地下洞室围岩爆破开挖中的松动圈和塑性区变化模式分析

2.1　围岩爆破开挖松动圈

地下洞室爆破开挖后，围岩由于受开挖的扰动和爆破振动的影响，使得沿围岩表面径向方向产生大量爆破裂隙，岩体的裂隙频率、裂隙率显著增大，节理裂隙面、层面等弱面明显张开、压缩、错动。受爆破开挖的影响而恶化、并损害了岩体的完整性的区域即为爆破松动圈。通过声波跨孔法测量围岩爆后或同一位置爆破前后弹性纵波波速的观测值，分析纵波波速观测值的变化率、变化趋势和特点，可确定地下洞室受爆破开挖的影响而形成的松动圈。

2.2　围岩塑性区

地下洞室爆破开挖后，如重分布应力小于围岩岩体的强度（弹性极限），围岩处于稳定状态；如重分布应力超过围岩岩体的强度，则洞室周边围岩首先破坏，裂隙自围岩表面沿径向方向向岩体内部延伸，其延伸范围称为塑性区。随着围岩塑性区向岩体深处发展，靠近洞室围岩的表层开始松脱，形成围岩松弛区。如能及时支护，可使围岩与支护再形成平衡状态，这时支护要承受围岩向洞室径向收敛变形所产生的变形压力，以及部分松脱压力。松弛区和塑性区的深度除了跟爆破开挖有关外，还与地应力的分布形态、重分布应力与围岩岩体强度的比值和围岩支护形式等因素有关。

2.3　爆破松动圈测试目的

由于水电站引水发电系统地下洞室众多、开挖断面大、结构复杂、洞室间岩柱（壁）薄、地质条件复杂，在地下洞室群顶拱（层）爆破开挖之前，为保证顶拱（层）之后各层高边墙和地下厂房岩锚梁的开挖质量，应检查地下洞室爆破开挖对围岩的扰动及爆破松动圈的影响范围，调整优化爆破参数，为主厂房岩锚梁爆破开挖制定切实可行的施工技术措施，确定地下洞室高边墙爆破开挖的保护层厚度，并测试隧洞开挖后随着围岩变形的发展，围岩塑性区和松动区的发展趋势，以验证爆破开挖施工工艺和喷锚施工工艺，一般引水发电系统地下洞室群工程建设期，必须加强对围岩变形、应力应变情况进行有效的监测，保证施工安全，提高施工质量。

2.4　顶拱、边墙围岩地应力的调整发展模式(www.xing528.com)

（1）随着地下洞室往下逐层开挖，边墙高度增高，地应力的调整更加频繁、激烈。地下洞室开挖后，由于受爆破振动和地应力重分布的影响，会在靠近洞壁的周围形成松动圈和塑性区，松动圈和塑性区的深度取决于爆破开挖的影响、地应力的分布形态、重分布应力与围岩岩体强度的比值及围岩支护形式等因素。

（2）受地下洞室顶层爆破开挖及拉槽爆破开挖的影响，主厂房Ⅱ层的岩锚梁、上下游边墙的围岩有一定的爆破扰动，松动圈将加深。根据地质力学模型试验表明：通常在较好的围岩内，洞周塑性区深度较深，松弛区较浅，以剪切破损为主；在较差的围岩内，塑性区深度较浅，松弛区较深。

（3）地下洞室群在顶拱开挖时，由于边墙不高，开挖跨度大，围岩应力调整使顶拱向下变形，顶拱向下沉降，边墙变形微弱（局部受地质构造影响，会在边墙发生激烈的变形），在拱座处由于顶拱围岩向下沉降，边墙向上反弹，应力集中，使岩石较为破碎，见图1。

图1　厂房一层及以下各层开挖围岩变形发展模式

（4）地下洞室群在顶拱以下开挖时，随顶层以下各层开挖边墙越来越高，地应力的调整进一步加剧、频繁。一方面边墙为了趋于稳定，使开挖出来的边墙向围岩挖空一侧向内陷进（或凹进）；另一方面使顶拱侧向受力越来越大，顶拱呈上抬趋势。与上述变位相对应的是顶拱锚杆最初表现为受拉，随着开挖向下进行，发生卸荷，逐渐变为受压。