某隧道圍巖模量和松動圈厚度測試

鄭 星， 鄧守春， 羅超文, 李海波

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；中國科學院大學，北京 100049)

巖體的模量參數在工程的設計、施工和后期的運營維護階段都是重要的參考數據，對于巖體彈性模量的相關研究一直是工程界的熱點[1-4]，裴啟濤等[2]推導了巖體性質參數與水平主應力之間的定量關系，并討論了巖體模量與地應力的關系，結合現場地應力和彈性模量測試成果，分析得出了當埋深較小時，花崗巖中巖體模量與水平主應力之間呈正相關關系，當埋深較大時，呈非線性關系，但是埋深對兩者的影響均不可忽略；隨裕華[3]采用剛性承壓板法對古賢水利壩址基巖進行了變形模量研究，得出了壓力變形曲線的四種形式和氣對應的巖體結構狀態，以及加載方式對應的結構面的方向等結論，上凸型曲線表明加載方向垂直于結構面并且巖體具有層理、裂隙，下凹型曲線說明巖體具有層理、裂隙等結構面，表現為非均質性，直線型和近似直線型曲線反映巖體有較好的均質性，或是加載方向平行于層理；尹建民等[4]利用鉆孔彈模試驗方法對田灣核電站基巖進行了測試，并與室內常規試驗進行了驗證對比。目前國內外普遍采用動力法和靜力法對工程巖體的模量進行測試，動力法依據地震波和聲波在巖體中傳播的時空規律來聯系與巖體彈性模量的關系[5]。動力法有著方便、快捷、高效、低成本、大范圍測試等優點。靜力法通過對巖體主動施壓，測試在荷載作用下巖體的變形值，根據彈性力學公式推算出巖體變形參數。靜力法可分為鉆孔彈模計法和承壓板法。承壓板法對場地和費用較高，在工程項目中應用較少[6]。鉆孔彈模計法具有能結合深鉆孔測試、測試點對圍巖的原始狀態破壞較小、能盡可能反映巖體真實的模量值、直接快速高效測試深部巖體大范圍的模量值等優點，是國際上推薦的方法[7]，廣泛應用于水電站、礦山、隧道、核電等工程領域[8-11]。現采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的BJ-110鉆孔彈摸計和RSM-SY5型非金屬超聲波儀，并結合室內單軸壓縮強度試驗，綜合測試分析隧道圍巖巖體模量值和松動圈分布形態與厚度，相較于前人單一測試方法，現結合動靜兩種方法所測的成果相互印證，以便于選擇最佳結果[12]。

1 工程概況和地質條件

本文研究的小相嶺隧道位于四川省涼山彝族自治州越西縣和喜德縣境內，屬于成昆鐵路擴能工程EMZQ-9標段，隧道全長21.775 km，起訖里程DK345+400～DK367+175，單洞雙線，屬Ⅰ級高風險隧道，隧道采用光面爆破技術[1]，鉆爆施工中采用水平楔形掏槽。隧道以Ⅳ級圍巖為主，其中Ⅲ級圍巖長7 550 m，占隧道全長35%；Ⅳ級圍巖12 200 m，占隧道全長56%；Ⅴ級圍巖2 025 m，占隧道全長9%，隧道最大埋深約1 350 m。隧道進口段為覆蓋層較厚，為第四系全新統滑坡堆積層(Q4del)粉質黏土、碎石土，沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土、粗圓礫土、卵石土、漂石土，坡積層(Q4dl+el)粉質黏土；測試區域附近巖性為砂巖、泥巖、粉砂巖夾炭質頁巖及煤，含大量植物化石碎片，弱風化帶，屬Ⅳ級軟石。隧道平導洞施工過程中產生了一些工程問題：圖1(a)顯示PDK346+210-PDK346+450段拱架變形加劇，扭曲加劇，左側拱腰掉塊增多；圖1(b)、圖1(c)顯示底板PDK346+190～PDK346+320肉眼可見上拱明顯，段縱向裂紋變寬，最寬處7 cm；圖1(d)顯示該處拱部左側初支掉塊。

圖1 一系列工程災害

2 鉆孔彈模測試

2.1 鉆孔彈模測試原理和儀器

實驗的儀器采用BJ-110鉆孔彈模計，它是基于Goodman Jack的原理，但是做了全面的改進，所測定的模量值不需要進過修證，所測值就是真實值[13]。該儀器主要有位移量測系統和加壓系統構成。現場試驗時，通過油壓泵手動加壓推動儀器內部活塞，活塞推動剛性承壓板在鉆孔巖壁上施加一個對稱條形荷載帶。承壓板上安裝有高精度位移傳感器，用它測量承壓板的在巖壁上加壓時的徑向變形，活塞上的測力計可以實時測出承壓板上的壓力[14]。

當在水平孔進行試驗時，可以測試平行于水平面和垂直于水平面兩個方向的巖體模量值，當在鉛直孔進行試驗時，只能測試水平面的巖體模量值。

試驗時通過獲取壓力和位移參數，代入式(1)[15]即可計算出測試部位巖體的模量值。

E=AHDT*(ν,β)ΔQ/ΔD

(1)

式(1)中：E為測試部位巖體模量值；A為三維問題的影響系數，試驗取0.93；H為壓力修正系數，試驗取0.98；D為實測鉆孔直徑，mm；ΔQ為壓力增量，MPa；ΔD為變形增量，mm；T*(ν,β)為與承壓板弧度β和巖體泊松比μ有關的系數，試驗取T*(ν,β)=2.547。

2.2 測點布置和工作量

在隧道DK346+415處利用鉆孔進行鉆孔彈模試驗。此次試驗一共有兩個試驗鉆孔，分別是隧道邊墻水平孔、底板鉛直孔。

試驗孔孔徑為Φ91 mm，實際孔徑均大于Φ94 mm，完成鉆孔彈性模量試驗點數見表1，兩個鉆孔共計完成66點鉆孔彈模測試。巖體模量測試孔分布如圖2所示。

表1 測試點位置和數量

圖2 巖體模量測試孔分布示意圖

2.3 試驗步驟

測試步驟依據相關規范和建議方法進行[16]。

(1)根據規范連接好裝置每個部分，并檢查儀器的工作性能。

(2)利用鉆機將彈模計放入指定的試驗部位，用壓力泵先施加2 MPa壓力值，讓承壓板頂著巖壁，讀出此時位移傳感器和壓力表上的數值，作為初始值。

(3)根據巖體的強度和設計規范確定施加的最大壓力量值，并將此壓力分為7～8級。

(4)此次按照大循環加壓，加載過程為：0→2→4→8→12→16→20 MPa；卸載過程為：20→16→12→8→4→2→0 MPa。

(5)每次卸壓和加壓都從最初始的壓力值開始。

(6)每個測試段結束后，用壓力泵回油，收回承壓板至實驗前狀態，通過鉆機移至下一測試點，如此循環。

2.4 試驗成果與分析

2.4.1 試驗數據處理原則

壓力-變形曲線一般分為A、B類曲線[5]，選取兩個有代表性的壓力-變形曲線圖進行分析，如圖3和圖4所示，曲線大致分為三個區間段，分別是0～4 MPa低壓段、4～10 MPa中壓段、10～18 MPa高壓段。在低壓段，壓力隨著承壓板的位移快速增大而小幅增加，此階段承壓板與巖壁逐漸接觸并擠壓圍巖，由于鉆孔導致孔壁附近的巖體產生松弛和裂隙，反映在壓力-變形曲線上是非線性段；在中壓段，承壓板壓力進一步加大，曲線呈現近似線性，此階段承壓板進一步壓密巖壁，巖體裂隙閉合，壓力增長較快；在高壓段，壓力隨著位移的增加而快速增加，巖體微裂隙進一步閉合，巖體受力區進一步向原巖擴展，曲線呈現線性。數據的處理原則可以近似依據曲線的分區進行。即：低于4 MPa的壓力段定義為E1，一般舍棄；將4～10 MPa壓力段的割線模量定義為E2；當做變形模量值，反映了在一定程度上。殘余變形的影響；大于8 MPa的壓力段的割線模量定義為E3，作為彈性模量值，應該重點參考此值。

圖3 水平孔深度21 m處壓力-變形曲線

圖4 鉛直孔18.4 m處壓力-變形曲線

2.4.2 水平鉆孔成果和分析

表2給出了邊墻水平鉆孔分別沿洞軸線和鉛直方向不同深度的模量值。a/c與b/d分別表示的是洞軸線方向和鉛直方向變形模量和彈性模量的比值。根據鉆孔揭露，巖體為微風化炭質頁巖，洞軸線方向變形模量值范圍為5.00～13.37 GPa，平均值為9.55 GPa，彈性模量值范圍為6.45～22.51 GPa，平均值為11.96 GPa。鉛直方向變形模量值范圍為5.00～13.37 GPa，平均值為9.55 GPa，彈性模量值范圍為6.45～22.51 GPa，平均值為11.96 GPa。

在測試深度1～12 m，洞軸線向與鉛直向巖體的變形模量比值為0.86～1.60，平均值為1.35；彈性模量比值為1.03～1.96，平均值為1.36。因此兩個方向巖體的模量值差異較大，表明微風化炭質頁巖整體上巖體的各項異性比較明顯。

表2 邊墻水平鉆孔彈模測實驗結果

注：E2表示“壓力變形圖”中4～10 MPa壓力段的割線模量，即變形模量值；E3表示“壓力變形圖”中大于8 MPa的壓力段的割線模量，即彈性模量值。

圖5表示邊墻水平鉆孔巖體模量與鉆孔深度的關系曲線，由圖8可知，在2.8、9.25、16.7、21 m測試點處的巖體模量值明顯小于其他相鄰測試點。因為在2.8 m處，由于隧道爆破開挖導致該測試點附近處于卸荷松弛帶內；而9.25、16.7、21 m測試點通過鉆孔電視發現有明顯的裂隙和節理。

圖5 邊墻水平鉆孔巖體模量-深度曲線

2.4.3 鉛直鉆孔成果和分析

表3給出了底板鉛直鉆孔分別沿垂直洞軸線和洞軸線方向不同深度的模量值。鉆孔顯示巖體為微風化炭質頁巖，垂直洞軸線方向變形模量值范圍為6.66～26.56 GPa，平均值為15.04 GPa，彈性模量值范圍為7.63～35.75 GPa，平均值為20.4 GPa。洞軸線方向變形模量值范圍為5.90～15.92 GPa，平均值為10.65 GPa，彈性模量值范圍為6.87～22.43 GPa，平均值為14.21 GPa。在測試深度3.4～15.4 m范圍內，垂直洞軸線方向與洞軸線方向巖體的變形模量比值為1.10～2.10，平均值為1.41 GPa；彈性模量比值為0.98～2.53 GPa，平均值為1.44 GPa。由于巖體存在節理和裂隙，在6.9 m、11.4 m測點處巖體的模量值較小，并且兩個方向模量比值較大，表現出較強的各項異性。在測試深度3.4～15.4 m范圍內，垂直洞軸線方向與洞軸線方向巖體的變形模量比值為1.10～2.10，平均值為1.41 GPa；彈性模量比值為0.98～2.53 GPa，平均值為1.44 GPa。由于巖體存在節理和裂隙，在6.9 m、11.4 m測點處巖體的模量值較小，并且兩個方向模量比值較大，表現出較強的各項異性。

圖6表示底板鉛直鉆孔巖體模量與鉆孔深度之間的關系曲線，根據圖9可知，在5.0、11.8、18.0、22 m測試點處的巖體模量值小于其他相鄰測試點。在5.0 m處，由于隧道爆破開挖導致該測試點附近處于卸荷松弛帶內；而在11.8、18.0、22 m測試點通過鉆孔電視發現有比較明顯的裂隙和節理。

綜合表2和表3的數據，兩個測試鉆孔的模量比值都較大，整體上反映了該區域巖體的各項異性較明顯。巖體模量值整體偏小，反映了該區域Ⅳ級軟巖強度較低，緩傾的軟巖構造可能導致隧道發生較大的變形。

圖6 底板鉛直鉆孔巖體模量-深度曲線

表3 底板鉛直鉆孔彈模測實驗結果

注：E2表示“壓力變形圖”中4～10 MPa壓力段的割線模量，即變形模量值；E3表示“壓力變形圖”中大于8 MPa的壓力段的割線模量，即彈性模量值。

2.4.4 鉆孔彈模數據綜合分析

表4是兩個測試鉆孔綜合分析的數據，統計兩個鉆孔一共66個測試點的數據。得知，巖體沿著洞軸線方向變形模量值為5.00～15.92 GPa，平均值為9.93 GPa，標準差為3.02 GPa，彈性模量值為6.45～25.81 GPa，平均值為12.73 GPa，標準差為4.73 GPa；垂直洞軸線方向變形模量值為6.66～26.56 GPa，平均值為15.04 GPa，標準差為6.19 GPa，彈性模量值為7.63～35.75 GPa，平均值為20.4 GPa標準差為8.76 GPa；鉛直方向變形模量值為4.90～9.26 GPa，平均值為7.05 GPa，標準差為1.37 GPa，彈性模量值為6.10～12.30 GPa，平均值為8.78 GPa，標準差為1.89 GPa；若不考慮巖體的方向性，巖體綜合變形模量值為4.90～26.56 GPa，標準差為3.52 GPa，彈性模量為6.10～35.75 GPa，標準差為5.13 GPa。

3 單孔聲波測試過程和成果分析

3.1 聲波測試簡介

聲波測試時根據被測巖體中聲波的傳播速度、振幅和頻率等參數來評價的巖體性狀。其基本原理是利用超聲脈沖發射源向被測介質內發射高頻率彈性脈沖波，結合高精度接收系統記錄該脈沖波在巖體中傳播過程的波動特性；波在傳播過程中遇到巖體內部的不連續結構面時會形成波阻抗界面，遇到該界面的波會產生反射和透射，使得接收器收到的透射波能量明顯降低；當巖體的這一結構面破損嚴重時，波將產生散射和繞射；依據波的初始到達時間和能量衰減的性狀，以及頻率變化和波形畸變的程度，可以獲得測區范圍內介質的縱波波速等相關參數[17]。聲波法廣泛應用于各類工程實踐中，如韓雨和楊偉[18]利用聲波法對橋梁和樁基進行檢測，判斷出缺陷所在部位和損傷程度；張建明等[19]對蘭州地區四個不同地貌單元季節凍土開展了現場聲波波速試驗，揭示了土的膠結程度對波速的重要影響；李成波等[20]結合超聲波測試實驗和巖石加卸載循環實驗，建立了巖石截止中彈性參數和波速之間的關系。波速的計算式為

Vp=s/(t1-t2)

(2)

式(2)中：Vp為縱波波速；s為兩個接收換能器之間的距離；t1、t2分別是聲波到達接收換能器1和2的時間。聲波測試采取單孔聲波測試法，其關鍵步驟是發射器和接受換能裝置在同一鉆孔中，在相對固定間距的條件下，沿著孔深逐點測度換能器接收到的聲波初至時間。利用清水作為換能器和被測介質之間的耦合劑；聲波測試系統采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RSM-SY5型非金屬超聲波儀，并且配備了相依的檢波程序，換能器頻率為10 kHz；為了提高研究的精確度，排除巖性及地質構造的影響，因此試驗測試段選擇的是巖層均一，地質構造差異小的中間段。

表4 邊墻水平和底板鉛直鉆孔彈模測實驗結果

注：綜合值表示的就是在不考慮巖體方向的情況下，將兩個測試孔中的數據匯總計算的數值，作為一種巖體特定情況的分析指標，其量綱是GPa，表示變形模量和彈性模量的值，最后的統計數量綱是“個”。

3.2 聲波測試成果和分析

3.2.1 聲波測試位點布置

利用上述聲波測試方法對這一斷面的六個測試孔進行了測試。測試孔分別位于隧洞兩肩的S5和S6孔、兩腰的S1和S2孔、邊墻的S2和S3孔、底板的S7孔；測試孔每隔0.2 m測試一次，對全孔段進行測試。得到圖7孔深-圍巖平均波速曲線。圍巖的應力越大，完整性越好，聲波在巖體中傳播的速度越快；聲波的傳播速度與巖體的結構和巖性都密切相關；對于完整性較好的巖體，聲波在其中傳播速度較快，反之在節理和裂隙較多的巖體中波速傳播較慢，縱波波速較低，這是利用縱波波速劃分松動圈的地球物理前提[21]。圖7中的S7曲線，在0.5～2.53 m處波速急劇上升，之后的波速變化不明顯，可劃分孔內松動圈厚度為2.53 m。根據聲波波速-孔深的曲線分別確定S1～S7孔內巖體松動的厚度分別為1.68、1.70、1.50、1.45、1.60、1.62、2.53 m；表5是聲波測試試驗成果，并據此畫出該隧道剖面的圍巖松動圈分布示意圖如圖8所示[5]。

3.2.2 巖石單軸抗壓強度試驗

為了解測試區巖體的靜彈性模量和泊松比等巖體力學參數，充實試驗的對比數據，在試驗區取樣并在室內開展實驗。根據規程[16]，將巖樣加工成標準試件，利用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150C巖石力學試驗機(圖9)，通過位移伺服控制，對10個飽水試件進行單軸抗壓強度試驗，圖10、圖11為試驗前后的試樣，圖12為試驗結果參數曲線。

圖7 孔深-圍巖平均波速關系

表5 縱波波速范圍和松動圈厚度

圖9 RMT-150C巖石力學試驗機

圖10 試驗前飽水試樣

圖11 試驗后壓壞的試樣

圖12 試樣飽和單軸抗壓強度試驗參數

3.2.3 試驗成果分析

巖樣的峰值應力為16.5～60.9 MPa，平均值為37.24 MPa；彈性模量為1.7～19.6 GPa，平均值為11.13 GPa；變形模量為2.0～16.5 GPa，平均值為7.86 GPa；泊松比為0.18～0.29，平均值為0.257。

巖石的靜泊松比與其動泊松比相似[22]，利用聲波數據，選擇巖體動彈性模量值計算公式為

Ed=ρVp(1+μd)(1-2μd)(1-μd)

(3)

式(3)中：Ed為動彈性模量；ρ為巖石密度；μd為動泊松比(此處用靜泊松比0.257代替);Vp縱波波速。

由此計算出松動圈和完整區的彈性模量值。根據表6得知，聲波測得的巖體松動圈界限處的動彈性模量值為7.69～10.54 GPa，平均值為9.74 GPa；完整區的動彈性模量為15.10～20.32 GPa，平均值為17.95 GPa。開挖導致圍巖的應力重分布和巖體的損傷，松動區巖體的相較于完整去巖體的模量值降幅百分比為36%～49%，平均值為46%；松動圈和完整區巖體動彈性模量與靜彈性模量的比值分別為0.69～0.95、1.36～1.83；平均值分別為0.88、1.61。

表6 動彈性模量測試成果

4 試驗成果綜合分析

4.1 圍巖松動圈厚度

鉆孔彈模計測得的邊墻水平孔在0～5 m厚度范圍內巖體模量值明顯小于其他深度的值，在0～5 m深度范圍巖體的變形模量和彈性模量平均值值分別為6.25 GPa、8.5 GPa；而在5～25 m深度范圍內，巖體的變形模量和彈性模量平均值分別為10.24 GPa、12.69 GPa，靠近洞壁的巖體模量值小于深部巖體模量值，是由于開挖過程和高地應力導致洞壁處巖體松弛劣化，巖體模量值減小，由此判定水平孔的松弛深度為0～5 m；底板鉛直孔在0～5.4 m厚度范圍內巖體模量值明顯小于其他深度的值，在0～5.4 m深度范圍巖體的變形模量和彈性模量平均值值分別為8.14 GPa、9.75 GPa；而在5.4～24.4 m深度范圍內，巖體的變形模量和彈性模量平均值分別為16.19 GPa、22.17 GPa，隧道底板采用預裂爆破，松弛厚度比水平孔略大，鉛直孔松弛深度為0～5.4 m。松弛區巖體彈性模量和變形模量與原巖區比值：水平孔為0.67、0.61；鉛直孔為0.44、0.50；鉆孔彈模計測與聲波法測得的圍巖松動圈形態特征基本一致。但聲波試驗測試巖體的損傷深度遠小于鉆孔彈模測試的測值，這是由于聲波在測試過程中，孔內充滿了水，聲波傳播過程中可能繞過巖體中微裂隙，從而不能充分的反應巖體的實際結構，因此其損傷深度范圍受到較大影響。此外，李焯芬等[13]認為聲波法測試試驗成果分散，可以參考聲波法的實驗成果，但不宜在計算中直接引用，并且建議直接采用BJ-110鉆孔彈摸計所測值。鑒于此，由聲波法確定圍巖松動圈的形態為近似圓形，由鉆孔彈摸計確定松動圈的厚度為5 m左右，這與前人所測值相近[23]。

4.2 圍巖巖體模量值

鉆孔彈模計測得的水平孔變形模量和彈性模量平均值分別為8.74 GPa、10.93 GPa，比值為0.79，鉛直孔的變形模量和彈性模量平均值分別為13.36 GPa、18.03 GPa，比值為0.74，表明巖體的各項異性較明顯。底板鉛直孔與邊墻水平孔的變形模量和彈性模量比值分別為1.53、1.65，表明水平孔與鉛直孔巖體模量值整體差異明顯。圍巖巖樣室內飽和單軸抗壓強度試驗的峰值應力平均值為37.24 MPa，靜彈性模量平均值為11.13 GPa；聲波試驗所得的松動圈和完整區動彈性模量平均值分別為9.74 GPa、17.95 GPa。鉆孔彈摸計測得的巖體模量值與室內測得的靜彈性模量值比較接近。聲波法測得的動彈性模量值是室內測得的靜彈性模量值的1～2倍，基本符合前人總結的規律[13]，實際使用時要考慮一些人為因素進行折減，所測的結果一般只作為參考，較少作為取值依據。聲波法和室內單軸壓縮實驗作為對照性實驗，其測得的模量值與鉆孔彈摸計能夠較好的對應，進一步驗證了鉆孔彈摸計測試結果的準確性。彈摸計測試成果與《工程巖體分級標準》(GB 50218—94)給出的Ⅳ類巖體變形參考值比較接近，表明巖體模量測試成果是可靠的[6]。

5 結論

根據小相嶺隧道鉆孔彈模計和聲波測試的成果分析，可以初步得出以下結論。

(1)鉆孔彈模成果較好地反映了圍巖的結構特征，測試得出的壓力-變形曲線規律性明顯，巖體模量值與規范中Ⅳ級圍巖對應較好，說明鉆孔彈模計可以較好地應用于巖體模量的測試。

(2)邊墻水平鉆孔沿洞軸線方向的變形模量和彈性模量平均值為9.55 GPa、11.96 GPa，沿鉛直方向變形模量和彈性模量平均值為7.05 GPa、8.07 GPa；洞軸線方向與鉛直方向的變形模量和彈性模量比值為1.35、1.48，巖體有比較明顯的各項異性，且洞軸線方向模量值大于鉛直方向模量值。底板鉛直鉆孔沿洞軸線方向的變形模量和彈性模量平均值為10.65 GPa、14.21 GPa，垂直洞軸線方向變形模量和彈性模量平均值為15.04 GPa、20.40 GPa；洞軸線方向與垂直洞軸線方向的變形模量和彈性模量比值為0.71、0.70，巖體有各項異性，且洞軸線方向模量值小于垂直于洞軸線方向模量值。

(3)部分測點巖體受結構裂隙和節理的影響，所測的模量值小于其他測試段，鉆孔深度和模量值整體上呈現較好的規律性；淺部巖體受到風化影響，測值一般小于深部。

(4)隧道圍巖松動圈近似為圓形，厚度為5 m左右，松動圈厚度受到開挖方式和巖體結構影響，建議參考上述成果改進設計方案，并消除開挖松動圈對隧道的不利影響。