紀(jì)銅鑫

（北京東方新星勘察設(shè)計(jì)有限公司,北京 100071）

0 引言

地下構(gòu)筑物開挖后，洞室圍巖應(yīng)力重新分布，洞室周圍巖體會(huì)產(chǎn)生微裂隙或裂隙，發(fā)生“松動(dòng)”，習(xí)慣上稱之為松動(dòng)圈或松弛圈。國(guó)外對(duì)松動(dòng)圈研究理論主要有不連續(xù)說、破碎區(qū)圖示說及松動(dòng)裂隙說[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)“松動(dòng)圈”尚未形成統(tǒng)一的理論學(xué)說，對(duì)因開挖造成地下洞室?guī)r石物理、水理性質(zhì)變化的描述，有圍巖松弛圈、松動(dòng)圈、損傷區(qū)、塑性區(qū)和擾動(dòng)區(qū)等術(shù)語，存在較大混亂[2]。筆者通過翻閱文獻(xiàn)和個(gè)人工作實(shí)踐對(duì)現(xiàn)有的松動(dòng)圈理論進(jìn)行梳理，松動(dòng)圈形成的誘因主要分為兩類，一類是爆破開挖條件下爆炸荷載作用，其中在中高地應(yīng)力條件下還要考慮地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷荷載[3-4]；另一類是開挖后應(yīng)力重分布導(dǎo)致的卸荷荷載作用，主要受地應(yīng)力影響，松動(dòng)深度具有時(shí)變特性[5]。

圍繞不同誘因，前人進(jìn)行了大量工程實(shí)踐和理論研究。如劉寧等[6]以錦屏二級(jí)引水隧洞為例，利用有限差分軟件FLAC3D對(duì)深埋大理巖破裂特征與損傷演化規(guī)律進(jìn)行探究，提出圍巖損傷區(qū)可進(jìn)一步分為3個(gè)區(qū)：破壞區(qū)、開挖損傷區(qū)和開挖擾動(dòng)區(qū)，聲波檢測(cè)獲得的松弛圈主要與破壞區(qū)對(duì)應(yīng)。武漢大學(xué)嚴(yán)鵬等[3]利用顆粒流（PFC）軟件討論了爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷荷載所分別導(dǎo)致的圍巖損傷特性，并通過錦屏2級(jí)水電站工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。徐光黎等[2]在引入EDZ（開挖損傷區(qū)，excavation damage zone）相關(guān)概念基礎(chǔ)上，首次提出基于聲波測(cè)試法進(jìn)行初判，基于根據(jù)波速計(jì)算得出的損傷因子進(jìn)行復(fù)判，定性、定量和半定量確定強(qiáng)開挖損傷區(qū)和弱開挖損傷區(qū)分布的方法。武漢大學(xué)張石虎等[7]利用常規(guī)彈黏塑性理論建立了一套巖體松弛效應(yīng)的有限元算法，對(duì)地上壩基開挖損傷區(qū)（EDZ）進(jìn)行仿真計(jì)算，指出實(shí)際工程中開挖損傷松弛具有時(shí)間效應(yīng)。楊靜熙等[5]結(jié)合錦屏一級(jí)水電站主廠房松弛檢測(cè)長(zhǎng)期成果，對(duì)圍巖松弛深度時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行深入研究，指出對(duì)于分層開挖的洞室及時(shí)支護(hù)即為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。黃鋒等[8]分別根據(jù)彈塑性理論及損傷理論推導(dǎo)了基于D-P準(zhǔn)則的圍巖應(yīng)力松動(dòng)圈的解析公式，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試成果進(jìn)行比較，指出可以運(yùn)用損傷理論預(yù)測(cè)低級(jí)別圍巖松動(dòng)圈。

1 洞室開挖后圍巖應(yīng)力重分布

1.1 數(shù)值模型

利用FLAC3D軟件對(duì)洞室圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行演示，首先構(gòu)建洞室模型，選取青島某洞庫(kù)主洞室似馬蹄形截面，洞跨20.0 m，洞高26.0 m，洞室左右兩側(cè)各外延3倍洞跨，截取洞長(zhǎng)200.0 m，洞室埋深126.0 m，地表自由，其余邊界固定，模型采用三角網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 三角網(wǎng)格剖分后的主洞室模型

假想洞室圍巖為Ⅲ級(jí)二長(zhǎng)花崗巖，是均勻各項(xiàng)同性連續(xù)介質(zhì)，不考慮結(jié)構(gòu)面等影響因素，只受自重應(yīng)力影響，該構(gòu)模型選擇基于彈塑性理論的Mohr-Coulomb模型，巖石物理參數(shù)選取見表1。開挖前后計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 開挖前后洞室圍巖最大主應(yīng)力分布云圖

表1 巖石物理參數(shù)

1.2 初始應(yīng)力狀態(tài)與開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)

由圖2可知，受自重應(yīng)力影響，洞室圍巖應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，開挖前洞室圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為2.5～3.5 MPa。開挖后洞室圍巖應(yīng)力重分布，其中拱頂附近圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為4.5～5.0 MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力增大；拱腰及邊墻3～5 m范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為0.5～2.5 MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力減小，其中拱腰及墻角應(yīng)力變化范圍相對(duì)邊墻更大；洞室底板中心附近同樣表現(xiàn)為壓應(yīng)力減小，對(duì)應(yīng)底板回彈。

洞室圍巖應(yīng)力重分布，洞壁附近圍巖會(huì)發(fā)生輕微損傷至破裂，相應(yīng)的巖石物理參數(shù)劣化，產(chǎn)生圍繞洞壁巖體的松動(dòng)圈。松動(dòng)圈范圍與圍巖受擾動(dòng)范圍相對(duì)應(yīng)，直接反映洞室圍巖穩(wěn)定。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

青島某洞庫(kù)主洞室置于青臺(tái)山二長(zhǎng)花崗巖內(nèi)，設(shè)計(jì)埋深-126.0 m，洞室橫截面形狀近似“馬蹄形”，設(shè)計(jì)洞跨20.0 m，洞高26.0 m，采用鉆爆開挖方式分三層開挖。松動(dòng)圈檢測(cè)采用單孔聲波法，檢測(cè)孔布置在二層和三層的左右邊墻，按順時(shí)針方向編號(hào)①～④。主洞室1二層樁號(hào)0+285 m斷面附近主要為微風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖等級(jí)為Ⅲ1級(jí)，圍巖局部穩(wěn)定性差。

2.2 檢測(cè)成果

2020年6月對(duì)主洞室1樁號(hào)K0+285 m斷面二層、三層檢測(cè)孔進(jìn)行聲波測(cè)試，根據(jù)波速-深度曲線下降沿判斷松動(dòng)深度，檢測(cè)成果見圖3。

由圖3可知，該斷面二層檢測(cè)孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)波速最大值為4 878 m/s，最小值為2 203 m/s，不同深度波速差異明顯，靠近孔口波速相對(duì)較低，松動(dòng)圈厚度為1.4～2.6 m。其中邊墻中部處檢測(cè)孔（孔②、孔③）松動(dòng)深度為1.4 m、1.8 m，小于墻腳附近檢測(cè)孔（孔①、孔④）松動(dòng)深度2.0 m、2.6 m。測(cè)試成果與數(shù)值模擬開挖后應(yīng)力分布規(guī)律一致，即墻角附近應(yīng)力變化范圍大于邊墻，對(duì)應(yīng)墻角附近檢測(cè)孔松動(dòng)深度大于邊墻中部檢測(cè)孔松動(dòng)深度。

圖3 主洞室1樁號(hào)K0+285 m斷面二層、三層檢測(cè)孔單孔波速—孔深曲線圖

3 結(jié)語

（1）通過數(shù)值模擬，揭示了開挖后洞室圍巖最大主應(yīng)力重新分布結(jié)果。結(jié)合工程實(shí)例，指出并驗(yàn)證了墻角附近檢測(cè)孔松動(dòng)深度大于邊墻中部檢測(cè)孔松動(dòng)深度，對(duì)應(yīng)洞室墻角附近應(yīng)力變化范圍大于邊墻的應(yīng)力變化范圍。

（2）關(guān)于圍巖松動(dòng)圈松動(dòng)深度的判定標(biāo)準(zhǔn)。目前涉及圍巖損傷和松動(dòng)圈檢測(cè)的規(guī)范主要為《水電水利工程物探規(guī)程》（DL/T5010—2005）及《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5389—2007）。而筆者認(rèn)為可以借鑒徐光黎等提出的損傷因子理論判斷圍巖損傷/擾動(dòng)區(qū)，用于地下水封洞庫(kù)松動(dòng)圈檢測(cè)。

（3）沒有討論圍巖松動(dòng)圈的時(shí)變特性，建議可以在今后的工作中布置長(zhǎng)期觀測(cè)孔，研究地下水封洞庫(kù)松動(dòng)圈的時(shí)間效應(yīng)。

（4）圍巖松動(dòng)圈誘因主要有兩類，分別是爆炸荷載和在地應(yīng)力作用下開挖后卸荷荷載，這兩類荷載所涉及的理論基礎(chǔ)不同。該文只是基于彈塑性理論進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬，今后可根據(jù)損傷理論進(jìn)行深入研究。