近年来我国地下工程进入了一个快速发展的时期，水工隧洞、地下巷道、交通隧道等工程日益增多，确保地下工程的安全进行十分重要^[1-2]。随着硐室开挖，围岩原始应力状态被破坏，发生的卸荷回弹和应力重新分布，将使径向应力减小，切向应力剧增出现应力集中现象。当应力大于岩体强度时围岩将产生破坏，从而形成围绕硐室开挖面的环状破裂带，称其为围岩松动圈^[3]。围岩松动圈厚度的确定对硐室的支护结构设计和施工安全保障具有重要的意义^[4-7]。

松动圈厚度现场测试相对于理论计算能更加真实的反应实际情况，在现有的测试方法中以声波法应用最为成熟与广泛。声波法测试是利用超声波在岩石中传播时，岩石的完整性越好则波速越大，反之则越小的这种特性^[8]，来确定围岩松动圈的范围。这种方法虽以技术成熟、精度高、成本低、便于操作而被广泛采用，但在声波曲线图上根据怎样的准则来界定围岩松动圈厚度，始终未能建立统一的标准。曹平^[9]、张海磊^[10]等以围岩声波波速开始大幅增加的点作为判别松动圈厚度的依据；吴庆东^[11]、张晓宇^[12]、黄锋^[13]等认为围岩声波波速大幅增加结束后所对应点的孔深，即为围岩松动圈的厚度；戴俊^[14]、吴涛^[15]等则表示取围岩声波波速大幅增加时的起始点与终点的中值作为判别点更加合理；李平宏^[16]通过查阅施工资料，以松弛与未松弛岩体之间的临界声波波速作为判别点。以上4种判别方法均存在一定的缺陷：前3种的缺陷是主观因素较大，判别结果因人而异，且未能考虑到声波波速变化的全过程；而第4种判别方法虽有一定的量化依据，但岩体松弛与未松弛的界限很难准确界定，以此确定的松动圈位置也较为模糊。

通过引入完整性系数指标，结合岩石室内试验与松动圈现场测试，制定了一个新的围岩松动圈厚度量化评价标准，为应用声波法在工程中测试围岩松动圈时提供判别依据，这对隧道工程设计与施工具有一定的指导意义。

根据弹塑性介质中波动理论，应力波波速^[17]：

(1)

式中:E为介质的弹性模量；ρ为介质的密度；μ为介质的泊松比。

从公式(1)可以看出纵波波速与介质的密度、弹性模量、泊松比等物理参数有着直接的关系。岩体在受力过程中，应力应变状态不断改变，使得E，ρ，μ等物理参数处于不断变化中，导致岩体纵波波速也在不断的变化。当岩体所受应力大于其抗压强度时，岩体将破碎，其纵波波速也急剧下降^[18]。而围岩松动圈的本质是一个“松弛破碎带”，是由于岩体开挖形成的二次应力场中的附加应力超过了围岩强度，而导致围岩破碎所形成的。在这个过程中围岩不断破碎将使围岩纵波波速下降。

弹性模量是脆性材料处于完整还是破坏的一个重要衡量指标。由式(1)知，弹性模量与纵波波速的平方成正比关系。参考《公路隧道设计细则(JTG/T D70—2010)》^[19]中用于定量评价岩质围岩完整程度的围岩完整性系数K_v的定义，并结合松动圈的形成原理，引入破碎岩石完整性系数R_v和松动圈完整性系数L_v，来定量确定岩石和松动圈岩体的完整程度，令:

(2)

式中，R_v为破碎岩石完整性系数；v_pr为破碎岩石纵波速度；v_wr为完整岩石纵波速度。

通过现场采集岩石样本，在单轴压缩试验前后分别测得岩石的纵波波速即可得v_wr和v_pr从而求出R_v：

(3)

式中，L_v为松动圈完整性系数；v_pt为松动圈岩体纵波速度；v_yt为原始岩体纵波速度。

通过声发射现场测试可得出原始岩体的声波纵波速度v_yt，并得出孔深-波速曲线图。由于松动圈本质上就是一个“松弛破碎带”，可近似的认为松动圈完整性系数等于破碎岩石完整性系数，即：

(4)

公式(4)代入到公式(3)中可得:

(5)

求得松动圈位置岩体的纵波波速v_pt。再根据现场松动圈声发射测试所得的孔深-波速曲线图找出v_pt所对应的位置，即为围岩松动圈的位置。

此次试验依托于宝汉高速石门隧道工程，宝汉高速公路是我国西部南北大通道的重要组成部分，是陕西省规划建设的高速公路网中3条南北纵线之一。其中石门隧道位于陕西省留坝县蔡家坡镇，为分离式单向3车道，设计时速80 km/h，全长8 226 m属特长隧道，为全线控制性工程之一。开挖方式以台阶法为主，隧道埋深较大局部存在高应力情况。开挖时掌子面稳定无掉块现象可以自稳，干燥微风化，围岩完整性较好主要呈现块状，无明显的裂隙岩石强度较高。围岩以片麻岩为主，主要由长石、石英组成，中粗粒变晶结构。

在石门隧道YK185+200～YK186+200区段内每隔100 m处采集一组岩石室内试验所用样本，该段属Ⅲ级围岩，干燥微风化片麻岩。按照规范^[15]制成直径50 mm，高度100 mm的圆柱体试块，共计10块。由于岩石是一种天然的不均匀材料，为了防止试验数据离散性过大选取构造与产状相近的，并利用声波测试系统选用波速相近的岩石。

采用武汉某公司生产的RSM-SY5(T)非金属声波测试系统(精度0.01 km/s)，测试试件的完整岩石波纵波速。用绍兴市某公司生产的微机控制电液侍服万能试验机(量程1 000 kN)，做岩石的单轴抗压试验。将切取好的试块置于试验机承压板中心，调整试验机承压板的位置，使试件两端与试验机上下压板均匀接触。以每秒0.5 MPa的速度加载直至试件破坏，试件破坏后试验机自动停止。取下破碎后的试块，将试块两侧均匀涂抹凡士林用做耦合，再用声波测试仪测试破碎岩石纵波波速，如图 1所示。

图 1 岩石波速测试 Fig. 1 Rock wave velocity test

根据试验所测得的数据如表 1所示。

取10块试件完整性系数平均值0.53为石门隧道Ⅲ级围岩片麻岩的破碎岩石完整性系数R_v。

现场松动圈测试共计布设3个断面，均为Ⅲ级围岩，属微风化片麻岩，里程桩号分别为：YK185+245、YK185+325、YK186+025。考虑到测试区段围岩条件、断面面积、数据的准确性、测试的可操作性、测试成本等因素，每个测试断面布设4个测孔，分别位于左、右边墙离隧道底部3 m处，以及与隧道底部中心成60°的拱肩处。测孔孔径40 mm，孔深4 m，与开挖面垂直，测孔位置布设如图 2所示。

图 2 测孔布设简图 Fig. 2 Layout of measuring points

声波法测试时根据测孔个数的不同，又将其分为单孔声波测试法和双孔声波测试法。其中双孔声波测试法因需要测孔个数较多、操作繁琐、准确性较低而被较少采用。

本次松动圈现场测试选用单孔声波测试法，使用一发双收式探头。测试一共分为5步：(1)钻孔；(2)清孔；(3)将探头送入测孔；(4)封闭测孔，注水耦合；(5)移动测杆，开始测试。每次将测杆往外拉出0.5 m，直至全部移出完成测试。

为准确测出松动圈的范围，测试在隧道爆破后，初期支护前完成。测出不同深度处的岩体纵波波速，得出各断面孔深-波速曲线图，如图 3所示。

图 3 孔深-波速曲线图 Fig. 3 Curves of hole depth vs. wave velocity

由图 3可见岩体纵波波速随着孔深的增加不断增大，并逐渐趋于稳定。这是由于随着孔深的增加围岩受到开挖的影响越来越小，岩体的破碎程度也是逐渐降低。距离洞周最远处受到的扰动最小，可近似的将此处的围岩看作原始围岩，取其波速作为原始岩体纵波速度v_yt。

室内试验已得出R_v为0.53，由公式(4)可知L_v=0.53。将求得的原始岩体纵波速度v_yt代入公式(5)，求出v_pt，并对应到具体的孔深-波速曲线图中得出各位置处的松动圈厚度，计算结果如表 2所示。

由统计表 2结果可见，松动圈在洞周分布并不均匀，明显呈拱肩部厚，边墙部薄，这与围岩的初始应力状态较为吻合。

现有的3种围岩松动圈声波法测试结果判别标准分别为：方法Ⅰ围岩声波波速开始大幅增加的点，如图 4中b点；方法Ⅱ围岩声波波速大幅增加结束后所对应点，如图 4中d点；方法Ⅲ为方法Ⅰ与方法Ⅱ的平均值，如图 4中bd两点之间。

图 4 围岩松动圈判别标准 Fig. 4 Discrimination criterion of loose circle

分别采用以上3种标准和本研究所提出的标准判别围岩松动圈的位置，结果如表 3所示。

分析统计结果可见，本研究所提出方法得出的松动圈厚度均在方法Ⅰ和方法Ⅱ的区间范围内，说明本方法有较高的准确性，同时相较方法Ⅲ简单取方法I和方法Ⅱ的中值更具有理论依据。

(1) 针对声波法测试围岩松动圈厚度时，测试结果判别具有很大的模糊性与主观性的缺点，提出了破碎岩石完整性系数R_v和松动圈完整性系数L_v的概念，并认为在硐室开挖中近似的有R_v≈L_v。通过声波法进行室内岩石试验和现场松动圈测试，便可以准确的求出松动圈的厚度。此方法客观、准确，消除了以往判别方法弊端。

(2) 以石门隧道为依托，测出了Ⅲ级围岩片麻岩的破碎岩石完整性系数R_v为0.53，根据松动圈完整性系数确定了Ⅲ级围岩松动圈厚度在0.55～1.35m之间，且沿洞周分布并不均匀，明显呈拱肩部厚，边墙部薄。在与原有声波法松动圈测试判别标准的结果对比发现，基于完整性系数的新判别方法更为准确，能为设计和施工提供有效依据。