高地應力區大型地下洞室邊墻松動圈動態分析研究

趙海斌，付建軍，周江平

（1.中國水電顧問集團中南勘察設計研究院，長沙 410014；2.二灘水電開發有限責任公司，成都 610051）

高地應力區大型地下洞室邊墻松動圈動態分析研究

趙海斌1，付建軍1，周江平2

（1.中國水電顧問集團中南勘察設計研究院，長沙 410014；2.二灘水電開發有限責任公司，成都 610051）

松動圈是地下洞室支護成敗的關鍵，松動圈與開挖深度、圍巖巖性、時間等因素有關，它實際是一個動態變化過程。首先闡述了聲波法在松動圈動態分析中的適用性，并采用聲波法對某大型地下廠房上游邊墻松動圈進行了測試分析，繪制了開挖深度、巖體波速、時間、空間位置與松動圈的相互關系曲線，通過對上述關系曲線的分析，獲得了松動圈的變化分布規律，提出了相應的工程措施。其分析方法為類似工程提供了借鑒及指導意義。

松動圈；開挖深度；動態變化；聲波法

1 概 述

地下洞室開挖后圍巖應力和位移變化過程是判斷支護外荷載的基礎，是支護設計的理論基礎［1－4］。松動圈支護理論是基于地下洞室周邊圍巖介質的物理力學狀態研究而發展的常用支護設計方法之一。地下洞室松動圈范圍是與圍巖力學性質、斷面尺寸、施工支護手段及時間等因素相關的，它是一個動態變化過程［5－9］。

傳統的松動圈范圍分析方法主要集中在圓形洞室及靜態分析兩方面［1，3］，它對于大型水電站地下廠房、地下主變室等可能很難滿足現場工程需要。究其原因有以下幾點：①大型地下洞室斷面尺寸不再是圓形，高寬比可能達到3∶1；②大型地下洞室開挖后圍巖應力轉移規律、物理力學性質隨時間變化而變化，而這種變化必然導致松動圈變化；③大型地下洞室由于開挖尺寸較大，所處圍巖賦存環境復雜、局部地區可能穿越斷層、軟弱互存巖體，導致了松動圈范圍的不確定性；④大型地下洞室工程安全等級一般較高，即對松動圈動態分析相對較高，采用原位測試法可能更直觀、準確方便穩定分析。因此，本文研究思路為：以某水電站地下廠房上游側高邊墻為依托工程，采用聲波測試法［5－8］分析其松動圈隨時間、開挖高度等變化規律，為后續支護設計奠定基礎。

2 單孔聲波測試方法及原理

單孔法聲波測試是將裝有發射與接受換能器的一發雙收探頭放入充滿耦合介質的測試孔中，由聲波儀給發射換能器指令發射出聲波，聲波通過耦合介質傳入巖體中，在巖體傳播一段距離后，再通過耦合介質傳入接收換能器，由2個接收換能器之間的接收時間差（t1－t2），以及接收換能器之間的距離ΔL，就可得到巖體的聲波速度Vp，進而可以判斷松動圈范圍。聲波法測試示意見圖1。聲波速度按下式求解，

圖1 單孔聲波測試示意圖Fig.1 Sonic wave testing in single hole

3 某大型地下洞室上游側高邊墻松動圈動態分析研究

3.1 工程概況

某水電站引水發電系統主要建筑物由地下廠房、主變室、尾水調壓室組成，3大洞室平行布置，水平埋深約110～300 m，垂直埋深約180～350 m。地應力現場測試地下廠區最大主應力σ1＝20～35.7 MPa，σ2＝10～20 MPa，σ3＝4～12 MPa，屬高地應力區，其賦存巖性為厚層角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體、厚層狀大理巖、中－厚層狀條帶狀大理巖夾少量綠片巖條帶，巖體新鮮，完整－較完整，以厚層－塊狀結構為主，少量為薄－中厚層狀結構，巖層產狀N40°～60°E，NW∠15°～35°。區域內受f13、f14、f18斷層及煌斑巖脈X節理裂隙切割、構造面裂隙水和巖溶裂隙水等不良地質條件影響。

其中主廠房長、寬、高約為200 m×26 m×70 m，頂拱相對標高為0 m。主廠房分10步開挖，頂拱開挖相對時間從t＝0時刻開始（后續圖表時間都以此時間為基點），相對高程見圖2。為了研究支護進行中及完成后的洞室圍巖松弛范圍變化趨勢，通過采用單孔法聲波測試對地下廠房上游側高邊墻進行了測試，聲波法測試點布置見圖3。 3.2 聲波測試結果及分析

圖2 地下廠房開挖時序表Fig.2 Schedu le of the excavation of underground powerhouse

圖3 聲波法測試孔布置圖Fig.3 Arrangement of the test holes

本工程聲波測試結果主要包括以下幾種曲線：不同時刻聲波原始測速曲線（圖4），測試孔波速、時間與松動圈范圍變化關系曲線（圖5、圖6），開挖深度與松動圈變化關系曲線（圖7、圖8），同一深度不同時刻橫斷面松動圈范圍變化關系曲線（圖9至圖12），同一縱斷面處不同開挖深度松動圈變化關系曲線（圖13至圖14）。

3.2.1 測試孔波速測試曲線分析

測試孔波速結果圖4表明：地下洞室開挖后，表層巖體將出現明顯的松動，松動范圍內巖體波速普遍將比非松動區巖體波速低。通過對波速曲線分析，發現地下洞室周邊圍巖破壞過程是由外及里的過程，直觀獲得了松動區與穩定區的邊界線，即獲得松動區范圍。

圖4 測試孔CF10.1＋61S與CF10.1＋124S波速測試曲線Fig.4 Results of wave velocity testing in hole CF10.1＋61S and hole CF10.1＋124S

3.2.2 測試孔松動圈與波速、時間關系分析

測試孔松動圈與波速、開挖時間關系如圖5、圖6表明：隨著時間的推移，0～5 m平均波速下降速度最快，5～10 m平均波速相對下降較緩，10～20 m平均波速下降最緩，即表明地下廠房上游側邊墻松動圈隨時間推移不斷增加。因此，為了保證整個施工期及運營期洞室穩定，建議設計、施工、維護階段應適當考慮松動圈的時間效應。

圖5 測試孔CF10.1＋61S松動圈與波速、開挖時間關系Fig.5 Relationships of the loose zone w ith wave velocity and excavation time in hole CF10.1＋61S

圖6 測試孔CF26.1＋157S松動圈與波速、開挖時間關系Fig.6 Relationships of the loose zone w ith wave velocity and excavation time in hole CF26.1＋157S

3.2.3 測試孔松動圈與開挖深度關系分析

測試孔松動圈與開挖深度、時間關系如圖7、圖8表明：隨著開挖深度的增加，松動圈范圍呈現逐漸增加的趨勢，即松動圈隨開挖深度增加而增加，因此，為減少開挖深度對松動圈的影響，建議施工方嚴禁超挖，及時支護。

圖7 測試孔CF18.1＋093S松動圈與開挖深度關系Fig.7 Relationship between the loose zone and the excavation depth in hole CF18.1＋093S

圖8 測試孔CF18.1＋029S松動圈與開挖深度關系Fig.8 Relationship between the loose zone and excavation depth in hole CF18.1＋029S

3.2.4 同一深度不同時刻橫斷面處松動圈分析

同一深度不同時刻橫斷面處松動圈測試結果如圖9、圖10、圖11、圖12結果表明：深度10.1 m處橫斷面松動圈范圍最大值出現在Z＝124 m處（見圖3），最小值出現在Z＝127 m處，各測點松動圈隨時間增加而不斷增長；深度18.1 m處橫斷面松動圈范圍最大值出現在Z＝93 m處，各測點松動圈隨時間增長而增長；深度26.1 m處橫斷面松動圈范圍最大值出現在Z＝93 m處，接近13 m；最小值出現在Z＝61 m處，各測點松動圈隨時間增長而增長；深度34.1 m處橫斷面松動圈范圍最大值出現在Z＝29 m處，各測點松動圈隨時間增長而增長。同一深度不同橫斷面處各測點松動圈范圍不同，這是由于不同位置所處地層條件不一樣，因此，建議地下洞室施工時，采用不同支護的強度分段進行地下洞室支護。

圖9 深10.1 m處橫斷面不同時刻松動圈Fig.9 The loose zone during different periods at 10.1 m depth cross section

圖11 深26.1 m處橫斷面不同時刻松動圈Fig.11 The loose zone during different periods at 26.1 m dep th cross section

圖12 深34.1 m處橫斷面不同時刻松動圈Fig.12 The loose zone during different periods at 34.1 m dep th cross section

3.2.5 同一縱斷面處不同開挖深度松動圈分析

同一縱斷面處不同開挖深度松動圈測試結果如圖13、圖14所示：深度26.1 m處縱斷面松動圈最大，深度18.1 m處縱斷面松動圈次之，深度10.1 m處與深度34.1 m處縱斷面松動圈相對較小。同一縱斷面處不同開挖深度松動圈范圍不同，這是由于不同位置開挖之后應力重分布規律也不一致，因此，建議地下洞室施工時，采用不同支護的強度分層進行地下洞室支護。

圖13 水平位置Z＝61 m縱斷面處不同開挖深度松動圈Fig.13 Curves of the loose zone against excavation depth at the vertical section when Z＝61 m

圖14 水平位置Z＝93 m縱斷面處不同開挖深度松動圈Fig.14 Curves of the loose zone against excavation depth at the vertical section when Z＝93 m

4 結 論

采用聲波法對某地下廠房的上游邊墻進行動態分析研究，測試結果證明了松動圈與開挖深度、地層所處巖性、時間等多種因素有關，是一個動態變化過程。同時，測試結果也表明：地下洞室支護宜分層分段設計，設計過程中應適當考慮松動圈隨時間變化的影響，且施工過程中應嚴禁超挖，及時支護。

［1］ 周火明，盛 謙，李維樹，等.三峽船閘邊坡卸荷擾動區范圍及巖體力學性質弱化程度研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（7）：1078－1081.（ZHOU Huoming，SHENG Qian，LIWei-shu，et al.Excavation Disturbed Zone and Weaken Degree of Mechanical Properties for Rock Mass of TGP Ship Lock Slope［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（7）：1078－1081.（in Chinese））

［2］ 李 寧，李永剛，張 平.碎裂塊體圍巖安全監測與仿真反演分析［J］.巖土工程學報，2000，22（2）：170－173.（LINing，LIYong-gang，ZHANG Ping.A Simulating Inversion Method for an Opening in Discrete Rock Masses［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（2）：170－173.（in Chinese））

［3］ 俞裕泰，肖 明.大型地下洞室圍巖穩定三維彈塑性有限元分析［J］.巖石力學與工程學報，1987，6（1）：47－56.（YU Yu-tai，XIAO Ming.Three-Dimensional Elasto-Plastic Finite Element Analysis for the Surrounding Rock Stability of Large-Scale Underground Openings［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1987，6（1）：47－56.（in Chinese））

［4］ 肖 明.地下洞室圍巖穩定三維有限元數值分析方法［D］.武漢：武漢大學，2002.（XIAOMing.Study on Numerical Analysis Method of Stability and Supporting for Underground Caverns［D］.Wuhan：Wuhan University，2002.（in Chinese））

［5］ 馮夏庭.智能巖石力學［M］.北京：科學出版社，2000.（FENG Xia-ting.Introduction to Intelligent Rock Mechanics［M］.Beijing：Science Press，2000.（in Chinese））

［6］ 夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監測技術［M］.上海：同濟大學出版社，1999.（XIA Cai-chu，LIYongsheng.Testing Theory and Monitoring Technology of Underground Engineering［M］.Shanghai：Tongji University Press，1999.（in Chinese））

［7］ 孔廣勝.利用鉆孔超聲成像的圖像特征進行巖石風化程度分類［J］.物探與化探，2005，29（4）：367－368，373.（KONG Guang-sheng.The Application of Borehole Acoustic Televiewer Logging Results to the Classification of Rock Weathering Degrees［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2005，29（4）：367－368，373.（in Chinese））

［8］ 李維樹.隔河巖電站洞群圍巖松動圈檢測及其厚度分析［J］.長江科學院院報，1995，12（2）：44－48.（LI Wei-shu.Detection and Analysis of Thickness of Loosened Collar in Surrounding Rock of Galleries in Geheyan Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1995，12（2）：44－48.（in Chinese））

［9］ 鄧建輝，李焯芬，葛修潤.巖石邊坡松動區與位移反分析［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（2）：171－174.（DENG Jian-hui，LI Chao-fen，GE Xiu-run.Disturbed Zones and Displacement Back Analysis for Rock Slopes［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（2）：171－174.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

“長江中游河道崩岸綜合治理技術研究”中間成果交流與咨詢會順利召開

水利部公益性行業科研專項經費項目“長江中游河道崩岸綜合治理技術研究（項目編號：200901004）”于2011年8月19日在武漢召開中間成果交流與咨詢會，來自清華大學、南京水利水電科學研究院、長江航道規劃設計研究院、湖北省河道堤防建設管理局、荊州長江河道管理局、湖南省岳陽市長江修防處、荊江水文水資源勘測局、長江勘測規劃設計研究院、長江科學院等共20余位專家及項目組成員參加了會議。

專家組聽取了項目總體進展情況和各專題中期成果的匯報，審閱了相關資料并進行了詢問，經討論認為，本項目采用現場調查、已有護岸工程近岸監測地形分析、護岸工程拋石分布探測、大型水槽崩岸機理與護岸工程試驗、岸坡穩定的土力學分析等多種研究手段開展長江中游崩岸綜合治理技術研究，其研究方法和技術手段可行。本次研究在長江中游河道崩岸與護岸工程現狀調查、崩岸成因、護岸工程技術及拋石分布探測等方面開展了大量的研究工作，取得了階段性研究成果，完成了項目任務書規定的本階段研究任務。專家組建議在前期研究成果的基礎上，繼續深化崩岸機理與護岸工程的水槽試驗研究工作，并加強水槽試驗、原型監測與土力學三方面研究成果的綜合分析與總結提煉。

（摘自《長江水利科技》網）

Dynam ic Analysis of Loose Zone at the Sidewall of Large Underground Cavern in High Geostress Zone

ZHAO Hai-bin1，FU Jian-jun1，ZHOU Jiang-ping2
（1.Hydrochina Zhongnan Engineering Corporation，Changsha 410014，China；2.Ertan Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610051，China）

The loose zone is of essential importance to the supporting of underground caverns.It changes dynamically with the change of time，excavation depth，and lithology of the surrounding rock.To provide reference and guidance for alike projects，the applicability of sonic wavemethod in dynamically analyzing loose zone is expounded，and the loose zone at upstream sidewall of an underground powerhouse ismeasured and tested by themethod.Curves of the loose zone versus the depth of excavation，the wave velocity of rock mass as well as the time and space are given.By analyzing the curves，the variation and distribution of loose zone are obtained，and corresponding engineeringmeasures for the project construction are put forward.

loose zone；depth of excavation；dynamic variation；sonic wavemethod

TU 443

：A

1001－5485（2011）09－0035－05

2010-09-28

趙海斌（1965-），男，湖南衡山人，教授級高級工程師，博士，主要從事巖土工程設計研究，（電話）0731-85073195（電子信箱）hbzhao＠139.com。

付建軍（1983-），男，湖南瀏陽人，博士，主要從事巖土工程方面的設計及研究工作，（電話）15874194479（電子信箱）fjj77ts＠126.com。