DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.02.021

地下洞室围岩EDZ判别方法及标准

徐光黎¹，李志鹏¹，宋胜武²，陈卫东²，张世殊²，董家兴³

 (1. 中国地质大学 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉，430074；

2. 中国电建成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都，610072；

3. 昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明，650500)

摘要：在引入EDZ概念的基础上，推荐采用声波、多点位移计、钻孔电视和声发射4种监测、检测技术方法来确定强、弱EDZ的深度。基于声波测试，通过分析波速-深度曲线特征和计算损伤因子D可以判别围岩EDZ；利用多点位移计和钻孔电视的监测检测成果，通过计算位移(张开量)-深度曲线和各区段的应变量，可以判别围岩EDZ；通过分析AE事件数及其频率的变化规律亦可以确定围岩EDZ深度。与单一指标的定性划分相比，提出的EDZ综合判别方法和判别标准具有客观、综合的特点，可以定性、定量地综合判别EDZ深度。

关键词：开挖损伤区；声波；多点位移计；钻孔电视；声发射

中图分类号：TU 45             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)02-0418-09

Assessment methods and criterion of EDZ for underground caverns

XU Guangli¹, LI Zhipeng¹, SONG Shengwu², CHEN Weidong², ZHANG Shishu², DONG Jiaxing³

(1. Engineering Research Center of Rock & Soil Drilling & Excavation and Protection of Ministry of Education,

China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;

2. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China;

3. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Abstract: EDZ concept is defined, and it is subdivided into inner zone and outer zone. Four monitoring methods, i.e., elastic wave velocity, multipoint displacement meter, BTV and AE, are suggested for engineering practice after insight reviewing of the all monitoring methods. The main research results are as follows. Based on the acoustic wave test, the EDZ of the surrounding rock can be determined by analyzing the velocity-depth curve and calculating the damage factor D. Based on the results of multi-point displacement meter and BTV, the EDZ of surrounding rock can be determined by calculating the displacement (opening)-depth curve and the strain of each section. Through analyzing the number of AE events and their frequency, the EDZ depth can be determined. Compared with the qualitative classification of single index, the first proposed EDZ comprehensive discriminant method and discriminant criterion have the characteristics of objective and comprehensive, which can discriminate the depth of EDZ qualitatively and quantitatively.

Key words: excavation damaged zone (EDZ); elastic wave velocity; multipoint displacement meter; borehole television (BTV); acoustic emission (AE)

地下洞室的规模、埋深越来越大，结构形式以及它所处的地质条件越来越复杂，向着“长、大、深”方向发展。其中，最具有挑战性的是水电开发之地下厂房洞室群的建设。洞室群断面相异，长短不一，空间布置上异常复杂。一大批已建或在建的水电站主厂房跨度28~34 m，高度60~90 m，埋深300~2 000 m，断面面积大者超过2 600 m²。引水发电系统的地下厂房的规模、埋深和地质复杂程度均是目前世界上少有的。地下洞室开挖使得初始地应力释放，在洞周产生重分布应力作用，围岩产生变形破坏，其力学和水力性质发生改变。在我国，对这一变形、损伤区，采用围岩松弛圈、松动圈、扰动区、塑性区和损伤区等描述，存在较大混乱。为更贴切地概括复杂地质条件下地下洞室围岩状态的变化特征，本文作者采用EDZ用语。对EDZ的把握，直接关系到地下洞室的设计、施工、运营的安全和建设成本。针对围岩EDZ分布，国内外不少学者从理论上、数值模拟分析上和现场实测技术上进行了研究。基于弹性力学、断裂力学、损伤力学等理论，提出了松动裂隙说、破碎区图示说、不连续说等^[1]来计算EDZ分布。运用FLAC，ANSYS，3DSigam以及离散元法、PFC和FLAC/PFC耦合等数值模拟方法^[2-3]来分析EDZ范围。由于岩土体地质条件的复杂性和洞室形状、开挖方式的多样性，人们更普遍地相信实测结果。目前常用的现场监测检测的技术有声波、多点位移计、锚杆应力计、振弦式土压力计、钻孔电视、声发射、微震、透气和透水试验等多种方法^[1-8]。在EDZ判别实践中，必须解决2个关键性问题：有快捷和经济的技术方法，有可信和可靠的判别标准。但由于EDZ是与洞室规模与形状、开挖方式、岩性、地应力、时间等因素有关，处在动态变化过程之中^[9]，尽管有多种监测、检测技术方法可供选用，但目前还没有一种普适的、通用的监测检测技术方法；国内还未建立一套统一的EDZ的判别指标和判别标准。为此，本文作者根据我国的工程实践、技术水平和今后的发展方向，在借鉴国外的经验基础上，推荐采用声波、多点位移计、钻孔电视和声发射4种监测、检测技术方法来确定EDZ的深度，并试图建立EDZ的判别指标和判别标准。

1  EDZ概念及其分区

在国际上，EDZ有excavation damaged zone(开挖损伤区)和excavation disturbed zone(开挖扰动区)之分，由于研究目的、岩石的软硬和地质应力环境的差异，至今未能形成一个公认的定义，还存在不同的理解。在加拿大和美国，excavation damaged zone和excavation disturbed zone基本上为同义词。在瑞典和瑞士，两者则是有区别的。damaged zone指在地下洞室的附近产生了不可逆的变形和裂纹扩展，或者产生了新的裂纹；而Disturbed Zone是指在岩体内部、更深的地方产生了可恢复的弹性变形。在结晶岩体中，两者都有使用，但在塑性软岩中使用Excavation Disturbed Zone^[10]。Martino和Chandler给出的EDZ定义为：由于洞室开挖而造成围岩力学性质和水理性质产生可测量的、不可逆的变化^[11]。这一不可逆的损伤源于因开挖引起能量释放、应力重分布、或热载效应，损伤发生在洞室围岩附近。可见，EDZ能很好地概括出地下洞室围岩状态的变化特征。

EDZ可细分为强EDZ和弱EDZ(图1)。强EDZ为包括可见裂纹在内的损伤范围，渗透系数比岩块的大3~7个数量级，主要由爆破损伤和应力重分布造成。弱EDZ为微裂纹损伤范围，渗透系数比岩块的大1~2个数量级，主要是由应力重分布形成的^[10-11]。在工程上撇开严密的物理意义差别，强EDZ和弱EDZ，与俗称的松动圈和松弛圈、强松弛圈和弱松弛圈、主级松动圈和次级松动圈基本对应，与宏观破裂区和外扰动区^[12-13]同义。

图1  洞室EDZ分布及其分区示意图

Fig. 1  Diagram of EDZ distribution around excavation

2  EDZ评判指标及标准

2.1  声波测试及损伤因子

声波测试检测技术，特别是单孔声波测试技术，在我国地下洞室围岩检测中被广为采用，具有简便、快捷、适用性强等特点。声波在岩体的传播特性，在速度和振幅上都有所响应。振幅的衰减，取决于岩体对声波的吸收作用^[1]。围岩波速取决于裂隙密度、张开度、岩石的密度和力学性质。在隧道开挖过程中，由于围岩应力重分布作用使得靠近洞壁的围岩损伤最大，张性裂缝发育，张开度张开—微张，波速衰减最大；远离洞径方向损伤减小，张剪性—剪切裂缝取代张性裂缝，张开度微张—闭合，波速衰减逐渐减小。因此，可以通过声波的变化来分析岩体损伤随洞室开挖的发展状况^{[1, 5, 12-15]}。

张建海等^[5]根据200条有代表性波速-深度检测曲线，将声波分为的5 种类型：稳定上升+稳定波动型、稳定上升+剧烈波动型、不稳定上升+稳定波动型、不稳定上升+剧烈波动型和波速没有明显下降类型。根据多年的实践经验认为：在强EDZ，波速-深度曲线具有突变性，波速急剧降低；在弱EDZ，波速-深度曲线具有震荡性，有裂缝处波速低，岩桥处波速相对较高；在基本未损区，波速趋于1个定值。图2所示为H电站地下厂房围岩典型声波速度-深度曲线。在强EDZ，波速在3 500 m/s左右；在弱EDZ，波速在3 500~5 500 m/s之间震荡；在基本未损区内，波速为6 000 m/s左右。

然而，声波波速是随着岩石的种类、结构面的产状和发育程度、赋存的地质环境如地应力状态和水文地质环境而改变的，所以，直接采用波速来划分强EDZ、弱EDZ和基本未损区不尽合理。为此，本文引入1个量纲一的损伤变量D来划分EDZ。损伤因子D定义为^[9]

                 (1)

在弹性介质中，声波的纵波波速v_P与弹性模量E、密度ρ和泊松比μ之间有

          (2)

根据式(2)，地下洞室开挖受损后围岩的波速可改写成

         (3)

若假设围岩密度、泊松比不随损伤而变化，则损伤因子D可用声波纵波波速来定量刻画。这样，利用声波检测技术就可以很方便地确定出围岩的损伤程度。由式(1)和式(2)，损伤因子D可写成

        (4)

参照GB50287—2006“水力发电工程地质勘察规范”，根据完整性系数K_v将岩体的完整程度划分为完整、较完整、完整性差、较破碎、破碎5个等级^[12]；据DL/T5389—2007“水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范”，根据波速前后变化率η将爆破影响和基础岩体开挖质量分为影响甚微、影响轻微和有影响3个级别^[18]，根据损伤因子D，将围岩损伤划分为强EDZ、弱EDZ和基本未损区，如表1所示。损伤因子D与波速前后变化率η和完整性系数K_v的对应关系见文献[16]。

图2  变质灰岩围岩典型声波速度-深度曲线

Fig. 2  Limestone elastic wave velocity versus depth curve

表1  损伤因子D与EDZ划分^[16]

Table 1  Damage factor D and EDZ assessment^[16]

2.2  位移监测及应变

在地下洞室周边布置多点位移计，是监测围岩变形的最直接、最直观的手段。根据多点位移计的深度-变形累加曲线、深度增量曲线的特点，可参考邹红英、肖明提出的松动圈范围的初步判断和定量方法^[1]。

与岩体中的声波波速类似，围岩位移和深度受岩石的强度、结构面的产状和发育程度、赋存的地质环境和洞室形状等因素的影响，围岩的EDZ特征更是受围岩的变形习性的控制。围岩位移量不能完全反映EDZ的属性和分布。同理，引入量纲一的应变量ε来划分EDZ。应变量ε可通过测点各深度的位移计算得出。

SAKURAI^[14]进行了大量的土岩力学实验，单轴抗压强度范围从0.05 MPa的黏土到200 MPa的花岗岩，研究了土岩的破坏强度与应变之间的关系，结果如图3所示。比例强度应变量ε₀(弹性范围内的比例强度所对应的应变量)随单轴抗压强度σ_c的增大而减小。破坏应变量ε_f与单轴抗压强度σ_c、弹性模量E和比例应变量ε₀的关系为

            (5)

式中：σ_c为单轴抗压强度；R_f为表示破坏强度的系数；E为弹性模量。在工程上，抛开严格的物理意义，土岩弹性模量可近似地看成变形模量。

图3  比例应变量ε₀与室内单轴抗压强度σ_c的关系^[19]

Fig. 3  Limit strain ε₀ versus unaxial compression strength σ_c^[19]

研究得出：土的强度系数和应变量为R_f=0.2~0.8，ε_f=1.3%~40%，ε₀=1.0%~8.0%；岩石的为R_f=0.05~0.6，ε_f=0.1%~2.5%，ε₀=0.1%~1.0%。

日本葛野川地下厂房高54 m，宽34 m，断面面积1 500 m²，岩性为泥岩为主的砂岩、泥岩互层。根据岩石多点围岩计监测得出的区间应变如图4所示。进水侧强EDZ为7 m、弱EDZ为13 m，排水侧则分别为3 m和7 m，顶拱为2 m和4 m。与之对应的强EDZ应变量＞0.3%，弱EDZ应变量为0.15%~0.3%，位移监测得出的比例量与文献[19]结果一致。其中：墙面1.5~3.0 m区间应变为0.33%，墙面3.0~5.0 m区间为0.38%，墙面5.0~10.0 m区间应变为0.16%，墙面10.0~15.0 m区间应变为0.05%，强EDZ与弱EDZ的比例应变量界限为0.3%；弱EDZ与基本未损区的应变量界限为0.15%^[4]。

图4  葛野川地下厂房C断面应变分布^[4]

Fig. 4  Strain distortion at C-section of a powerhouse cavern^[4]

根据位移-深度曲线及应变量，建议EDZ的划分如表2所示。强EDZ的应变量对应损伤强度(σ_cd)~峰值强度(σ_f)之间的应变，弱EDZ的应变量对应启裂强度(σ_ci)~损伤强度(σ_cd)^[20]之间的应变，基本未损区的应变量则小于启裂强度(σ_ci)所对应的应变；在位移特征曲线上，分别表现出：位移大、增幅大；位移中等、增幅小；位移小，增幅极小的特点。

表2  位移或应变量与EDZ划分

Table 2  Strain and EDZ assessment

2.3  钻孔电视及裂隙密度

钻孔电视技术(Borehole Camera)依靠光学原理，能直接观测到钻孔的内部细节，图像清晰、色彩逼真，直观的图像可供观测、计算、分析、保存和输出。利用钻孔图像，可以解译出结构面产状、隙宽。对比开挖前后的钻孔图像，则进一步可辨别出新、旧生裂隙及其方位、新生裂隙的隙宽和原有裂隙的隙宽增大量，计算新生裂隙的部位、宽度、密度，各区段之间的位移或应变量，从而确定出EDZ的分布深度^{[6, 12-13, 21]}。

WU等^[22]利用钻孔电视研究了小湾电站坝基的EDZ分布。引入裂隙密度λ、卸荷应变ε概念来描述岩体的损伤程度。卸荷应变定义为因开挖而产生的回弹变形，它等于单位深度上的累积张开位移。即

                 (6)

        (7)

式中：为深度上的裂隙数；为平均张开位移。

通过117个钻孔电视的解译分析得出，黑云母花岗片麻岩(σ_c=98.5 MPa)坝基的强EDZ深度为1.1~4.3 m，平均为2.4 m；卸荷应变为0.159%~5.25%，平均为1.86%；弱EDZ深度为4~11.2 m，平均为7.0 m；卸荷应变为0.023%~0.45%，平均为0.20%^[22]。对比图3可知，得出该卸荷应变与文献[19]中结果也是一致的。

UCHITA等^[6]利用钻孔电视详细研究了日本大河内地下厂房的原生的、新生的裂隙分布、隙宽、重分布应力随开挖步骤的变化情况。开挖前的裂隙分布如图5所示。在20 m长的钻孔中共有198条不连续面，其中方解石脉77条，变质薄夹层2条，闭合裂隙75条，张开裂隙44条。图6所示为随开挖裂隙数量的变化情况，图7所示为随开挖裂隙累积张开位移量的变化情况。由图6和7可知：在第3步开挖时，产生了大量的新生裂隙，且主要集中在洞壁6 m和10 m区间，隙宽增大；第8步~第10步开挖结束，在4~15 m之间裂隙扩展显著，原有的和新生的裂隙隙宽均有增大，特别是在8 m附近的隙宽增加最大；确定的松弛圈为距洞壁14 m^[6]。

根据前述EDZ的分区，可将该洞室的0~11 m区间划分为强EDZ，应变量约为0.42%；在11~14 m区间为弱EDZ，应变量约为0.23%(如图6所示)。

图5  钻孔电视得出的开挖前的结构面分布^[6]

Fig. 5  Cracks interpreted by BTV before excavation^[6]

根据钻孔电视得出的裂隙分布、累加隙宽-深度曲线及应变量，建议EDZ的划分如表3所示。

图6  开挖步骤与裂隙分布^[6]

Fig. 6  Cracks versus hole depth at excavation steps^[6]

图7  随开挖裂隙累加隙宽的变化(据文献[6]并添加)

Fig. 7  Crack openings versus depth at different excavation steps (According Ref. [6] and modified)

表3  钻孔电视裂隙密度与EDZ划分

Table 3  Crack density by BTV and EDZ assessment

2.4  声发射及事件

声发射(AE)是指因材料内部积蓄的应变能而产生的声波传波现象，微小裂隙的产生、扩展就会发出微小的声音。AE监测技术就是利用AE的这一特征，在岩石破坏之前就能探知微小裂隙的发生位置和数量，从而在二维或者三维空间上把握破裂源、损伤状况。日本自1976年就开始了AE技术在隧道工程中的尝试应用，1992年用于在地下厂房洞室中开挖对EDZ的评价^[7]。我国在室内岩石材料变形破坏过程中已有不少AE特性研究，而在地下洞室岩体工程中则尚未普及。

HATA等^[7]利用改良型AE设备在釜石矿山试验隧道(高、宽均为3.5 m)中进行了AE监测试验。监测解译结果表明：AE事件集中在距洞壁0.5~1.5 m处；张裂隙数量是剪切裂隙数量的1.5倍；AE解译得出的拉张裂隙集中的部位，与爆破、应力重分布作用的超过抗拉强度的张应力区是一致的。

通常，采用AE事件数量和AE频率的变化来确定EDZ深度。图8所示为日本神流川地下厂房H断面测线4的AE监测结果^[23]。AE事件在第4步距洞壁1.5 m处，第5步在3 m处，第6步在7.5 m处呈现高峰，第7步之后没有监测到AE事件(图8(b))。在第6步开挖距洞壁6 m处的AE频率具有减低的倾向(图8(c))，而在深度7.5 m处则基本没有下降(图8(d))。这些现象说明：下游边墙测线4处的应力集中随着开挖的进程，从开始的1.5 m深度扩展到第6步的7.5 m深度，后续开挖对其的应力集中影响很小；0~7.5 m为EDZ，应变能得到释放，AE频率产生了变化，而在7.5 m以内积蓄的应变能没有产生显著的变化，AE频率基本不变，为基本未损区。可见：AE技术是确定EDZ一个非常直观、明了的方法，值得借鉴、推广。

根据AE事件数、AE频率的变化，建议EDZ的划分如表4所示。

2.5  EDZ综合判别标准

综述所述，结合目前技术水平和应用现状，并考虑我国今后技术的开发与应用，提出运用声波检测、多点位移监测、钻孔电视和声发射技术方法来评价、确定EDZ分布。各种方法得出的技术指标应根据围岩的力学性质、赋存的地质环境和洞室大小与形状，合理地确定EDZ划分的界限值。根据多年的实践经验和已有的研究成果资料，提出如表5所示的EDZ综合判别标准。

提出的综合判别方法和标准在H水电地下厂房中的应用表明，判别指标物理意义明确，相互验证，较之前的定性判别、单一指标的判别结果更加合理。

表4  AE监测与EDZ划分

Table 4  AE event and EDZ assessment

图8  AE事件与开挖步骤关系^[23]

Fig. 8  Relationship between AE event and depth at different excavation steps^[23]

表5  洞室围岩EDZ综合判别标准

Table 5  EDZ assessment index and criterion

3  结论

1) EDZ意为因开挖引起能量释放、应力重分布而造成围岩力学性质和水理性质产生可测的、不可逆的变化。EDZ可细分为强EDZ和弱EDZ，类似于松动圈和松弛圈、强松弛圈和弱松弛圈概念。

2) 为确定EDZ的深度，推荐采用声波、多点位移计、钻孔电视和声发射4种监测检测方法。它们具有可操作性强、快捷，获取的信息直观、可视，判别指标物理意义明确等特点。

3) 利用声波测试结果时，应从2个方面来判别EDZ深度和EDZ分区。① 从波速-深度曲线特征来判别。波速急剧降低区段为强EDZ；波速-深度曲线震荡上升区段为弱EDZ；在基本未损区，波速略有波动而趋于定值。② 从弹性波速计算得出的损伤变量D来定量划分强EDZ、弱EDZ和基本未损区，其D分别为＞0.6，0.2~0.6和＜0.2。

4) 利用多点位移计、钻孔电视可以计算得出位移(张开量)-深度曲线和各区段的应变量。在位移(张开量)特征曲线上，在强、弱EDZ和基本未损区分别表现出：位移大、增幅大，位移中等、增幅小，位移小、增幅极小的特点。对应的应变量界限分别为：≥损伤强度(σ_cd)的应变，介于启裂强度(σ_ci )与损伤强度(σ_cd)之间的应变，≤启裂强度(σ_ci)所对应的应变。

5) 声发射技术能在岩体出现宏观变形破坏之前就能捕捉到破裂、损伤状况。利用AE事件和频率的变化来确定EDZ深度的方法具有直观、效果好的优点，是一种值得大力推广的检测方法。

6) 与单一指标的定性划分相比，提出的EDZ判别方法和标准具有客观、综合的特点。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2016-03-07；修回日期：2016-06-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41472263)；雅砻江水电开发联合研究基金重点资助项目(50539100)；中国水电工程顾问集团公司科研项目(P099)(Project(41472263) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(50539100) supported by Yalong River Hydropower Development Joint Key Research Fund; Project(P099) supported by China Hydropower Engineering Consulting Group)

通信作者：徐光黎，博士，教授，从事岩土力学和地质灾害等研究；E-mail：xu1963@cug.edu.cn