摘要：本文從圍巖監(jiān)測的重要性及原位模型洞圍巖觀測方面，介紹了洞室圍巖松弛帶的測試?yán)碚摷皽y試實(shí)例。測試結(jié)果很好的反映了巖體的地質(zhì)構(gòu)造情況及巖石的物理力學(xué)特征等。
　　關(guān)鍵詞：圍巖；松弛帶；應(yīng)力集中；觀測斷面；時(shí)間效應(yīng)
　　1.前言
　　隨著國家現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，水利水電、鐵道、交通、礦山、工業(yè)與民用建筑、國防等工程中，各種類型、不同用途的巖石工程日益增多。在工程建設(shè)的各階段（規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)和施工）中，正確地對巖體的質(zhì)量和穩(wěn)定性做出評價(jià)，具有十分重要的意義。質(zhì)量高、穩(wěn)定性好的巖體，不需要或只需要很少的加固支護(hù)措施，并且施工安全、簡便；質(zhì)量差、穩(wěn)定性不好的巖體，需要復(fù)雜、昂貴的加固支護(hù)等處理措施，常常在施工中帶來預(yù)想不到的復(fù)雜情況。正確、及時(shí)地對工程建設(shè)涉及到的巖體穩(wěn)定性做出評價(jià)，是經(jīng)濟(jì)合理地進(jìn)行巖體開挖和加固支護(hù)設(shè)計(jì)、快速安全施工，以及建筑物安全運(yùn)行必不可少的條件。
　　隨著地下工程施工技術(shù)的迅速發(fā)展，圍巖監(jiān)測已成為地下工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行的重要部分。在施工、運(yùn)行過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)為保證工程安全提供了科學(xué)依據(jù)，為修改設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工提供了可靠的資料，同時(shí)為提高地下工程建設(shè)的技術(shù)水平積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著反分析方法的出現(xiàn)，使以圍巖監(jiān)測信息為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計(jì)又前進(jìn)了一步，通過監(jiān)測手段采集到的現(xiàn)場巖體的各種信息(位移、應(yīng)力、應(yīng)變)，經(jīng)過反分析的逆運(yùn)算，可得到圍巖巖體的綜合力學(xué)特征參數(shù)和初始地應(yīng)力場等，還可進(jìn)行圍巖力學(xué)模型的判斷。可以逐步逼近圍巖巖體的真實(shí)形態(tài)，為設(shè)計(jì)提供了最可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。“在勘測、設(shè)計(jì)和施工階段即進(jìn)行監(jiān)測，采集資料，反饋到設(shè)計(jì)中去，據(jù)以指導(dǎo)和改進(jìn)設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)思想受到越來越多的巖土力學(xué)專家和設(shè)計(jì)研究者的一致認(rèn)可。對大型重要工程而言，在前期工作階段，結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行模型洞圍巖觀測和位移反分析，并以此進(jìn)行反饋設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想的反映。
　　原位模型洞圍巖觀測作為地下洞室信息化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是：量測數(shù)據(jù)多，代表性強(qiáng)，能反映地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力的力學(xué)性狀，并可評價(jià)地下洞室圍巖穩(wěn)定支護(hù)措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80年代以后設(shè)計(jì)建設(shè)的大型水電站地下廠房，大都進(jìn)行了模型洞觀測。
　　地下洞室開挖后，破壞了巖體原有的平衡條件，巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分配。一般情況下，在洞壁周邊的巖體將出現(xiàn)應(yīng)力釋放的松弛帶，這取決于巖體所處的地質(zhì)構(gòu)造情況，巖石的物理力學(xué)特征等，以及地下洞室在巖體中的部位、形狀、洞徑大小和施工方法。
　　劃定出巖體的松弛帶范圍和形狀，對巖體的開挖和加固支護(hù)設(shè)計(jì)、快速安全施工，起著一定的指導(dǎo)作用。
　　洞室松弛帶的地質(zhì)－物性特點(diǎn)：
　　(1)洞室在掘進(jìn)過程中容易形成洞壁巖面的松動，洞室形成后應(yīng)力又將重新分布，并在洞室圍巖表層產(chǎn)生應(yīng)力下降帶或應(yīng)力集中帶。
　　(2)洞壁圍巖一般存在三個(gè)區(qū)帶，即應(yīng)力下降帶、應(yīng)力上升帶和原巖應(yīng)力帶，這三個(gè)區(qū)帶具有明顯的或漸變的波速界面。
　　

　　2.測試方法與成果分析
　　2.1測定方法與技術(shù)
　　(1)主要在洞室橫斷面上布置風(fēng)鉆孔進(jìn)行聲波法測試，可采用單孔一發(fā)雙收換能器，也可采用雙孔發(fā)射－接收換能器。
　　(2)測試斷面的測孔布置，測孔數(shù)目及孔距應(yīng)視洞徑而定，一般為5孔(分頂孔、角孔、邊墻孔，對于大跨度、高邊墻的洞室可增加頂孔和邊墻孔)，測孔深度與洞徑和圍巖地質(zhì)情況有關(guān)，或按任務(wù)要求確定，孔深一般為3～5m（在洞徑2～3m時(shí)），應(yīng)以能夠反映原巖應(yīng)力為準(zhǔn)。
　　(3)當(dāng)洞壁圍巖的松動層與完整巖石(原巖)具有明顯的波速差別，可采用小相遇地震初至折射法作為輔助方法。
　　2.2成果分析
　　用聲波法測定松弛帶依據(jù)圍巖不同性質(zhì)的各帶具有不同的聲波速度層。應(yīng)力下降帶表現(xiàn)為相對的低速區(qū)(包括爆破和開挖引起的松弛)，應(yīng)力上升帶則為高速區(qū)。根據(jù)實(shí)測圍巖不同的波速層，可劃定松弛帶的范圍和形狀。
　　洞室圍巖松弛帶測定的波速隨鉆孔深度變化曲線，大致有以下幾種類型，如圖2所示：

        
　　（1）圖2（a）所示，可劃分出應(yīng)力上升帶和不受開挖影響的原始應(yīng)力帶。洞壁附近波速減低，反映了表層巖體松弛，隨著深度增加，出現(xiàn)了波速增高，這是洞室四周的應(yīng)力集中區(qū)，波速的增高表明該區(qū)巖體完整，應(yīng)力集中顯著。
　　（2）圖2（b）所示，當(dāng)洞徑較小且四周巖體完整堅(jiān)硬時(shí)，洞壁只有彈性形變，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，無松弛區(qū)。
　　（3）圖2（c）所示，洞壁松弛不明顯，各測點(diǎn)波速基本一致，波速較高，但總的波速接近于完整巖體的波速。
　　（4）圖2（d）所示，洞壁松弛，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在洞壁巖體較為破碎的洞室。
　　洞室松弛帶測定應(yīng)提交的主要圖件有波速隨孔深變化的Vp～L曲線，松弛圈斷面波速曲線展示圖及松弛厚度分布圖。
　　3.工程實(shí)例
　　3.1.工程概況
　　張河灣抽水蓄能電站位于河北省井陘縣測魚鎮(zhèn)甘陶河干流上，距石家莊市直線距離53km，電站安裝四臺單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1000MW，接入冀南電網(wǎng)，擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及附屬洞室等組成。
　　電站利用未完建的張河灣水庫擴(kuò)建為下水庫。在大壩上游1.2km左岸老爺廟臺坪圍筑成上水庫。地下廠房位于蒲峪溝上游第四個(gè)山梁處的山體內(nèi)，上覆巖體厚度116～173m左右，廠房縱軸線方向選定為NE40°。
　　地下廠房洞室主要有主、副廠房、主變室、母線洞、電纜洞、交通洞、排風(fēng)兼安全洞及排水廊道等，主、副廠房與主變室間的巖墻厚度為43.4m。
　　模型試驗(yàn)洞斷面為城門洞型，尺寸為：長104.5m，洞寬4.00m，洞高6.0m。模型洞觀測段具體布置見地下廠房模型試驗(yàn)洞觀測設(shè)計(jì)平面布置圖（圖3）。
　　模型試驗(yàn)洞分主觀測段和次觀測段，主觀測段縱軸線方向?yàn)镹W40°,末端與主變室西北端相接與廠房軸線平行，上覆巖體厚度124～104m；次觀測段縱軸線方向NW310°，位于主廠房西北端的外側(cè),與廠軸線垂直，上覆巖體厚度104～92m；兩觀測段呈90°連接。
　　3.1.1開挖施工模擬
　　模型洞開挖施工模擬，包括分層開挖模擬和控制爆破模擬，鑒于洞室?guī)r性為含角礫安山巖，巖石新鮮堅(jiān)硬，不進(jìn)行分層開挖模擬，僅進(jìn)行控制爆破模擬，但實(shí)際開挖洞室時(shí)由于施工條件限制，模型洞分兩層開挖，每層高度均為3m左右。下層始終留有4m左右的巖臺，以便于施工。上、下層的開挖進(jìn)尺在開挖觀測段時(shí)為1m；在開挖非觀測段時(shí)，掌子面距觀測孔斷面8m以上時(shí)為1.5～2m。
　　此外，目前通常進(jìn)行的模型洞觀測設(shè)計(jì)及成果不能進(jìn)行真正的三維有限元分析計(jì)算，故采用將模型洞分為二段(主觀測段、次觀測段)，并形成一定夾角(90°)，以便進(jìn)行三維位移反分析。
　　
　　

　　
　　圖3地下廠房模型試驗(yàn)洞觀測設(shè)計(jì)平面布置圖
　　3.1.2觀測項(xiàng)目及觀測斷面設(shè)計(jì)
　　模型洞觀測項(xiàng)目有：①收斂觀測；②鉆孔多點(diǎn)位移觀測；③錨桿應(yīng)力觀測；④聲波測孔；⑤錨桿抗拔實(shí)驗(yàn)。觀測斷面分為系統(tǒng)觀測斷面和收斂觀測斷面；系統(tǒng)觀測斷面觀測項(xiàng)目：S1、S8觀測斷面包括上述①一④項(xiàng)觀測項(xiàng)目，S4、S3’觀測斷面包括上述①②④觀測項(xiàng)目。
　　3.2圍巖松動范圍確定
　　本工程測定圍巖松動范圍的方法主要采用鉆孔聲波測試和地震波“CT”測試，根據(jù)測點(diǎn)波速與孔深(孔間距)的變化規(guī)律，結(jié)合工程巖體的實(shí)際情況，對巖體破壞松動情況進(jìn)行分析，確定圍巖松動范圍、評價(jià)圍巖穩(wěn)定性。
　　鉆孔聲波測試分單孔聲波測試和孔間聲波對穿測試。邊墻部位孔傾斜誤差應(yīng)控制在孔深的2％以內(nèi)。
　　3.2.1單孔聲波測試成果分析
　　單孔聲波測試的接收裝置使用工程物探室專門為項(xiàng)目研制的四換能器可逆式聲波探頭。四個(gè)換能器作為發(fā)射和接收可任意互換，增加了有效測試段長度。測試時(shí)，首先將探頭置于孔底，以0.2m測點(diǎn)間距由孔底向孔口逐點(diǎn)施測。
　　將儀器野外采集的原始波形轉(zhuǎn)換存儲到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中利用專門的分析處理軟件進(jìn)行濾波和讀取各測點(diǎn)的兩道間縱、橫波旅行時(shí)，得到相應(yīng)各點(diǎn)巖體縱、橫波速度，最終繪制出各孔巖體波速～孔深關(guān)系曲線。（見圖4）

　　在Sl、S3'、S4、S8四個(gè)觀測斷面上各進(jìn)行四個(gè)孔單孔聲波測式。由波速～孔深曲線上可看出，單孔聲波測試獲得的巖體縱波速度一般在6.0km/s以上，橫波速度一般在3.3km/s以上，由于測試時(shí)距開挖爆破時(shí)間不長，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使巖體縱、橫波速增高，最高可達(dá)7.4km/s。從曲線形態(tài)和波速變化可劃分洞室開挖爆破后洞室圍巖松動、松馳范圍，表1為洞室圍巖松動、松弛范圍測試成果表。從表中可見，由于開挖爆破引起的圍巖松動，松弛范圍一般為0.5～1.5m。
　　表1洞室圍巖松動、松弛范圍測試成果表
　　觀測
　　斷面 孔號 測試孔深(m) 松弛范圍(m) 孔號 測試孔深(m) 松弛范圍(m)
　　      輻洞 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 － 不明顯
　　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斷面上的SB4—4(在輔洞中測試)、SB4—2和SB4—5(在輔洞中測試)在不同時(shí)間分別測試2次和3次，通過波速變化對比，分析洞室開控爆破對圍巖的影響。（見圖5、圖6）
　　孔號：SB4－4（圖5）。
　　孔徑：Ф75mm；孔斜：下傾2°；測試孔深：11.2m。
　　第一次測試時(shí)間：1999年8月28日；距開挖掌子面（模型洞）距離－9.0m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.4m。
　　第二次測試時(shí)間：1999年9月8日；距開挖掌子面（模型洞）距離0.5m；洞室圍巖松動、松弛范圍：0.9m（輔洞）、3.5m（主洞）。
　　第三次測試時(shí)間：1999年10月5日；距開挖掌子面（模型洞）距離：18.9m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.9m（輔洞）、1.0m（主洞）。
　　圖中非常清晰地顯示了隨著模型洞的開挖巖體的應(yīng)力變化情況。
　　
　　
　　孔號：SB4－2（圖6）
　　孔徑：Ф75mm；孔斜：下傾12°；測試孔深：12.8m。
　　第一次測試時(shí)間：1999年9月8日；距開挖掌子面距離：0.5m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.1m。
　　第二次測試時(shí)間：1999年10月5日；距開挖掌子面距離：12.7m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.5m。
　　圖中可見，在鉆孔7m深處，巖體速度變化較大，7m以下處巖體的彈性波速度較7m以上處的巖體彈性波速度降低許多。這與彈性波“CT”測試成果吻合的非常好。表明此處的巖體裂隙較發(fā)育。
　　
　　
　　3.2.2孔間聲波對穿成果分析
　　S4斷面上除進(jìn)行單孔聲波測試外，還在SB4－4、SB4－5兩孔間，SB4－2和SB4－2’兩孔間進(jìn)行了兩次聲波對穿測試。
　　SB4－2和SB4－2’孔間聲波對穿成果見圖7；兩孔間距9.85m。在洞室開挖爆破后共進(jìn)行兩次測試。
　　第一次測試時(shí)間是1999年10月10日，SB4－2孔距開挖掌子面18.9m；
　　第二次測試時(shí)間是1999年10月18日，SB4－2孔距開挖掌子面24m。
　　從兩次測試結(jié)果看，除第一次測試時(shí)孔口至孔深0.7m波速稍低外，其余均高于6000m/s。單考慮波速因素，巖體類別屬于Ⅰ類。
　　3.2.4地震波“CT”成果分析
　　S4斷面上除進(jìn)行單孔聲波測試、聲波對穿測試外，還在SB4－2和SB4－2’兩孔間進(jìn)行了地震波“CT”測試工作。
　　資料分析、解釋時(shí)，首先讀取縱波初至?xí)r間，建立數(shù)據(jù)文件；再利用專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到兩孔間巖體波速圖，以不同顏色表示波速區(qū)間，形成波速色譜圖（見圖8）。由圖中可以看出，測試范圍內(nèi)兩孔間巖體波速大多在6100m/s以上，只有局部巖體波速在5900m/s～6100m/s之間（如SB4－2孔孔底部位和SB4－2’孔附近孔深4.0～5.7m部位），這是由于巖體發(fā)育裂隙所致，但以波速值劃分巖體類別仍屬Ⅰ類圍巖。成果圖中上、下邊緣部位波速（低、高）異常帶，并非巖體物性真實(shí)反映，為邊界效應(yīng)所致。
　　4.結(jié)束語
　　不管是在施工前期的原位模型洞圍巖觀測中，還是在地下工程的建設(shè)過程中，一般都要進(jìn)行洞室圍巖的松弛帶測定，以確定當(dāng)時(shí)的真實(shí)圍巖巖體狀態(tài)，鉆孔聲波測試是解決此問題的一種很好的手段。但幾乎都忽略了圍巖收斂變形的時(shí)間效應(yīng)問題。而在圍巖穩(wěn)定的長期監(jiān)測中，只考慮了位移監(jiān)測的手段，忽視了測試巖體波速的監(jiān)測手段。而巖體波速在圍巖收斂變形的時(shí)間效應(yīng)方面的反映也是非常直觀的。
　　參考文獻(xiàn)：《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010－2005)水利電力出版社2005《張河灣抽水蓄能電站地下廠房模型試驗(yàn)洞圍巖觀測試驗(yàn)研究報(bào)告》國家電力公司北京勘測設(shè)計(jì)研究院2000.2