杨金金，张　军

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)



岩体开挖卸荷后围岩变异的时间效应研究

杨金金，张军

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

摘要：通过测试岩体开挖卸荷后不同时间间隔内洞室围岩的弹性波波速，分析波速变异速率的变化规律，研究岩体开挖卸荷后洞室围岩性状变异随时间的变化规律，并对洞室围岩弹性波波速进行反算，证明岩体开挖卸荷后性状变异时间效应理论的可行性。经过研究得出结论：随着时间的延续，开挖卸荷作用逐渐减弱，洞室围岩的弹性波波速逐渐降低，波速变异速率也越来越小，至15 a时，波速变异速率基本不变，洞室围岩性状变异也趋于稳定。

关键词：洞室围岩；开挖卸荷；弹性波波速；性状变异

地下工程建设过程中，岩体受开挖卸荷因素的影响会产生地应力重分配和释放,在开挖面一定深度范围内，岩体将出现应力释放产生的松弛带,这会使成洞后围岩物理力学性状出现不同程度的变异，而且这种变异难以用理论计算或经验方法获得。由于弹性波测试的方法具有测试精度高、速度快、费用低等优点,并在实际工程中取得了显著的效果，因此许多研究者都选用弹性波波速这一参数来研究岩体开挖卸荷后围岩性状的变化规律。如李晓等[1]通过现场测试岩体弹性波波速来划分松弛带厚度，并分析了松弛带内岩体力学参数的变化规律；米德才等[2]发现百色大坝坝基开挖后表部出现一定厚度的低波速松弛及岩体破碎现象，对其采取加固措施后进行了岩体弹性波波速检测，发现岩体弹性波波速恢复且接近正常。针对三峡工程永久船闸高边坡岩体，石安池等[3]采用钻孔声波手段研究其卸荷松弛特征，根据波速的时空变化特征判定松弛带厚度；肖国强等[4]研究其因开挖卸荷致使应力重分布进而引起卸荷松弛的规律，并用声波检测划分卸荷松弛厚度；廖伟等[5]通过声波测试，分析了高地应力条件下弹性波波速随时间的变化规律，进而认识到开挖引起的岩体卸荷松弛深度、程度等随时间的变化趋势。丁梧秀等[6]经过研究发现：岩体开挖成洞以后围岩性状的变异是随时间变化的，这种变异程度可以通过波速下降的幅度来研究，而波速变异的速率则表征了单位时间内波速的变化值。

本文通过对不同开挖卸荷时间的洞室围岩波速变化情况的分析，研究岩体开挖卸荷后洞室围岩性状变异的时间效应。因为施工隧洞满足不了围岩性状变异过程的研究，所以选择了某坝基岩体的探洞进行该项研究工作，测点位置一般为I类、II类岩体。

1洞室围岩弹性波波速统计与分析

波速变异速率是指波速在不同的时间间隔内的变化，以弹性波纵波速度为依据。洞室围岩弹性波波速测试主要是对不同洞室和同一洞室在不同深度上进行。某坝址探洞不同时间间隔的围岩弹性波波速测试结果如表1所示。

对表1进行分析，可以得出以下规律:

(1)成洞时间相同的同一洞室在不同测段测得的波速不全相等，有的甚至相差很多，这使得在相同的时间间隔里波速变异速率也不同，有的波速变异速率接近相等，有的则差异很大，这是因为不同测段的岩体受开挖卸荷的影响程度不同。

(2)同一洞室同一测段内测得的波速随时间的推移逐渐减小，相隔的时间越久，测得的波速越小，波速变异速率也在不断减小，最后趋于稳定。

(3)洞室围岩测试的波速最大变异速率为30%左右，为开挖成洞后半年内的观测数据，此时围岩受开挖卸荷作用很明显，波速最小变异速率为1.0%左右，为成洞后15 a左右的波速变异速率，说明此时围岩为基本稳定状态。

表1　某坝址探洞围岩不同年份波速及其波速变异速率统计表

2洞室围岩弹性波波速变异速率统计与分析

由表1中的实测数据，计算出在不同的时间间隔内的围岩波速平均变异速率N(见表2)。

表2　成洞围岩波速变异速率与相隔年份统计表

根据表2中的数据，可得围岩波速平均变异速率N与时间间隔d的关系为

N=10.806d-0.847 3

(1)

R=0.973 2

由式(1)可知：围岩波速平均变异速率与时间间隔d呈幂函数关系，相关系数R近似为1，说明二者的相关性很好，围岩性状变异过程有很好的规律性，这种规律的揭示对开挖卸荷后岩体的物理力学性状变化的认识是有意义的，其相关曲线如图1所示。

图1　成洞围岩波速平均变异速率与时间间隔的关系

通过对图1的分析，得出以下规律：

(1)从整体上看，研究区内岩体开挖后围岩性状(波速)变异的最大速率近似为30%，最小速率近似为1.0%，且变异速率是逐渐下降的，最后趋于稳定。

(2)从曲线的形态上看，在最初的0～3 a内，曲线形状近似一条垂线，说明围岩性状(波速)变异速率很大，最大在开挖初期，变异速率为30%左右，这是因为在岩体开挖的起始阶段是应力释放最快的时期。3 a以后，围岩性状(波速)变异速率逐渐趋于平稳，但曲线形状并非是一条完整直线，这是因为岩体的回弹、卸荷作用使应力释放逐渐减弱。到9 a以后，围岩性状(波速)变异速率为1.5%左右，至15 a左右时，曲线基本为一条直线，此时变异速率只有1.0%左右，围岩性状基本稳定，直至最后在新的应力条件下处于新的平衡，这是因为岩体表面已完全松弛，其性状不再变化。

综上所述，通过分析波速变异速率的变化规律，可知岩体开挖后若干年内围岩性状是逐渐变化的，故所测参数也是变化的。但是由于测得的参数是不断变化的，这对岩体的合理评价将产生一定的不利影响。因此，要正确运用岩体开挖后性状的变异规律，消除其不利影响。

3洞室围岩弹性波波速的反算

为了取得正确的岩体波速参数，在现场测试的基础上必须对所测数据进行时间效应的校正与反算，根据N-d的关系，可得

(2)

(3)

式中:N为变异率；Vp1为反算的洞室开挖年代洞壁波速；Vp为任意年代所测洞壁波速；d为从开挖时至测试年代的时间间隔。

由式(3)反算出各洞室开挖年代洞壁波速值(见表3)。

4洞室围岩弹性波波速反算效果的检验

研究表明，地震波整体穿透测试是能较真实地反映岩体原始赋存状态性质的波动力学测试方法，所以此处选取同点位的地震波整体穿透波速的平均值作为参照，以此来检验岩体波速反算的效果。表4给出了某坝址部分洞室洞壁波速平均值，根据时间效应原理反算的洞室开挖年代洞壁波速平均值和地震波整体穿透(同点位)波速平均值VP2。

表3　某坝址部分洞室洞壁波速反算值

表4　某坝址部分洞室洞壁波速平均值的比较

分析表4中数据可以看出：VP2和VP的相对误差范围约在7.0%～15%，平均相对误差约为13%，这说明VP2和VP的相对误差较大；VP2和VP1的相对误差大致都在1.0%左右，平均相对误差约为0.8%，这说明VP2和VP1和的相对误差较小；而VP2和VP1和的绝对误差基本上都小于0.1%。这种变化规律说明反算的洞室开挖年代洞壁波速非常接近地震波整体穿透(同点位)波速，二者误差很小，也即证明了岩体开挖后性状变异时间效应理论具有一定的正确性。

5结论

(1)在开挖卸荷作用下洞室围岩性状(波速)变异随时间的推移呈现一定的规律性。在最初的3 a里洞室围岩性状(波速)变异速率很大，这是因为在岩体开挖的起始阶段是应力释放最快的时期。3 a以后，洞室围岩性状变异速率逐渐趋于平稳，这是因为岩体的回弹、卸荷作用使应力释放逐渐减弱。至15 a时，洞室围岩性状(波速)变异速率非常小，此时洞室围岩基本稳定，这是因为岩体表面已完全松弛，其性状不再变化。这些变化规律表明了开挖卸荷作用下洞室围岩性状(波速)变异具有时间效应。

(2)从某种意义上说，岩体性状(波速)变异是应力逐步解除的过程，而波速的反算代表了从测试年代到开挖年代岩体应力的恢复。本次研究所测地区岩体主要是I类和II类，这类岩体完整性较好，应力保持相对较好，岩体基本都是未风化或微风化，这类岩体遵循变异时间效应理论。但是对滑坡、强风化岩体及松动岩体可能不遵循变异时间效应理论。

参考文献

[1]李晓,聂德新,万宗礼,等.公伯峡电站开挖边坡古风化岩体松弛与工程特性变化研究[J].工程地质学报,2005,13(2):155-159.

[2]米德才,陆民安.百色水利枢纽RCC坝基岩体松弛及处理[J].水力发电,2006,32(12):43-45.

[3]石安池,徐卫亚,张贵科.三峡工程永久船闸高边坡岩体卸荷松弛特性研究[J].岩土力学,2006,27(5):723-729.

[4]肖国强,覃毅宝,王法则,等.声波法在三峡工程永久船闸边坡岩体卸荷松弛监测中的应用[J].岩土力学,2006,27(z):1235-1238.

[5]廖伟,何刚,许海燕,等.高地应力条件下岩体松弛时间效应检测[J].工程地球物理学报,2011,8(5):609-615.

[6]丁梧秀,胡云杰,赵建利.赋存环境对岩土体弹性波波速敏感性研究[J].洛阳工业高等专科学校学报,2001,11(4):8-9.

Time effect of rock mass variation after excavation and unloading

YANG Jin-jin，ZHANG Jun

(CollegeofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract：Through the observation of rock excavation unloading after different time of surrounding rock wave velocity,the variation of the velocity of the wave velocity is analyzed and the rock mass excavation unloading of surrounding rock of trait variation of time varying law is studied.And inversing the velocity of the surrounding rock and proving the correctness of trait variation time effect theory of unloading rock mass excavation are performed at the same time.The research conclusion is as follows:with the extension of time,the excavation unloading effect is gradually weakened,the surrounding rock wave velocity decreases gradually,and the variation rate of the wave velocity is smaller.In the 15 years,the variation rate of the wave velocity is almost constant, and the variation of the surrounding rock is stable.

Key words：surrounding rock;excavation unloading;elastic wave velocity;trait variation

中图分类号：TU459+.3

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.009

文章编号:1674-7046(2016)01-0052-05

作者简介：杨金金(1988—)，女，河南巩义人，硕士研究生。

基金项目：河南省高校科技创新团队支持项目(14IRTSTHN029);河南省科技攻关项目(132106000078)

收稿日期：2015-10-23