地下洞室圍巖EDZ判別方法及標(biāo)準(zhǔn)

徐光黎，李志鵬，宋勝武，陳衛(wèi)東，張世殊，董家興

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地下洞室圍巖EDZ判別方法及標(biāo)準(zhǔn)

徐光黎1，李志鵬1，宋勝武2，陳衛(wèi)東2，張世殊2，董家興3

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢，430074；2. 中國電建成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610072；3. 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南昆明，650500)

在引入EDZ概念的基礎(chǔ)上，推薦采用聲波、多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔電視和聲發(fā)射4種監(jiān)測、檢測技術(shù)方法來確定強(qiáng)、弱EDZ的深度?；诼暡y試，通過分析波速?深度曲線特征和計(jì)算損傷因子可以判別圍巖EDZ；利用多點(diǎn)位移計(jì)和鉆孔電視的監(jiān)測檢測成果，通過計(jì)算位移(張開量)?深度曲線和各區(qū)段的應(yīng)變量，可以判別圍巖EDZ；通過分析AE事件數(shù)及其頻率的變化規(guī)律亦可以確定圍巖EDZ深度。與單一指標(biāo)的定性劃分相比，提出的EDZ綜合判別方法和判別標(biāo)準(zhǔn)具有客觀、綜合的特點(diǎn)，可以定性、定量地綜合判別EDZ深度。

開挖損傷區(qū)；聲波；多點(diǎn)位移計(jì)；鉆孔電視；聲發(fā)射

地下洞室的規(guī)模、埋深越來越大，結(jié)構(gòu)形式以及它所處的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，向著“長、大、深”方向發(fā)展。其中，最具有挑戰(zhàn)性的是水電開發(fā)之地下廠房洞室群的建設(shè)。洞室群斷面相異，長短不一，空間布置上異常復(fù)雜。一大批已建或在建的水電站主廠房跨度28~34 m，高度60~90 m，埋深300~2 000 m，斷面面積大者超過2 600 m2。引水發(fā)電系統(tǒng)的地下廠房的規(guī)模、埋深和地質(zhì)復(fù)雜程度均是目前世界上少有的。地下洞室開挖使得初始地應(yīng)力釋放，在洞周產(chǎn)生重分布應(yīng)力作用，圍巖產(chǎn)生變形破壞，其力學(xué)和水力性質(zhì)發(fā)生改變。在我國，對(duì)這一變形、損傷區(qū)，采用圍巖松弛圈、松動(dòng)圈、擾動(dòng)區(qū)、塑性區(qū)和損傷區(qū)等描述，存在較大混亂。為更貼切地概括復(fù)雜地質(zhì)條件下地下洞室圍巖狀態(tài)的變化特征，本文作者采用EDZ用語。對(duì)EDZ的把握，直接關(guān)系到地下洞室的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的安全和建設(shè)成本。針對(duì)圍巖EDZ分布，國內(nèi)外不少學(xué)者從理論上、數(shù)值模擬分析上和現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)上進(jìn)行了研究?；趶椥粤W(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等理論，提出了松動(dòng)裂隙說、破碎區(qū)圖示說、不連續(xù)說等[1]來計(jì)算EDZ分布。運(yùn)用FLAC，ANSYS，3DSigam以及離散元法、PFC和FLAC/PFC耦合等數(shù)值模擬方法[2?3]來分析EDZ范圍。由于巖土體地質(zhì)條件的復(fù)雜性和洞室形狀、開挖方式的多樣性，人們更普遍地相信實(shí)測結(jié)果。目前常用的現(xiàn)場監(jiān)測檢測的技術(shù)有聲波、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、振弦式土壓力計(jì)、鉆孔電視、聲發(fā)射、微震、透氣和透水試驗(yàn)等多種方法[1?8]。在EDZ判別實(shí)踐中，必須解決2個(gè)關(guān)鍵性問題：有快捷和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方法，有可信和可靠的判別標(biāo)準(zhǔn)。但由于EDZ是與洞室規(guī)模與形狀、開挖方式、巖性、地應(yīng)力、時(shí)間等因素有關(guān)，處在動(dòng)態(tài)變化過程之中[9]，盡管有多種監(jiān)測、檢測技術(shù)方法可供選用，但目前還沒有一種普適的、通用的監(jiān)測檢測技術(shù)方法；國內(nèi)還未建立一套統(tǒng)一的EDZ的判別指標(biāo)和判別標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文作者根據(jù)我國的工程實(shí)踐、技術(shù)水平和今后的發(fā)展方向，在借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，推薦采用聲波、多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔電視和聲發(fā)射4種監(jiān)測、檢測技術(shù)方法來確定EDZ的深度，并試圖建立EDZ的判別指標(biāo)和判別標(biāo)準(zhǔn)。

1 EDZ概念及其分區(qū)

在國際上，EDZ有excavation damaged zone(開挖損傷區(qū))和excavation disturbed zone(開挖擾動(dòng)區(qū))之分，由于研究目的、巖石的軟硬和地質(zhì)應(yīng)力環(huán)境的差異，至今未能形成一個(gè)公認(rèn)的定義，還存在不同的理解。在加拿大和美國，excavation damaged zone和excavation disturbed zone基本上為同義詞。在瑞典和瑞士，兩者則是有區(qū)別的。damaged zone指在地下洞室的附近產(chǎn)生了不可逆的變形和裂紋擴(kuò)展，或者產(chǎn)生了新的裂紋；而Disturbed Zone是指在巖體內(nèi)部、更深的地方產(chǎn)生了可恢復(fù)的彈性變形。在結(jié)晶巖體中，兩者都有使用，但在塑性軟巖中使用Excavation Disturbed Zone[10]。Martino和Chandler給出的EDZ定義為：由于洞室開挖而造成圍巖力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)產(chǎn)生可測量的、不可逆的變化[11]。這一不可逆的損傷源于因開挖引起能量釋放、應(yīng)力重分布、或熱載效應(yīng)，損傷發(fā)生在洞室圍巖附近。可見，EDZ能很好地概括出地下洞室圍巖狀態(tài)的變化特征。

EDZ可細(xì)分為強(qiáng)EDZ和弱EDZ(圖1)。強(qiáng)EDZ為包括可見裂紋在內(nèi)的損傷范圍，滲透系數(shù)比巖塊的大3~7個(gè)數(shù)量級(jí)，主要由爆破損傷和應(yīng)力重分布造成。弱EDZ為微裂紋損傷范圍，滲透系數(shù)比巖塊的大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是由應(yīng)力重分布形成的[10?11]。在工程上撇開嚴(yán)密的物理意義差別，強(qiáng)EDZ和弱EDZ，與俗稱的松動(dòng)圈和松弛圈、強(qiáng)松弛圈和弱松弛圈、主級(jí)松動(dòng)圈和次級(jí)松動(dòng)圈基本對(duì)應(yīng)，與宏觀破裂區(qū)和外擾動(dòng)區(qū)[12?13]同義。

圖1 洞室EDZ分布及其分區(qū)示意圖

2 EDZ評(píng)判指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 聲波測試及損傷因子

聲波測試檢測技術(shù)，特別是單孔聲波測試技術(shù)，在我國地下洞室圍巖檢測中被廣為采用，具有簡便、快捷、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。聲波在巖體的傳播特性，在速度和振幅上都有所響應(yīng)。振幅的衰減，取決于巖體對(duì)聲波的吸收作用[1]。圍巖波速取決于裂隙密度、張開度、巖石的密度和力學(xué)性質(zhì)。在隧道開挖過程中，由于圍巖應(yīng)力重分布作用使得靠近洞壁的圍巖損傷最大，張性裂縫發(fā)育，張開度張開—微張，波速衰減最大；遠(yuǎn)離洞徑方向損傷減小，張剪性—剪切裂縫取代張性裂縫，張開度微張—閉合，波速衰減逐漸減小。因此，可以通過聲波的變化來分析巖體損傷隨洞室開挖的發(fā)展?fàn)顩r[1, 5, 12?15]。

張建海等[5]根據(jù)200條有代表性波速?深度檢測曲線，將聲波分為的5 種類型：穩(wěn)定上升+穩(wěn)定波動(dòng)型、穩(wěn)定上升+劇烈波動(dòng)型、不穩(wěn)定上升+穩(wěn)定波動(dòng)型、不穩(wěn)定上升+劇烈波動(dòng)型和波速?zèng)]有明顯下降類型。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：在強(qiáng)EDZ，波速?深度曲線具有突變性，波速急劇降低；在弱EDZ，波速?深度曲線具有震蕩性，有裂縫處波速低，巖橋處波速相對(duì)較高；在基本未損區(qū)，波速趨于1個(gè)定值。圖2所示為H電站地下廠房圍巖典型聲波速度?深度曲線。在強(qiáng)EDZ，波速在3 500 m/s左右；在弱EDZ，波速在3 500~5 500 m/s之間震蕩；在基本未損區(qū)內(nèi)，波速為6 000 m/s左右。

然而，聲波波速是隨著巖石的種類、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和發(fā)育程度、賦存的地質(zhì)環(huán)境如地應(yīng)力狀態(tài)和水文地質(zhì)環(huán)境而改變的，所以，直接采用波速來劃分強(qiáng)EDZ、弱EDZ和基本未損區(qū)不盡合理。為此，本文引入1個(gè)量綱一的損傷變量來劃分EDZ。損傷因子定義為[9]

在彈性介質(zhì)中，聲波的縱波波速P與彈性模量、密度和泊松比之間有

(2)

若假設(shè)圍巖密度、泊松比不隨損傷而變化，則損傷因子可用聲波縱波波速來定量刻畫。這樣，利用聲波檢測技術(shù)就可以很方便地確定出圍巖的損傷程度。由式(1)和式(2)，損傷因子可寫成

(4)

參照GB50287—2006“水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范”，根據(jù)完整性系數(shù)v將巖體的完整程度劃分為完整、較完整、完整性差、較破碎、破碎5個(gè)等級(jí)[12]；據(jù)DL/T5389—2007“水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范”，根據(jù)波速前后變化率將爆破影響和基礎(chǔ)巖體開挖質(zhì)量分為影響甚微、影響輕微和有影響3個(gè)級(jí)別[18]，根據(jù)損傷因子，將圍巖損傷劃分為強(qiáng)EDZ、弱EDZ和基本未損區(qū)，如表1所示。損傷因子與波速前后變化率和完整性系數(shù)v的對(duì)應(yīng)關(guān)系見文獻(xiàn)[16]。

圖2 變質(zhì)灰?guī)r圍巖典型聲波速度?深度曲線

表1 損傷因子D與EDZ劃分[16]

2.2 位移監(jiān)測及應(yīng)變

在地下洞室周邊布置多點(diǎn)位移計(jì)，是監(jiān)測圍巖變形的最直接、最直觀的手段。根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)的深度-變形累加曲線、深度增量曲線的特點(diǎn)，可參考鄒紅英、肖明提出的松動(dòng)圈范圍的初步判斷和定量方法[1]。

與巖體中的聲波波速類似，圍巖位移和深度受巖石的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和發(fā)育程度、賦存的地質(zhì)環(huán)境和洞室形狀等因素的影響，圍巖的EDZ特征更是受圍巖的變形習(xí)性的控制。圍巖位移量不能完全反映EDZ的屬性和分布。同理，引入量綱一的應(yīng)變量來劃分EDZ。應(yīng)變量可通過測點(diǎn)各深度的位移計(jì)算 得出。

SAKURAI[14]進(jìn)行了大量的土巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)，單軸抗壓強(qiáng)度范圍從0.05 MPa的黏土到200 MPa的花崗巖，研究了土巖的破壞強(qiáng)度與應(yīng)變之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。比例強(qiáng)度應(yīng)變量0(彈性范圍內(nèi)的比例強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量)隨單軸抗壓強(qiáng)度c的增大而減小。破壞應(yīng)變量f與單軸抗壓強(qiáng)度c、彈性模量和比例應(yīng)變量0的關(guān)系為

式中：c為單軸抗壓強(qiáng)度；f為表示破壞強(qiáng)度的系數(shù)；為彈性模量。在工程上，拋開嚴(yán)格的物理意義，土巖彈性模量可近似地看成變形模量。

圖3 比例應(yīng)變量與室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

Fig. 3 Limit strain ε versus unaxial compression strength

研究得出：土的強(qiáng)度系數(shù)和應(yīng)變量為f=0.2~0.8，f=1.3%~40%，0=1.0%~8.0%；巖石的為f=0.05~0.6，f=0.1%~2.5%，0=0.1%~1.0%。

日本葛野川地下廠房高54 m，寬34 m，斷面面積1 500 m2，巖性為泥巖為主的砂巖、泥巖互層。根據(jù)巖石多點(diǎn)圍巖計(jì)監(jiān)測得出的區(qū)間應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。進(jìn)水側(cè)強(qiáng)EDZ為7 m、弱EDZ為13 m，排水側(cè)則分別為3 m和7 m，頂拱為2 m和4 m。與之對(duì)應(yīng)的強(qiáng)EDZ應(yīng)變量＞0.3%，弱EDZ應(yīng)變量為0.15%~0.3%，位移監(jiān)測得出的比例量與文獻(xiàn)[19]結(jié)果一致。其中：墻面1.5~3.0 m區(qū)間應(yīng)變?yōu)?.33%，墻面3.0~5.0 m區(qū)間為0.38%，墻面5.0~10.0 m區(qū)間應(yīng)變?yōu)?.16%，墻面10.0~15.0 m區(qū)間應(yīng)變?yōu)?.05%，強(qiáng)EDZ與弱EDZ的比例應(yīng)變量界限為0.3%；弱EDZ與基本未損區(qū)的應(yīng)變量界限為0.15%[4]。

圖4 葛野川地下廠房C斷面應(yīng)變分布[4]

根據(jù)位移?深度曲線及應(yīng)變量，建議EDZ的劃分如表2所示。強(qiáng)EDZ的應(yīng)變量對(duì)應(yīng)損傷強(qiáng)度(cd)~峰值強(qiáng)度(f)之間的應(yīng)變，弱EDZ的應(yīng)變量對(duì)應(yīng)啟裂強(qiáng)度(ci)~損傷強(qiáng)度(cd)[20]之間的應(yīng)變，基本未損區(qū)的應(yīng)變量則小于啟裂強(qiáng)度(ci)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；在位移特征曲線上，分別表現(xiàn)出：位移大、增幅大；位移中等、增幅小；位移小，增幅極小的特點(diǎn)。

表2 位移或應(yīng)變量與EDZ劃分

2.3 鉆孔電視及裂隙密度

鉆孔電視技術(shù)(Borehole Camera)依靠光學(xué)原理，能直接觀測到鉆孔的內(nèi)部細(xì)節(jié)，圖像清晰、色彩逼真，直觀的圖像可供觀測、計(jì)算、分析、保存和輸出。利用鉆孔圖像，可以解譯出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、隙寬。對(duì)比開挖前后的鉆孔圖像，則進(jìn)一步可辨別出新、舊生裂隙及其方位、新生裂隙的隙寬和原有裂隙的隙寬增大量，計(jì)算新生裂隙的部位、寬度、密度，各區(qū)段之間的位移或應(yīng)變量，從而確定出EDZ的分布深度[6, 12?13, 21]。

WU等[22]利用鉆孔電視研究了小灣電站壩基的EDZ分布。引入裂隙密度、卸荷應(yīng)變概念來描述巖體的損傷程度。卸荷應(yīng)變定義為因開挖而產(chǎn)生的回彈變形，它等于單位深度上的累積張開位移。即

(7)

通過117個(gè)鉆孔電視的解譯分析得出，黑云母花崗片麻巖(c=98.5 MPa)壩基的強(qiáng)EDZ深度為1.1~4.3 m，平均為2.4 m；卸荷應(yīng)變?yōu)?.159%~5.25%，平均為1.86%；弱EDZ深度為4~11.2 m，平均為7.0 m；卸荷應(yīng)變?yōu)?.023%~0.45%，平均為0.20%[22]。對(duì)比圖3可知，得出該卸荷應(yīng)變與文獻(xiàn)[19]中結(jié)果也是一 致的。

UCHITA等[6]利用鉆孔電視詳細(xì)研究了日本大河內(nèi)地下廠房的原生的、新生的裂隙分布、隙寬、重分布應(yīng)力隨開挖步驟的變化情況。開挖前的裂隙分布如圖5所示。在20 m長的鉆孔中共有198條不連續(xù)面，其中方解石脈77條，變質(zhì)薄夾層2條，閉合裂隙75條，張開裂隙44條。圖6所示為隨開挖裂隙數(shù)量的變化情況，圖7所示為隨開挖裂隙累積張開位移量的變化情況。由圖6和7可知：在第3步開挖時(shí)，產(chǎn)生了大量的新生裂隙，且主要集中在洞壁6 m和10 m區(qū)間，隙寬增大；第8步~第10步開挖結(jié)束，在4~15 m之間裂隙擴(kuò)展顯著，原有的和新生的裂隙隙寬均有增大，特別是在8 m附近的隙寬增加最大；確定的松弛圈為距洞壁14 m[6]。

根據(jù)前述EDZ的分區(qū)，可將該洞室的0~11 m區(qū)間劃分為強(qiáng)EDZ，應(yīng)變量約為0.42%；在11~14 m區(qū)間為弱EDZ，應(yīng)變量約為0.23%(如圖6所示)。

圖5 鉆孔電視得出的開挖前的結(jié)構(gòu)面分布[6]

根據(jù)鉆孔電視得出的裂隙分布、累加隙寬?深度曲線及應(yīng)變量，建議EDZ的劃分如表3所示。

(a)(b)(c)(d)

1—第2步開挖；2—第3步開挖；3—第7步開挖；4—開挖結(jié)束。

表3 鉆孔電視裂隙密度與EDZ劃分

2.4 聲發(fā)射及事件

聲發(fā)射(AE)是指因材料內(nèi)部積蓄的應(yīng)變能而產(chǎn)生的聲波傳波現(xiàn)象，微小裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展就會(huì)發(fā)出微小的聲音。AE監(jiān)測技術(shù)就是利用AE的這一特征，在巖石破壞之前就能探知微小裂隙的發(fā)生位置和數(shù)量，從而在二維或者三維空間上把握破裂源、損傷狀況。日本自1976年就開始了AE技術(shù)在隧道工程中的嘗試應(yīng)用，1992年用于在地下廠房洞室中開挖對(duì)EDZ的評(píng)價(jià)[7]。我國在室內(nèi)巖石材料變形破壞過程中已有不少AE特性研究，而在地下洞室?guī)r體工程中則尚未 普及。

HATA等[7]利用改良型AE設(shè)備在釜石礦山試驗(yàn)隧道(高、寬均為3.5 m)中進(jìn)行了AE監(jiān)測試驗(yàn)。監(jiān)測解譯結(jié)果表明：AE事件集中在距洞壁0.5~1.5 m處；張裂隙數(shù)量是剪切裂隙數(shù)量的1.5倍；AE解譯得出的拉張裂隙集中的部位，與爆破、應(yīng)力重分布作用的超過抗拉強(qiáng)度的張應(yīng)力區(qū)是一致的。

通常，采用AE事件數(shù)量和AE頻率的變化來確定EDZ深度。圖8所示為日本神流川地下廠房H斷面測線4的AE監(jiān)測結(jié)果[23]。AE事件在第4步距洞壁1.5 m處，第5步在3 m處，第6步在7.5 m處呈現(xiàn)高峰，第7步之后沒有監(jiān)測到AE事件(圖8(b))。在第6步開挖距洞壁6 m處的AE頻率具有減低的傾向(圖8(c))，而在深度7.5 m處則基本沒有下降(圖8(d))。這些現(xiàn)象說明：下游邊墻測線4處的應(yīng)力集中隨著開挖的進(jìn)程，從開始的1.5 m深度擴(kuò)展到第6步的7.5 m深度，后續(xù)開挖對(duì)其的應(yīng)力集中影響很?。?~7.5 m為EDZ，應(yīng)變能得到釋放，AE頻率產(chǎn)生了變化，而在7.5 m以內(nèi)積蓄的應(yīng)變能沒有產(chǎn)生顯著的變化，AE頻率基本不變，為基本未損區(qū)?？梢姡篈E技術(shù)是確定EDZ一個(gè)非常直觀、明了的方法，值得借鑒、推廣。

根據(jù)AE事件數(shù)、AE頻率的變化，建議EDZ的劃分如表4所示。

2.5 EDZ綜合判別標(biāo)準(zhǔn)

綜述所述，結(jié)合目前技術(shù)水平和應(yīng)用現(xiàn)狀，并考慮我國今后技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，提出運(yùn)用聲波檢測、多點(diǎn)位移監(jiān)測、鉆孔電視和聲發(fā)射技術(shù)方法來評(píng)價(jià)、確定EDZ分布。各種方法得出的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)、賦存的地質(zhì)環(huán)境和洞室大小與形狀，合理地確定EDZ劃分的界限值。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和已有的研究成果資料，提出如表5所示的EDZ綜合判別標(biāo)準(zhǔn)。

提出的綜合判別方法和標(biāo)準(zhǔn)在H水電地下廠房中的應(yīng)用表明，判別指標(biāo)物理意義明確，相互驗(yàn)證，較之前的定性判別、單一指標(biāo)的判別結(jié)果更加合理。

表4 AE監(jiān)測與EDZ劃分

(a) AE監(jiān)測布置示意圖；(b) 距洞壁不同深度測點(diǎn)處AE事件數(shù)隨開挖步驟的變化關(guān)系；(c) 距洞壁6.0 m處測點(diǎn)AE事件數(shù)及頻率與開挖步驟的變化關(guān)系；(d) 距洞壁7.5m處測點(diǎn)AE事件數(shù)及頻率與開挖步驟的變化關(guān)系

表5 洞室圍巖EDZ綜合判別標(biāo)準(zhǔn)

注：參考論文[16]中將縱波波速曲線總結(jié)歸納為3種類型，VP1和VP2分別代表3種波速曲線類型中的拐點(diǎn)值，其值可根據(jù)波速曲線確定。

3 結(jié)論

1) EDZ意為因開挖引起能量釋放、應(yīng)力重分布而造成圍巖力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)產(chǎn)生可測的、不可逆的變化。EDZ可細(xì)分為強(qiáng)EDZ和弱EDZ，類似于松動(dòng)圈和松弛圈、強(qiáng)松弛圈和弱松弛圈概念。

2) 為確定EDZ的深度，推薦采用聲波、多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔電視和聲發(fā)射4種監(jiān)測檢測方法。它們具有可操作性強(qiáng)、快捷，獲取的信息直觀、可視，判別指標(biāo)物理意義明確等特點(diǎn)。

3) 利用聲波測試結(jié)果時(shí)，應(yīng)從2個(gè)方面來判別EDZ深度和EDZ分區(qū)。①從波速?深度曲線特征來判別。波速急劇降低區(qū)段為強(qiáng)EDZ；波速?深度曲線震蕩上升區(qū)段為弱EDZ；在基本未損區(qū)，波速略有波動(dòng)而趨于定值。②從彈性波速計(jì)算得出的損傷變量來定量劃分強(qiáng)EDZ、弱EDZ和基本未損區(qū)，其分別為＞0.6，0.2~0.6和＜0.2。

4) 利用多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔電視可以計(jì)算得出位移(張開量)?深度曲線和各區(qū)段的應(yīng)變量。在位移(張開量)特征曲線上，在強(qiáng)、弱EDZ和基本未損區(qū)分別表現(xiàn)出：位移大、增幅大，位移中等、增幅小，位移小、增幅極小的特點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量界限分別為：≥損傷強(qiáng)度(cd)的應(yīng)變，介于啟裂強(qiáng)度(ci)與損傷強(qiáng)度(cd)之間的應(yīng)變，≤啟裂強(qiáng)度(ci)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

5) 聲發(fā)射技術(shù)能在巖體出現(xiàn)宏觀變形破壞之前就能捕捉到破裂、損傷狀況。利用AE事件和頻率的變化來確定EDZ深度的方法具有直觀、效果好的優(yōu)點(diǎn)，是一種值得大力推廣的檢測方法。

6) 與單一指標(biāo)的定性劃分相比，提出的EDZ判別方法和標(biāo)準(zhǔn)具有客觀、綜合的特點(diǎn)。

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(編輯 陳愛華)

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)

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.

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

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.021

TU 45

A

1672?7207(2017)02?0418?09

2016?03?07；

2016?06?20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472263)；雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(50539100)；中國水電工程顧問集團(tuán)公司科研項(xiàng)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)

徐光黎，博士，教授，從事巖土力學(xué)和地質(zhì)災(zāi)害等研究；E-mail：xu1963@cug.edu.cn