洞室围岩卸荷后的裂隙特征分析

洞室的被开挖岩体，对未开挖的隧洞围岩体的约束作用解除而引起卸荷裂隙。卸荷裂隙的分布深度大小，与岩体的工程地质特性、洞径、埋深和开挖方式等因素有关。

（一）软弱围岩的卸荷裂隙

中科院地质所、总参工程兵第四设计研究所，对北京某地二叠系红庙岭组粘土岩中的隧洞围岩变形进行了连续十余年的原位监测。测试结果表明，围岩蠕变速率与其岩体力学性质、埋深、开挖方式有关，从理论上提出了“空间效应的距离”这一新概念。在正常情况下，开挖面到观测面之前和通过观测面之后的一定距离，变形速率是不同的：当开挖面达到距观测面一定距离之后，观测面的围岩变形进入加速度状态；开挖面到观测面处，围岩变形达到最大速度；之后进入减速阶段，到达一定距离之后，被开挖岩体对观测断面上岩体变形就不起作用了。这个影响观测断面岩体变形的隧洞开挖距离为“空间效应距离”（图2-8）。从前人实测统计的硬岩资料分析，空间效应作用距离一般为±（1.5～2）倍洞径，该工程的空间效应距离平均为3.35 倍。所以说软弱围岩空间效应作用距离比一般硬岩体的大。松弛，形成了松动圈围岩，它的“碎胀变形”是巷道收敛变形的主要原因。松动圈越大，巷道收敛变形也越大。利用地质雷达探测了相当强烈卸荷带的卸荷松弛圈分布范围（表2-3）。

图2-8　开挖面距观测断面距离

从上述空间效应长度分析可知，开挖断面洞壁以里1.675倍洞径距离，是受到变形的最大距离。随着距洞壁距离愈近变形愈大，洞壁处是岩体变形最大的地方。因此，可以认为该工程的围岩卸荷带厚度为1.675倍洞径。图2-8 所示的空间效应距离为15m，1/2 的空间效应距离为洞壁的卸荷厚度，即该工程隧洞的卸荷带厚度为7.5m。其中强烈卸荷带究竟多厚，杨永杰等人曾在华丰煤矿巷道里进行过调查。

华丰煤矿巷道一般由煤层、页岩、砂岩和灰岩组成。当巷道开挖后，巷壁失去约束而

表2-3　华丰煤矿强烈卸荷带厚度表

从上述探测资料分析，在该工程的具体情况下，围岩卸荷松动（张力区）厚度约是洞径的1 倍。

著者根据其他地区的硐壁松弛圈资料分析认为：较软岩的强烈卸荷带厚度为1 倍洞径；裂隙微张的一般卸荷带的厚度也大致为隧洞的1倍洞径。

（二）坚硬围岩的卸荷裂陈

图2-9　0+66.9m断面有限元计算位移（单位：mm）

我们于1982年7月～1983年12月在小浪底坝址左岸进行了15m跨度的隧洞开挖及支护试验。大跨度试验段（15m×6.35m）长56m。该段穿越以硬岩为主（岩组）的中厚层钙泥质粉细砂岩夹薄层页岩和泥化夹层。

在试验洞开挖以前，为了分析围岩的稳定性，用地下结构平面非线性有限元程序，对在无支护情况下的洞室进行了计算。0+66.9m断面的计算结果如图2-9所示。

随着试验洞的开挖及时安装了机械式多点伸长计、电感式多点伸长计、铟钢丝收敛计等仪器，同时进行了精密水准测量。

1.围岩绝对位移测量

（1）洞顶沉陷。根据精密水准仪测量结果，大体上有如下规律，即当开挖面距测点距离愈近，其沉陷量愈大，最大值7mm，平均值为3mm；当开挖断面离观测断面10m以外时，其下沉速度趋于零。

开挖前，在洞线桩号0+82m处的山顶上钻一钻孔，用γ-γ测井法进行连续观测。由于隧洞开挖，隧洞顶拱岩体失去支撑力而发生卸荷下沉，使岩体密度变小，引起γ-γ散射强度增加。当开挖面距离观测孔10m以内，γ-γ散射强度增加，说明岩体密度减小，当两者距离大于10m时，测孔中岩体γ-γ强度不再急剧变化，渐趋稳定。观测孔下部10m范围的岩体，其密度是变小的孔段。这说明洞顶沉陷影响深度在10m左右。

（2）洞底隆起。0+78m测点处，当开挖断面距观测断面在10m之内时，洞底隆起明显，当超过10m后，洞底隆起变形趋于稳定，总隆起量为8.8mm。

2.围岩相对位移测量(www.xing528.com)

顶拱机械式钻孔多点位移伸长计观测资料表明，随着中间导洞的开挖，顶拱位移量逐渐增加，到0+76m时，1～10m段围岩松动位移2～3mm，10～21m段松动位移1mm。拱腰机械式多点伸长计测量结果表明，随着洞室的开挖，0～2m段的围岩，压缩位移1mm左右，2～21m段的围岩，松动位移量为4.3mm，其中10～21m段围岩基本无位移。

通过前述理论计算，绝对量观测和相对量观测隧洞围岩卸荷变形等资料分析后认为，从定性上说，围岩卸荷松弛量，顶拱大于拱腰，顺地层倾向的拱腰大于逆向拱腰，拱腰大于洞底。由于本次观测的隧洞有跨度大洞高较低的特点，因此不宜用洞径来评价，应该用等效洞径来评价。本洞室的面积为15m×6.35m=95.25m2，相当于矩形洞高9.75m的洞子，相当于11m直径的圆洞。由此可以认为，洞顶卸荷影响深度约2倍洞径，边墙和底板的卸荷影响深度为1倍洞径左右，后者的深度还可能会更小些。

3.地下厂房围岩的卸荷裂隙

小浪底地下厂房布置在左岸“T”型山梁交会处的腹部，上覆岩体厚度为70～100m。地下3个洞室平行布置：主厂房开挖长度251.5m，开挖跨度22.3～26.2m，高26.5～57.94m；主变室开挖的长度、跨度、高度分别为177m、15.2m和17.8m；尾闸室开挖的长度、跨度和高度分别为175.8m、6～10m、20.65m。另有母线洞、尾水管洞、尾水叉管和明流尾水洞等。

厂区未发现大断层，仅有两条泥化夹层通过主厂房上方和主厂房吊车梁附近。厂房围岩为以硬岩为主夹有少量软岩的岩组。围岩中裂隙发育。岩层倾角8°～12°，层理与高倾角裂隙把岩体分割成“砖墙”状（图2-10）。为分析地下厂房的围岩稳定性问题，我们与总参工程兵科研三所合作，采用不连续的块体模型进行了地质力学模型试验和数值分析。试验中，取几何比例尺为1∶350，应力比例尺为1∶16。曾用不同开挖支护方式进行了Ⅵ块模型试验。其中Ⅱ号模型为毛洞，模拟两个机组，竖向地应力σv=4.164MPa，水平地应力σH=3.331MPa。模型平卧于加载装置中，4 个侧面均加主动荷载，通过盖板和4台油缸保持模型的平面应变条件。开洞荷载（σ°V 和σ°H 分别等于0.26MPa、0.21MPa）是由现场实测得到的位于成洞位置的地应力确定的。一般保持侧压力系数N（σH/σV）为0.8，分多步施加荷载σV、σH 至开洞荷载σ°V 和σ°H。尔后，保持荷载不变，按开挖步骤逐步开挖，直至全部开挖完毕。在各个加载步骤和开挖步骤中，测量洞壁位移和块体应变，测试取得了如下成果。

图2-10　地下厂房洞室区地质剖面示意图

1—岩组代号；2—岩组界线；3—泥化夹层

（1）洞壁绝对位移。测点按图2-11 所示的情况布置。共15 个测点，基本上控制了三大洞室的变形范围。各测点的实测位移量随开挖过程逐步加大，洞群全部开挖完成后的位移量乘以系数350 即为原型值。绝对位移量大的地方多是顶拱、泥化夹层、洞底和两维开挖面锁口上方等地方，这里也是卸荷裂隙相对发育的地方。

（2）初始应变场。开洞前所有测点的主方向虽有一定的偏斜，但从总体看，主方向分别与σV和σH方向基本一致，所有测点均为压应变，岩组中应变值普遍小于岩组的，这是因为前者的弹模高于后者；同一岩组内各测点应变值有较大离散度，不像均质或分层均质模型那样均匀，主方向也有所差别。

图2-11　洞壁绝对位移测点及其绝对位移量示意图

#1～#15—绝对位移测点编号；34.1—绝对位移量（mm）；→—移动方向

（3）初始应力场。地应力作用下的围岩的初始应力场，总体上看，各测点应力值比较均匀，但与均匀和分层均质模型试验结果相比，数值和方向均有较大的离散度；各测点两主应力σ1、σ2 的自身平均值分别与σ°V 和σ°H 比较接近。

开洞前各测点应力或应变有较大离散度，是块体模型中块体大小不一，组合及咬合程度不同导致块间力的传递不同所造成一定的随机性。

（4）开挖完成后围岩的受力特点。介质中每个质点应力σ1 与σ2 之比值明显小于0.8，这是因为在块体介质测量与计算结果都是整个岩块的平均值，不是岩块中某个质点的状态；另外，由于每一岩块都被周围裂隙包围，岩块与岩块之间被接近竖直的裂隙和近似水平的层面分隔开；在接近σv方向，近似竖向的裂隙互相错位，使岩块间呈交错咬合状态；在接近σV方向，层面呈非交错咬合状态。这两个方向的不同锒砌形式，其应力传递规律是明显不同的。同时，本区地层具有硬软不同的特征，应变场具分层均匀分布特征。在软岩中，应变值相对大，在硬岩层中，应变值相对小，这种应变场具分层（域）均匀特征。

洞周应力应变分布的特征是：在块体介质中环流现象不明显，开挖洞室形成的二次应力应变在洞周围岩体中扰动范围不大；成洞后张应力区（σ1＜0）出现在主厂房上游拱脚，下游边墙墙根，母线洞与主厂房下游边墙交接处（上、下）及主变室上游边墙墙脚。其中主厂房下游边墙墙根和主变室上游边墙墙脚张应力值最大，分别为1.92MPa 和1.28MPa（均为原型）；应力集中出现在三洞室的边墙，且靠近拱脚处最大，表2-4给出了不同位置的应力集中系数。

表2-4　应力集中系数及其所在位置表

（5）变形场分析。由于洞室开挖，导致围岩体被远场岩体挤压而向洞室移动，形成相对变形场，块体介质中，每一岩块为分离状态。由于岩层倾向下游，洞室开挖使厂房上游侧岩体产生沿层面（层）向下游移动即向主厂房运动；厂房下游侧岩体受向下游倾斜层面的限制，限制其向（上游）洞室移动，其位移量明显小于厂房上游侧岩体。每一岩块运动包含着转动、移动以及自身变形等各种运动形式。就整个洞室而言，主厂房卸荷裂隙对刚度的削弱远比其他两洞室要大。

（6）洞室周围岩体的受拉范围（卸荷松弛）。在洞室模型制备后开挖洞室前，在模型的上下侧和左右侧，施加开挖洞室荷载σ°V 和σ°H，σ°V=0.266MPa 和σ°H =0.213MPa。成洞室后（毛洞、无支护）周围岩体的有些地方出现张应力。然后逐级施加荷载，每级荷载为σV=0.1～0.2MPa，当加到σv=0.530MPa时，出现初始破坏现象，这里的“破坏”含义，微观上是裂缝片开裂或应变片断开；宏观上则以肉眼看见轻微地掉砂粒。最早出现破坏现象的荷载为初始的破坏荷载。然后逐级加到自重荷载，在初始破坏荷载时出现张应力区的基础上，受拉区进一步扩大。在自重荷载作用下，自重效应使主厂房和尾闸室拱部产生较大范围的张应力区即强烈卸荷区。主厂房拱顶受拉深度达22m，尾闸室拱顶受拉深度为12.5m。受拉区深度约是其跨度的1倍。