基于监测的围岩松弛变形特征研究

建 剑 波

(河南省河口村水库工程建设管理局，河南 济源 454650)



基于监测的围岩松弛变形特征研究

建 剑 波

(河南省河口村水库工程建设管理局，河南 济源 454650)

基于柱状节理玄武岩围岩应力应变及变形等监测成果，系统地进行了围岩松弛变形演化规律和变形机制研究，初步建立了能量速率和单位变形力双重指标的围岩安全评价体系，研究成果表明：开挖有利于释放围岩浅层节理变形所产生的能量，及时支护有利于控制围岩变形所伴生的隐节理变形所产生的能量。

柱状节理玄武岩，围岩松弛，安全性状，监测信息

0 引言

玄武岩是火山熔岩的一类岩石，其受成岩过程和地质构造影响而发育成一种呈不规则或规则柱状形态的原生张性构造——柱状节理。柱状节理玄武岩内部节理、裂隙较为发育，在施工过程中受本身岩体自稳能力差影响易发生岩体松弛、局部掉块和垮塌现象[1]。

近几年来，随着大型水电站的建设，揭露了柱状节理玄武岩对工程施工的影响和制约，引起学者诸多关注。陈旭等[2]对玄武岩柱状节理成因性状和岩体质量评价进行研究，徐卫亚等[3,4]对柱状节理岩体横观各向同性本构关系、宏观等效弹性模量、宏观等效强度参数、尺寸效应等进行了研究，石安池等[5]对柱状节理玄武岩岩体变形特性进行了研究，王思敬等[6,7]对柱状节理岩体真三轴模型试验、抗剪强度参数尺寸效应进行研究，朱道建等[8,9]对柱状节理岩体变形和强度各向异性进行了模型试验研究，冯夏庭等[10-13]对柱状节理玄武岩隧洞稳定、破坏模式及力学机制进行了研究。

本文结合现场白鹤滩水电站右岸导流洞围岩变形、锚固结构受力等施工期监测成果，采用现场监测、数值计算等方法，从柱状节理玄武岩结构、变形、力学等特性方面入手，研究其松弛变形演化规律和开挖支护效果，初步建立柱状节理玄武岩围岩松弛—开挖—支护协同的安全评价体系。其研究成果具有十分重要的现实意义和应用价值。

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川宁南县和云南巧家县境内，工程施工导流采用断流围堰、隧洞导流方式。导流洞采用城门洞型，洞身断面尺寸为19 m×24 m(宽×高)。其隧洞分上、中、下等三层开挖，典型断面和监测布置情况如图1所示。

2 柱状节理玄武岩围岩结构特性

隧洞开挖后，围岩呈现多个节理面相交构成的不规则的柱状节理立体网格，以四或五棱柱(块体)为主，棱体长度一般在10 cm～25 cm，在缓倾角节理和层内(间)裂隙带切割下形成长度数十厘米～数米的柱体单元，如图2所示。围岩地质钻孔过程中，无法钻取完整岩芯，均为破碎块体，如图3所示。

柱状节理玄武岩围岩节理柱体被节理、裂隙切割为不规则排列块体，节理柱体间呈闭合或微张状态，节理缝间无充填物，裂隙缝间破碎岩屑充填。卸荷后受法向张拉影响，节理岩体存在隐性节理结构面张开与节理面、裂隙面贯通，分解为更小的不稳定块体。地质钻孔取芯岩芯较围岩表面柱状节理块体小一些，也佐证了此情况。

3 柱状节理玄武岩围岩变形特性

结合柱状节理玄武岩隧洞开挖出现的掉块、局部垮塌等可能危及工程建设的情况，在柱状节理玄武岩洞段选取三段设定开挖支护A区、开挖无支护B区和预裂爆破支护C区等可能出现的施工方案，布设监测设施以研究围岩松弛变形演化规律及支护措施效果。

3.1 围岩开挖有支护工况

柱状节理玄武岩洞段在围岩开挖支护A区在2013年2月中层开挖后布设多点位移计，其洞室边墙典型曲线如图4所示。

从图4可见，柱状节理玄武岩隧洞最大变形在下层开挖后突变约19 mm，锚杆支护后增幅约3 mm，2013年8月混凝土衬砌后变形增幅减缓但仍在增加，变形增幅约8 mm，现阶段变形呈波动趋稳。

3.2 围岩开挖无支护工况

柱状节理玄武岩洞段在围岩开挖无支护B区在2013年1月上层开挖后布设多点位移计，其洞室边墙典型曲线如图5所示。

从图5可见，柱状节理玄武岩隧洞最大变形在中层开挖后突变约9 mm，下层开挖后突变约30 mm，锚杆支护后增幅约2 mm，2013年8月混凝土衬砌后变形趋缓，变形增幅约5 mm，现阶段变形基本稳定。

4 柱状节理玄武岩围岩力学特性

在柱状节理玄武岩选定A,B,C区布设位移计同时，在其相应部位安装埋设锚杆应力计，以研究柱状节理玄武岩围岩松弛围岩结构受力演化规律和支护措施效果。

围岩开挖有支护工况。柱状节理玄武岩洞段在围岩开挖支护A区在拱肩下(上边墙)和边墙中层开挖底部(下边墙)于2013年1月上层开挖后布设锚杆应力计，其洞室边墙上、下部位典型曲线如图6所示。

从图6可见，柱状节理玄武岩隧洞锚杆最大应力在中层开挖突变约65 MPa和55 MPa，在下层开挖后突变约90 MPa和180 MPa，锚杆支护及混凝土衬砌后增幅较小，现阶段锚杆应力基本趋稳。

5 柱状节理玄武岩围岩松弛演化规律及变形机制

自然山体在隧洞未施工前受区域地质构造和地下水等因素影响，处于自然应力动态调整过程，一旦受隧洞施工影响，自身应力状态发生改变，柱状节理玄武岩亦不例外。在爆破开挖、锚杆支护、混凝土衬砌等因素影响下，隧洞围岩自身应力动态调整，使其达到一个新的应力平衡。

白鹤滩水电站导流隧洞采用城门洞型，洞身断面尺寸为19 m×24 m(宽×高)。在柱状节理玄武岩洞段选取三段设定开挖支护A区、开挖无支护B区和预裂爆破支护C区等可能出现的施工方案。导流隧洞经爆破开挖、支护、混凝土衬砌等施工后，其典型围岩变形随深度变化曲线如图7所示。

从图7可见，导流隧洞柱状节理玄武岩围岩变形随深度增加而减小。开挖支护区围岩变形收敛范围较小，预裂爆破支护次之，开挖无支护最大。这说明其一柱状节理玄武岩自身稳定性较差；其二开挖支护有利于控制变形收敛范围；其三预裂爆破有利于控制围岩整体变形；其四开挖无支护和预裂爆破不利于控制变形收敛范围。

6 结语

本文从柱状节理玄武岩结构、应力应变及变形等特征入手，深入系统地研究了柱状节理玄武岩围岩松弛演化规律和变形机制，并初步探讨了通过能量速率和单位变形力进行围岩安全性状评价研究，得到结论如下：

1)柱状节理玄武岩围岩自稳能力较差，围岩变形随深度增加而减小。开挖支护方式施工有利于控制变形收敛范围，预裂爆破有利于控制围岩整体变形，开挖无支护和预裂爆破不利于控制变形收敛范围。

2)柱状节理玄武岩围岩支护后临空围岩形成拱圈，有利于吸收围岩变形所释放的能量。预裂爆破有效阻止围岩浅层节理变形，但不利于控制后期围岩变形所伴生的隐节理变形。开挖有利于释放围岩浅层节理变形所产生的能量，及时支护有利于控制围岩变形所伴生的隐节理变形所产生的能量。

[1] 王红彬，郝宪杰，李邵军，等.白鹤滩柱状节理岩体几何结构特征与卸荷松弛特性分析[J].土工基础，2015,29(3)：84-88.

[2] 陈 旭,许 模,康小兵,等.玄武岩柱状节理成因性状研究及其对岩体质量的影响[J].地质找矿论丛,2008,23(3):260-263.

[3] 狄圣杰,徐卫亚,王 伟,等.柱状节理岩体横观各向同性本构关系研究[J].中国矿业大学学报,2011,40(6):881-887.

[4] 闫东旭,徐卫亚,王 伟,等.柱状节理岩体宏观等效弹性模量尺寸效应研究[J].岩土工程学报,2012,34(2):243-250.

[5] 石安池，唐鸣发，周其健.金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体变形特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(10)：2079-2086.

[6] 刘海宁,王俊梅,王思敬.白鹤滩柱状节理岩体真三轴模型试验研究[J].岩土力学,2010,31(S1):163-171.

[7] 刘顺桂,池永翔,王思敬,等.柱状节理玄武岩体抗剪强度参数尺寸效应研究[J].工程地质学报,2009,17(3):367-370.

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[9] 朱道建，杨林德，蔡永昌.柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28(4)：716-724.

[10] 郝宪杰，冯夏庭，李邵军，等.柱状节理玄武岩隧洞破坏模式及其力学机制模拟[J].岩土力学，2015,36(3)：837-846.

[11] 向天兵,冯夏庭,江 权,等.大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):871-883.

[12] 吴文平,冯夏庭,张传庆,等.深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略[J].岩石力学与工程学报,2011,30(9):1782-1802.

[13] 江 权，冯夏庭，樊义林，等.柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32(12)：2527-2535.

Rock loosening deformation and security characters of columnar jointed basalt based on monitoring information fusion

Jian Jianbo

(HenanHekouVillageReservoirEngineeringConstructionManagementBureau，Jiyuan454650,China)

Based on the monitoring results of columnar jointed basalt rock stress and strain deformation, the research systematic studied the evolution of rock loosening deformation and deformation mechanism, initially established a surrounding rock safety evaluation system with energy rate and unit deformation force double indexes. The research shows that: excavation is conducive to release the energy that generated by shallow surrounding rock joints deformation, timely support can help control energy generated by hidden joints deformation which produced by surrounding rock deformation.

columnar jointed basalt, rock loosening, security characters, monitoring information

1009-6825(2017)09-0074-03

2017-01-14

建剑波(1981- )，男，工程师

TU433

A