摘要：本文從圍巖監測的重要性及原位模型洞圍巖觀測方面，介紹了洞室圍巖松弛帶的測試理論及測試實例。測試結果很好的反映了巖體的地質構造情況及巖石的物理力學特征等。
　　關鍵詞：圍巖；松弛帶；應力集中；觀測斷面；時間效應
　　1.前言
　　隨著國家現代化建設事業的發展，水利水電、鐵道、交通、礦山、工業與民用建筑、國防等工程中，各種類型、不同用途的巖石工程日益增多。在工程建設的各階段（規劃、勘察、設計和施工）中，正確地對巖體的質量和穩定性做出評價，具有十分重要的意義。質量高、穩定性好的巖體，不需要或只需要很少的加固支護措施，并且施工安全、簡便；質量差、穩定性不好的巖體，需要復雜、昂貴的加固支護等處理措施，常常在施工中帶來預想不到的復雜情況。正確、及時地對工程建設涉及到的巖體穩定性做出評價，是經濟合理地進行巖體開挖和加固支護設計、快速安全施工，以及建筑物安全運行必不可少的條件。
　　隨著地下工程施工技術的迅速發展，圍巖監測已成為地下工程設計、施工、運行的重要部分。在施工、運行過程中，監測數據為保證工程安全提供了科學依據，為修改設計、指導施工提供了可靠的資料，同時為提高地下工程建設的技術水平積累了豐富的經驗。隨著反分析方法的出現，使以圍巖監測信息為基礎的監控設計又前進了一步，通過監測手段采集到的現場巖體的各種信息(位移、應力、應變)，經過反分析的逆運算，可得到圍巖巖體的綜合力學特征參數和初始地應力場等，還可進行圍巖力學模型的判斷。可以逐步逼近圍巖巖體的真實形態，為設計提供了最可靠的設計依據。“在勘測、設計和施工階段即進行監測，采集資料，反饋到設計中去，據以指導和改進設計”的設計思想受到越來越多的巖土力學專家和設計研究者的一致認可。對大型重要工程而言，在前期工作階段，結合工程實際，進行模型洞圍巖觀測和位移反分析，并以此進行反饋設計，是現代設計思想的反映。
　　原位模型洞圍巖觀測作為地下洞室信息化設計的基礎，其優點是：量測數據多，代表性強，能反映地質構造、地應力的力學性狀，并可評價地下洞室圍巖穩定支護措施。據統計，80年代以后設計建設的大型水電站地下廠房，大都進行了模型洞觀測。
　　地下洞室開挖后，破壞了巖體原有的平衡條件，巖體內的應力重新分配。一般情況下，在洞壁周邊的巖體將出現應力釋放的松弛帶，這取決于巖體所處的地質構造情況，巖石的物理力學特征等，以及地下洞室在巖體中的部位、形狀、洞徑大小和施工方法。
　　劃定出巖體的松弛帶范圍和形狀，對巖體的開挖和加固支護設計、快速安全施工，起著一定的指導作用。
　　洞室松弛帶的地質－物性特點：
　　(1)洞室在掘進過程中容易形成洞壁巖面的松動，洞室形成后應力又將重新分布，并在洞室圍巖表層產生應力下降帶或應力集中帶。
　　(2)洞壁圍巖一般存在三個區帶，即應力下降帶、應力上升帶和原巖應力帶，這三個區帶具有明顯的或漸變的波速界面。
　　

　　2.測試方法與成果分析
　　2.1測定方法與技術
　　(1)主要在洞室橫斷面上布置風鉆孔進行聲波法測試，可采用單孔一發雙收換能器，也可采用雙孔發射－接收換能器。
　　(2)測試斷面的測孔布置，測孔數目及孔距應視洞徑而定，一般為5孔(分頂孔、角孔、邊墻孔，對于大跨度、高邊墻的洞室可增加頂孔和邊墻孔)，測孔深度與洞徑和圍巖地質情況有關，或按任務要求確定，孔深一般為3～5m（在洞徑2～3m時），應以能夠反映原巖應力為準。
　　(3)當洞壁圍巖的松動層與完整巖石(原巖)具有明顯的波速差別，可采用小相遇地震初至折射法作為輔助方法。
　　2.2成果分析
　　用聲波法測定松弛帶依據圍巖不同性質的各帶具有不同的聲波速度層。應力下降帶表現為相對的低速區(包括爆破和開挖引起的松弛)，應力上升帶則為高速區。根據實測圍巖不同的波速層，可劃定松弛帶的范圍和形狀。
　　洞室圍巖松弛帶測定的波速隨鉆孔深度變化曲線，大致有以下幾種類型，如圖2所示：

        
　　（1）圖2（a）所示，可劃分出應力上升帶和不受開挖影響的原始應力帶。洞壁附近波速減低，反映了表層巖體松弛，隨著深度增加，出現了波速增高，這是洞室四周的應力集中區，波速的增高表明該區巖體完整，應力集中顯著。
　　（2）圖2（b）所示，當洞徑較小且四周巖體完整堅硬時，洞壁只有彈性形變，出現應力集中現象，無松弛區。
　　（3）圖2（c）所示，洞壁松弛不明顯，各測點波速基本一致，波速較高，但總的波速接近于完整巖體的波速。
　　（4）圖2（d）所示，洞壁松弛，應力集中現象不明顯，這種現象常出現在洞壁巖體較為破碎的洞室。
　　洞室松弛帶測定應提交的主要圖件有波速隨孔深變化的Vp～L曲線，松弛圈斷面波速曲線展示圖及松弛厚度分布圖。
　　3.工程實例
　　3.1.工程概況
　　張河灣抽水蓄能電站位于河北省井陘縣測魚鎮甘陶河干流上，距石家莊市直線距離53km，電站安裝四臺單級混流可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為1000MW，接入冀南電網，擔任調峰、填谷、調相和事故備用等任務。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及附屬洞室等組成。
　　電站利用未完建的張河灣水庫擴建為下水庫。在大壩上游1.2km左岸老爺廟臺坪圍筑成上水庫。地下廠房位于蒲峪溝上游第四個山梁處的山體內，上覆巖體厚度116～173m左右，廠房縱軸線方向選定為NE40°。
　　地下廠房洞室主要有主、副廠房、主變室、母線洞、電纜洞、交通洞、排風兼安全洞及排水廊道等，主、副廠房與主變室間的巖墻厚度為43.4m。
　　模型試驗洞斷面為城門洞型，尺寸為：長104.5m，洞寬4.00m，洞高6.0m。模型洞觀測段具體布置見地下廠房模型試驗洞觀測設計平面布置圖（圖3）。
　　模型試驗洞分主觀測段和次觀測段，主觀測段縱軸線方向為NW40°,末端與主變室西北端相接與廠房軸線平行，上覆巖體厚度124～104m；次觀測段縱軸線方向NW310°，位于主廠房西北端的外側,與廠軸線垂直，上覆巖體厚度104～92m；兩觀測段呈90°連接。
　　3.1.1開挖施工模擬
　　模型洞開挖施工模擬，包括分層開挖模擬和控制爆破模擬，鑒于洞室巖性為含角礫安山巖，巖石新鮮堅硬，不進行分層開挖模擬，僅進行控制爆破模擬，但實際開挖洞室時由于施工條件限制，模型洞分兩層開挖，每層高度均為3m左右。下層始終留有4m左右的巖臺，以便于施工。上、下層的開挖進尺在開挖觀測段時為1m；在開挖非觀測段時，掌子面距觀測孔斷面8m以上時為1.5～2m。
　　此外，目前通常進行的模型洞觀測設計及成果不能進行真正的三維有限元分析計算，故采用將模型洞分為二段(主觀測段、次觀測段)，并形成一定夾角(90°)，以便進行三維位移反分析。
　　
　　

　　
　　圖3地下廠房模型試驗洞觀測設計平面布置圖
　　3.1.2觀測項目及觀測斷面設計
　　模型洞觀測項目有：①收斂觀測；②鉆孔多點位移觀測；③錨桿應力觀測；④聲波測孔；⑤錨桿抗拔實驗。觀測斷面分為系統觀測斷面和收斂觀測斷面；系統觀測斷面觀測項目：S1、S8觀測斷面包括上述①一④項觀測項目，S4、S3’觀測斷面包括上述①②④觀測項目。
　　3.2圍巖松動范圍確定
　　本工程測定圍巖松動范圍的方法主要采用鉆孔聲波測試和地震波“CT”測試，根據測點波速與孔深(孔間距)的變化規律，結合工程巖體的實際情況，對巖體破壞松動情況進行分析，確定圍巖松動范圍、評價圍巖穩定性。
　　鉆孔聲波測試分單孔聲波測試和孔間聲波對穿測試。邊墻部位孔傾斜誤差應控制在孔深的2％以內。
　　3.2.1單孔聲波測試成果分析
　　單孔聲波測試的接收裝置使用工程物探室專門為項目研制的四換能器可逆式聲波探頭。四個換能器作為發射和接收可任意互換，增加了有效測試段長度。測試時，首先將探頭置于孔底，以0.2m測點間距由孔底向孔口逐點施測。
　　將儀器野外采集的原始波形轉換存儲到計算機中，在計算機中利用專門的分析處理軟件進行濾波和讀取各測點的兩道間縱、橫波旅行時，得到相應各點巖體縱、橫波速度，最終繪制出各孔巖體波速～孔深關系曲線。（見圖4）

　　在Sl、S3'、S4、S8四個觀測斷面上各進行四個孔單孔聲波測式。由波速～孔深曲線上可看出，單孔聲波測試獲得的巖體縱波速度一般在6.0km/s以上，橫波速度一般在3.3km/s以上，由于測試時距開挖爆破時間不長，局部產生應力集中，從而使巖體縱、橫波速增高，最高可達7.4km/s。從曲線形態和波速變化可劃分洞室開挖爆破后洞室圍巖松動、松馳范圍，表1為洞室圍巖松動、松弛范圍測試成果表。從表中可見，由于開挖爆破引起的圍巖松動，松弛范圍一般為0.5～1.5m。
　　表1洞室圍巖松動、松弛范圍測試成果表
　　觀測
　　斷面 孔號 測試孔深(m) 松弛范圍(m) 孔號 測試孔深(m) 松弛范圍(m)
　　      輻洞 主洞
　　S1 SB1－2 5.8 0.9 SB1－4 5.8 － 0.5
　　 SB1－1 6.2 0.9 SB1－5 5.8 － 0.6
　　S3’ SB3－2’ 5.9 1.0 SB3－4’ 5.4 － 0.4
　　 SB3－1’ 5.2 0.7 SB3－5’ 5.2 － 不明顯
　　S4 SB4－2 12.8 1.1(第一次) SB4－4 11.2 1.4(第一次) 0.0(第一次)
　　   1.5(第二次)   0.9(第二次) 3.5(第二次)
　　      1.9(第三次) 1.0(第三次)
　　 SB4－1 5.8 0.5 SB4－5 11.8 1.1(第一次) 0.0(第一次)
　　      1.1(第二次) 0.4(第二次)
　　S8 SB8－2 5.8 0.2 SB8－4 5.6 － 0.9
　　 SB8－1 6.0 1.1 SB8－5 6.0 － 1.3
　　在S4斷面上的SB4—4(在輔洞中測試)、SB4—2和SB4—5(在輔洞中測試)在不同時間分別測試2次和3次，通過波速變化對比，分析洞室開控爆破對圍巖的影響。（見圖5、圖6）
　　孔號：SB4－4（圖5）。
　　孔徑：Ф75mm；孔斜：下傾2°；測試孔深：11.2m。
　　第一次測試時間：1999年8月28日；距開挖掌子面（模型洞）距離－9.0m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.4m。
　　第二次測試時間：1999年9月8日；距開挖掌子面（模型洞）距離0.5m；洞室圍巖松動、松弛范圍：0.9m（輔洞）、3.5m（主洞）。
　　第三次測試時間：1999年10月5日；距開挖掌子面（模型洞）距離：18.9m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.9m（輔洞）、1.0m（主洞）。
　　圖中非常清晰地顯示了隨著模型洞的開挖巖體的應力變化情況。
　　
　　
　　孔號：SB4－2（圖6）
　　孔徑：Ф75mm；孔斜：下傾12°；測試孔深：12.8m。
　　第一次測試時間：1999年9月8日；距開挖掌子面距離：0.5m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.1m。
　　第二次測試時間：1999年10月5日；距開挖掌子面距離：12.7m；洞室圍巖松動、松弛范圍：1.5m。
　　圖中可見，在鉆孔7m深處，巖體速度變化較大，7m以下處巖體的彈性波速度較7m以上處的巖體彈性波速度降低許多。這與彈性波“CT”測試成果吻合的非常好。表明此處的巖體裂隙較發育。
　　
　　
　　3.2.2孔間聲波對穿成果分析
　　S4斷面上除進行單孔聲波測試外，還在SB4－4、SB4－5兩孔間，SB4－2和SB4－2’兩孔間進行了兩次聲波對穿測試。
　　SB4－2和SB4－2’孔間聲波對穿成果見圖7；兩孔間距9.85m。在洞室開挖爆破后共進行兩次測試。
　　第一次測試時間是1999年10月10日，SB4－2孔距開挖掌子面18.9m；
　　第二次測試時間是1999年10月18日，SB4－2孔距開挖掌子面24m。
　　從兩次測試結果看，除第一次測試時孔口至孔深0.7m波速稍低外，其余均高于6000m/s。單考慮波速因素，巖體類別屬于Ⅰ類。
　　3.2.4地震波“CT”成果分析
　　S4斷面上除進行單孔聲波測試、聲波對穿測試外，還在SB4－2和SB4－2’兩孔間進行了地震波“CT”測試工作。
　　資料分析、解釋時，首先讀取縱波初至時間，建立數據文件；再利用專門軟件進行數據處理得到兩孔間巖體波速圖，以不同顏色表示波速區間，形成波速色譜圖（見圖8）。由圖中可以看出，測試范圍內兩孔間巖體波速大多在6100m/s以上，只有局部巖體波速在5900m/s～6100m/s之間（如SB4－2孔孔底部位和SB4－2’孔附近孔深4.0～5.7m部位），這是由于巖體發育裂隙所致，但以波速值劃分巖體類別仍屬Ⅰ類圍巖。成果圖中上、下邊緣部位波速（低、高）異常帶，并非巖體物性真實反映，為邊界效應所致。
　　4.結束語
　　不管是在施工前期的原位模型洞圍巖觀測中，還是在地下工程的建設過程中，一般都要進行洞室圍巖的松弛帶測定，以確定當時的真實圍巖巖體狀態，鉆孔聲波測試是解決此問題的一種很好的手段。但幾乎都忽略了圍巖收斂變形的時間效應問題。而在圍巖穩定的長期監測中，只考慮了位移監測的手段，忽視了測試巖體波速的監測手段。而巖體波速在圍巖收斂變形的時間效應方面的反映也是非常直觀的。
　　參考文獻：《水電水利工程物探規程》(DL/T5010－2005)水利電力出版社2005《張河灣抽水蓄能電站地下廠房模型試驗洞圍巖觀測試驗研究報告》國家電力公司北京勘測設計研究院2000.2