高地应力区大型地下洞室边墙松动圈动态分析研究

赵海斌，付建军，周江平

（1.中国水电顾问集团中南勘察设计研究院，长沙 410014；2.二滩水电开发有限责任公司，成都 610051）

高地应力区大型地下洞室边墙松动圈动态分析研究

赵海斌1，付建军1，周江平2

（1.中国水电顾问集团中南勘察设计研究院，长沙 410014；2.二滩水电开发有限责任公司，成都 610051）

松动圈是地下洞室支护成败的关键，松动圈与开挖深度、围岩岩性、时间等因素有关，它实际是一个动态变化过程。首先阐述了声波法在松动圈动态分析中的适用性，并采用声波法对某大型地下厂房上游边墙松动圈进行了测试分析，绘制了开挖深度、岩体波速、时间、空间位置与松动圈的相互关系曲线，通过对上述关系曲线的分析，获得了松动圈的变化分布规律，提出了相应的工程措施。其分析方法为类似工程提供了借鉴及指导意义。

松动圈；开挖深度；动态变化；声波法

1 概 述

地下洞室开挖后围岩应力和位移变化过程是判断支护外荷载的基础，是支护设计的理论基础［1－4］。松动圈支护理论是基于地下洞室周边围岩介质的物理力学状态研究而发展的常用支护设计方法之一。地下洞室松动圈范围是与围岩力学性质、断面尺寸、施工支护手段及时间等因素相关的，它是一个动态变化过程［5－9］。

传统的松动圈范围分析方法主要集中在圆形洞室及静态分析两方面［1，3］，它对于大型水电站地下厂房、地下主变室等可能很难满足现场工程需要。究其原因有以下几点：①大型地下洞室断面尺寸不再是圆形，高宽比可能达到3∶1；②大型地下洞室开挖后围岩应力转移规律、物理力学性质随时间变化而变化，而这种变化必然导致松动圈变化；③大型地下洞室由于开挖尺寸较大，所处围岩赋存环境复杂、局部地区可能穿越断层、软弱互存岩体，导致了松动圈范围的不确定性；④大型地下洞室工程安全等级一般较高，即对松动圈动态分析相对较高，采用原位测试法可能更直观、准确方便稳定分析。因此，本文研究思路为：以某水电站地下厂房上游侧高边墙为依托工程，采用声波测试法［5－8］分析其松动圈随时间、开挖高度等变化规律，为后续支护设计奠定基础。

2 单孔声波测试方法及原理

单孔法声波测试是将装有发射与接受换能器的一发双收探头放入充满耦合介质的测试孔中，由声波仪给发射换能器指令发射出声波，声波通过耦合介质传入岩体中，在岩体传播一段距离后，再通过耦合介质传入接收换能器，由2个接收换能器之间的接收时间差（t1－t2），以及接收换能器之间的距离ΔL，就可得到岩体的声波速度Vp，进而可以判断松动圈范围。声波法测试示意见图1。声波速度按下式求解，

图1 单孔声波测试示意图Fig.1 Sonic wave testing in single hole

3 某大型地下洞室上游侧高边墙松动圈动态分析研究

3.1 工程概况

某水电站引水发电系统主要建筑物由地下厂房、主变室、尾水调压室组成，3大洞室平行布置，水平埋深约110～300 m，垂直埋深约180～350 m。地应力现场测试地下厂区最大主应力σ1＝20～35.7 MPa，σ2＝10～20 MPa，σ3＝4～12 MPa，属高地应力区，其赋存岩性为厚层角砾状大理岩夹绿片岩透镜体、厚层状大理岩、中－厚层状条带状大理岩夹少量绿片岩条带，岩体新鲜，完整－较完整，以厚层－块状结构为主，少量为薄－中厚层状结构，岩层产状N40°～60°E，NW∠15°～35°。区域内受f13、f14、f18断层及煌斑岩脉X节理裂隙切割、构造面裂隙水和岩溶裂隙水等不良地质条件影响。

其中主厂房长、宽、高约为200 m×26 m×70 m，顶拱相对标高为0 m。主厂房分10步开挖，顶拱开挖相对时间从t＝0时刻开始（后续图表时间都以此时间为基点），相对高程见图2。为了研究支护进行中及完成后的洞室围岩松弛范围变化趋势，通过采用单孔法声波测试对地下厂房上游侧高边墙进行了测试，声波法测试点布置见图3。 3.2 声波测试结果及分析

图2 地下厂房开挖时序表Fig.2 Schedu le of the excavation of underground powerhouse

图3 声波法测试孔布置图Fig.3 Arrangement of the test holes

本工程声波测试结果主要包括以下几种曲线：不同时刻声波原始测速曲线（图4），测试孔波速、时间与松动圈范围变化关系曲线（图5、图6），开挖深度与松动圈变化关系曲线（图7、图8），同一深度不同时刻横断面松动圈范围变化关系曲线（图9至图12），同一纵断面处不同开挖深度松动圈变化关系曲线（图13至图14）。

3.2.1 测试孔波速测试曲线分析

测试孔波速结果图4表明：地下洞室开挖后，表层岩体将出现明显的松动，松动范围内岩体波速普遍将比非松动区岩体波速低。通过对波速曲线分析，发现地下洞室周边围岩破坏过程是由外及里的过程，直观获得了松动区与稳定区的边界线，即获得松动区范围。

图4 测试孔CF10.1＋61S与CF10.1＋124S波速测试曲线Fig.4 Results of wave velocity testing in hole CF10.1＋61S and hole CF10.1＋124S

3.2.2 测试孔松动圈与波速、时间关系分析

测试孔松动圈与波速、开挖时间关系如图5、图6表明：随着时间的推移，0～5 m平均波速下降速度最快，5～10 m平均波速相对下降较缓，10～20 m平均波速下降最缓，即表明地下厂房上游侧边墙松动圈随时间推移不断增加。因此，为了保证整个施工期及运营期洞室稳定，建议设计、施工、维护阶段应适当考虑松动圈的时间效应。

图5 测试孔CF10.1＋61S松动圈与波速、开挖时间关系Fig.5 Relationships of the loose zone w ith wave velocity and excavation time in hole CF10.1＋61S

图6 测试孔CF26.1＋157S松动圈与波速、开挖时间关系Fig.6 Relationships of the loose zone w ith wave velocity and excavation time in hole CF26.1＋157S

3.2.3 测试孔松动圈与开挖深度关系分析

测试孔松动圈与开挖深度、时间关系如图7、图8表明：随着开挖深度的增加，松动圈范围呈现逐渐增加的趋势，即松动圈随开挖深度增加而增加，因此，为减少开挖深度对松动圈的影响，建议施工方严禁超挖，及时支护。

图7 测试孔CF18.1＋093S松动圈与开挖深度关系Fig.7 Relationship between the loose zone and the excavation depth in hole CF18.1＋093S

图8 测试孔CF18.1＋029S松动圈与开挖深度关系Fig.8 Relationship between the loose zone and excavation depth in hole CF18.1＋029S

3.2.4 同一深度不同时刻横断面处松动圈分析

同一深度不同时刻横断面处松动圈测试结果如图9、图10、图11、图12结果表明：深度10.1 m处横断面松动圈范围最大值出现在Z＝124 m处（见图3），最小值出现在Z＝127 m处，各测点松动圈随时间增加而不断增长；深度18.1 m处横断面松动圈范围最大值出现在Z＝93 m处，各测点松动圈随时间增长而增长；深度26.1 m处横断面松动圈范围最大值出现在Z＝93 m处，接近13 m；最小值出现在Z＝61 m处，各测点松动圈随时间增长而增长；深度34.1 m处横断面松动圈范围最大值出现在Z＝29 m处，各测点松动圈随时间增长而增长。同一深度不同横断面处各测点松动圈范围不同，这是由于不同位置所处地层条件不一样，因此，建议地下洞室施工时，采用不同支护的强度分段进行地下洞室支护。

图9 深10.1 m处横断面不同时刻松动圈Fig.9 The loose zone during different periods at 10.1 m depth cross section

图11 深26.1 m处横断面不同时刻松动圈Fig.11 The loose zone during different periods at 26.1 m dep th cross section

图12 深34.1 m处横断面不同时刻松动圈Fig.12 The loose zone during different periods at 34.1 m dep th cross section

3.2.5 同一纵断面处不同开挖深度松动圈分析

同一纵断面处不同开挖深度松动圈测试结果如图13、图14所示：深度26.1 m处纵断面松动圈最大，深度18.1 m处纵断面松动圈次之，深度10.1 m处与深度34.1 m处纵断面松动圈相对较小。同一纵断面处不同开挖深度松动圈范围不同，这是由于不同位置开挖之后应力重分布规律也不一致，因此，建议地下洞室施工时，采用不同支护的强度分层进行地下洞室支护。

图13 水平位置Z＝61 m纵断面处不同开挖深度松动圈Fig.13 Curves of the loose zone against excavation depth at the vertical section when Z＝61 m

图14 水平位置Z＝93 m纵断面处不同开挖深度松动圈Fig.14 Curves of the loose zone against excavation depth at the vertical section when Z＝93 m

4 结 论

采用声波法对某地下厂房的上游边墙进行动态分析研究，测试结果证明了松动圈与开挖深度、地层所处岩性、时间等多种因素有关，是一个动态变化过程。同时，测试结果也表明：地下洞室支护宜分层分段设计，设计过程中应适当考虑松动圈随时间变化的影响，且施工过程中应严禁超挖，及时支护。

［1］ 周火明，盛 谦，李维树，等.三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化程度研究［J］.岩石力学与工程学报，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 宁，李永刚，张 平.碎裂块体围岩安全监测与仿真反演分析［J］.岩土工程学报，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.大型地下洞室围岩稳定三维弹塑性有限元分析［J］.岩石力学与工程学报，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.地下洞室围岩稳定三维有限元数值分析方法［D］.武汉：武汉大学，2002.（XIAOMing.Study on Numerical Analysis Method of Stability and Supporting for Underground Caverns［D］.Wuhan：Wuhan University，2002.（in Chinese））

［5］ 冯夏庭.智能岩石力学［M］.北京：科学出版社，2000.（FENG Xia-ting.Introduction to Intelligent Rock Mechanics［M］.Beijing：Science Press，2000.（in Chinese））

［6］ 夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术［M］.上海：同济大学出版社，1999.（XIA Cai-chu，LIYongsheng.Testing Theory and Monitoring Technology of Underground Engineering［M］.Shanghai：Tongji University Press，1999.（in Chinese））

［7］ 孔广胜.利用钻孔超声成像的图像特征进行岩石风化程度分类［J］.物探与化探，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］ 李维树.隔河岩电站洞群围岩松动圈检测及其厚度分析［J］.长江科学院院报，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］ 邓建辉，李焯芬，葛修润.岩石边坡松动区与位移反分析［J］.岩石力学与工程学报，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） ）

（编辑：姜小兰）

“长江中游河道崩岸综合治理技术研究”中间成果交流与咨询会顺利召开

水利部公益性行业科研专项经费项目“长江中游河道崩岸综合治理技术研究（项目编号：200901004）”于2011年8月19日在武汉召开中间成果交流与咨询会，来自清华大学、南京水利水电科学研究院、长江航道规划设计研究院、湖北省河道堤防建设管理局、荆州长江河道管理局、湖南省岳阳市长江修防处、荆江水文水资源勘测局、长江勘测规划设计研究院、长江科学院等共20余位专家及项目组成员参加了会议。

专家组听取了项目总体进展情况和各专题中期成果的汇报，审阅了相关资料并进行了询问，经讨论认为，本项目采用现场调查、已有护岸工程近岸监测地形分析、护岸工程抛石分布探测、大型水槽崩岸机理与护岸工程试验、岸坡稳定的土力学分析等多种研究手段开展长江中游崩岸综合治理技术研究，其研究方法和技术手段可行。本次研究在长江中游河道崩岸与护岸工程现状调查、崩岸成因、护岸工程技术及抛石分布探测等方面开展了大量的研究工作，取得了阶段性研究成果，完成了项目任务书规定的本阶段研究任务。专家组建议在前期研究成果的基础上，继续深化崩岸机理与护岸工程的水槽试验研究工作，并加强水槽试验、原型监测与土力学三方面研究成果的综合分析与总结提炼。

（摘自《长江水利科技》网）

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

赵海斌（1965-），男，湖南衡山人，教授级高级工程师，博士，主要从事岩土工程设计研究，（电话）0731-85073195（电子信箱）hbzhao＠139.com。

付建军（1983-），男，湖南浏阳人，博士，主要从事岩土工程方面的设计及研究工作，（电话）15874194479（电子信箱）fjj77ts＠126.com。