号 测试孔深(m) 松弛范围(m) 孔号 测试孔深(m) 松弛范围(m)
辐洞 主洞
S1 SB1－2 5.8 0.9 SB1－4 5.8 － 0.5
SB1－1 6.2 0.9 SB1－5 5.8 － 0.6
S3’ SB3－2’ 5.9 1.0 SB3－4’ 5.4 － 0.4
SB3－1’ 5.2 0.7 SB3－5’ 5.2 － 不明显
S4 SB4－2 12.8 1.1(第一次) SB4－4 11.2 1.4(第一次) 0.0(第一次)
1.5(第二次) 0.9(第二次) 3.5(第二次)
1.9(第三次) 1.0(第三次)
SB4－1 5.8 0.5 SB4－5 11.8 1.1(第一次) 0.0(第一次)
1.1(第二次) 0.4(第二次)
S8 SB8－2 5.8 0.2 SB8－4 5.6 － 0.9
SB8－1 6.0 1.1 SB8－5 6.0 － 1.3
在S4断面上的SB4—4(在辅洞中测试)、SB4—2和SB4—5(在辅洞中测试)在不同时间分别测试2次和3次，通过波速变化对比，分析洞室开控爆破对围岩的影响。（见图5、图6）
孔号：SB4－4（图5）。
孔径：Ф75mm；孔斜：下倾2°；测试孔深：11.2m。
第一次测试时间：1999年8月28日；距开挖掌子面（模型洞）距离－9.0m；洞室围岩松动、松弛范围：1.4m。
第二次测试时间：1999年9月8日；距开挖掌子面（模型洞）距离0.5m；洞室围岩松动、松弛范围：0.9m（辅洞）、3.5m（主洞）。
第三次测试时间：1999年10月5日；距开挖掌子面（模型洞）距离：18.9m；洞室围岩松动、松弛范围：1.9m（辅洞）、1.0m（主洞）。
图中非常清晰地显示了随着模型洞的开挖岩体的应力变化情况。
孔号：SB4－2（图6）
孔径：Ф75mm；孔斜：下倾12°；测试孔深：12.8m。
第一次测试时间：1999年9月8日；距开挖掌子面距离：0.5m；洞室围岩松动、松弛范围：1.1m。
第二次测试时间：1999年10月5日；距开挖掌子面距离：12.7m；洞室围岩松动、松弛范围：1.5m。
图中可见，在钻孔7m深处，岩体速度变化较大，7m以下处岩体的弹性波速度较7m以上处的岩体弹性波速度降低许多。这与弹性波“CT”测试成果吻合的非常好。表明此处的岩体裂隙较发育。
3.2.2孔间声波对穿成果分析
S4断面上除进行单孔声波测试外，还在SB4－4、SB4－5两孔间，SB4－2和SB4－2’两孔间进行了两次声波对穿测试。
SB4－2和SB4－2’孔间声波对穿成果见图7；两孔间距9.85m。在洞室开挖爆破后共进行两次测试。
第一次测试时间是1999年10月10日，SB4－2孔距开挖掌子面18.9m；
第二次测试时间是1999年10月18日，SB4－2孔距开挖掌子面24m。
从两次测试结果看，除第一次测试时孔口至孔深0.7m波速稍低外，其余均高于6000m/s。单考虑波速因素，岩体类别属于Ⅰ类。
3.2.4地震波“CT”成果分析
S4断面上除进行单孔声波测试、声波对穿测试外，还在SB4－2和SB4－2’两孔间进行了地震波“CT”测试工作。
资料分析、解释时，首先读取纵波初至时间，建立数据文件；再利用专门软件进行数据处理得到两孔间岩体波速图，以不同颜色表示波速区间，形成波速色谱图（见图8）。由图中可以看出，测试范围内两孔间岩体波速大多在6100m/s以上，只有局部岩体波速在5900m/s～6100m/s之间（如SB4－2孔孔底部位和SB4－2’孔附近孔深4.0～5.7m部位），这是由于岩体发育裂隙所致，但以波速值划分岩体类别仍属Ⅰ类围岩。成果图中上、下边缘部位波速（低、高）异常带，并非岩体物性真实反映，为边界效应所致。
4.结束语
不管是在施工前期的原位模型洞围岩观测中，还是在地下工程的建设过程中，一般都要进行洞室围岩的松弛带测定，以确定当时的真实围岩岩体状态，钻孔声波测试是解决此问题的一种很好的手段。但几乎都忽略了围岩收敛变形的时间效应问题。而在围岩稳定的长期监测中，只考虑了位移监测的手段，忽视了测试岩体波速的监测手段。而岩体波速在围岩收敛变形的时间效应方面的反映也是非常直观的。
参考文献：《水电水利工程物探规程》(DL/T5010－2005)水利电力出版社2005《张河湾抽水蓄能电站地下厂房模型试验洞围岩观测试验研究报告》国家电力公司北京勘测设计研究院2000.2
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