地下水封洞库主洞室松动圈检测应用

纪铜鑫

（北京东方新星勘察设计有限公司,北京 100071）

0 引言

地下构筑物开挖后，洞室围岩应力重新分布，洞室周围岩体会产生微裂隙或裂隙，发生“松动”，习惯上称之为松动圈或松弛圈。国外对松动圈研究理论主要有不连续说、破碎区图示说及松动裂隙说[1]。国内对“松动圈”尚未形成统一的理论学说，对因开挖造成地下洞室岩石物理、水理性质变化的描述，有围岩松弛圈、松动圈、损伤区、塑性区和扰动区等术语，存在较大混乱[2]。笔者通过翻阅文献和个人工作实践对现有的松动圈理论进行梳理，松动圈形成的诱因主要分为两类，一类是爆破开挖条件下爆炸荷载作用，其中在中高地应力条件下还要考虑地应力瞬态卸荷荷载[3-4]；另一类是开挖后应力重分布导致的卸荷荷载作用，主要受地应力影响，松动深度具有时变特性[5]。

围绕不同诱因，前人进行了大量工程实践和理论研究。如刘宁等[6]以锦屏二级引水隧洞为例，利用有限差分软件FLAC3D对深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律进行探究，提出围岩损伤区可进一步分为3个区：破坏区、开挖损伤区和开挖扰动区，声波检测获得的松弛圈主要与破坏区对应。武汉大学严鹏等[3]利用颗粒流（PFC）软件讨论了爆炸荷载和地应力瞬态卸荷荷载所分别导致的围岩损伤特性，并通过锦屏2级水电站工程实例进行验证。徐光黎等[2]在引入EDZ（开挖损伤区，excavation damage zone）相关概念基础上，首次提出基于声波测试法进行初判，基于根据波速计算得出的损伤因子进行复判，定性、定量和半定量确定强开挖损伤区和弱开挖损伤区分布的方法。武汉大学张石虎等[7]利用常规弹黏塑性理论建立了一套岩体松弛效应的有限元算法，对地上坝基开挖损伤区（EDZ）进行仿真计算，指出实际工程中开挖损伤松弛具有时间效应。杨静熙等[5]结合锦屏一级水电站主厂房松弛检测长期成果，对围岩松弛深度时间效应进行深入研究，指出对于分层开挖的洞室及时支护即为最佳支护时机。黄锋等[8]分别根据弹塑性理论及损伤理论推导了基于D-P准则的围岩应力松动圈的解析公式，并与现场实际测试成果进行比较，指出可以运用损伤理论预测低级别围岩松动圈。

1 洞室开挖后围岩应力重分布

1.1 数值模型

利用FLAC3D软件对洞室围岩应力分布进行演示，首先构建洞室模型，选取青岛某洞库主洞室似马蹄形截面，洞跨20.0 m，洞高26.0 m，洞室左右两侧各外延3倍洞跨，截取洞长200.0 m，洞室埋深126.0 m，地表自由，其余边界固定，模型采用三角网格剖分，网格模型见图1。

图1 三角网格剖分后的主洞室模型

假想洞室围岩为Ⅲ级二长花岗岩，是均匀各项同性连续介质，不考虑结构面等影响因素，只受自重应力影响，该构模型选择基于弹塑性理论的Mohr-Coulomb模型，岩石物理参数选取见表1。开挖前后计算结果见图2。

图2 开挖前后洞室围岩最大主应力分布云图

表1 岩石物理参数

1.2 初始应力状态与开挖后围岩应力状态

由图2可知，受自重应力影响，洞室围岩应力表现为压应力，开挖前洞室围岩应力计算结果为2.5～3.5 MPa。开挖后洞室围岩应力重分布，其中拱顶附近围岩应力计算结果为4.5～5.0 MPa，表现为压应力增大；拱腰及边墙3～5 m范围内围岩应力计算结果为0.5～2.5 MPa，表现为压应力减小，其中拱腰及墙角应力变化范围相对边墙更大；洞室底板中心附近同样表现为压应力减小，对应底板回弹。

洞室围岩应力重分布，洞壁附近围岩会发生轻微损伤至破裂，相应的岩石物理参数劣化，产生围绕洞壁岩体的松动圈。松动圈范围与围岩受扰动范围相对应，直接反映洞室围岩稳定。

2 工程实例

2.1 工程概况

青岛某洞库主洞室置于青台山二长花岗岩内，设计埋深-126.0 m，洞室横截面形状近似“马蹄形”，设计洞跨20.0 m，洞高26.0 m，采用钻爆开挖方式分三层开挖。松动圈检测采用单孔声波法，检测孔布置在二层和三层的左右边墙，按顺时针方向编号①～④。主洞室1二层桩号0+285 m断面附近主要为微风化二长花岗岩，节理较发育，岩体较破碎，围岩等级为Ⅲ1级，围岩局部稳定性差。

2.2 检测成果

2020年6月对主洞室1桩号K0+285 m断面二层、三层检测孔进行声波测试，根据波速-深度曲线下降沿判断松动深度，检测成果见图3。

由图3可知，该断面二层检测孔内测点波速最大值为4 878 m/s，最小值为2 203 m/s，不同深度波速差异明显，靠近孔口波速相对较低，松动圈厚度为1.4～2.6 m。其中边墙中部处检测孔（孔②、孔③）松动深度为1.4 m、1.8 m，小于墙脚附近检测孔（孔①、孔④）松动深度2.0 m、2.6 m。测试成果与数值模拟开挖后应力分布规律一致，即墙角附近应力变化范围大于边墙，对应墙角附近检测孔松动深度大于边墙中部检测孔松动深度。

图3 主洞室1桩号K0+285 m断面二层、三层检测孔单孔波速—孔深曲线图

3 结语

（1）通过数值模拟，揭示了开挖后洞室围岩最大主应力重新分布结果。结合工程实例，指出并验证了墙角附近检测孔松动深度大于边墙中部检测孔松动深度，对应洞室墙角附近应力变化范围大于边墙的应力变化范围。

（2）关于围岩松动圈松动深度的判定标准。目前涉及围岩损伤和松动圈检测的规范主要为《水电水利工程物探规程》（DL/T5010—2005）及《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（DL/T5389—2007）。而笔者认为可以借鉴徐光黎等提出的损伤因子理论判断围岩损伤/扰动区，用于地下水封洞库松动圈检测。

（3）没有讨论围岩松动圈的时变特性，建议可以在今后的工作中布置长期观测孔，研究地下水封洞库松动圈的时间效应。

（4）围岩松动圈诱因主要有两类，分别是爆炸荷载和在地应力作用下开挖后卸荷荷载，这两类荷载所涉及的理论基础不同。该文只是基于弹塑性理论进行了简单的数值模拟，今后可根据损伤理论进行深入研究。