馮志糜
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院太原030024)
坪上應(yīng)急引水工程引水隧洞位于忻州市五臺(tái)縣境內(nèi),進(jìn)口位于段家莊村大泉溝上游約3.3 km處,由南向北穿越系舟山系至甲子灣村西約2.3 km處出口,全長(zhǎng)4.05 km,洞軸線(xiàn)走向N25°W,設(shè)計(jì)縱坡1/1 700,設(shè)計(jì)流量6.51 m3/s。隧洞洞型為城門(mén)洞型,開(kāi)挖寬度4.5 m。隧洞開(kāi)挖后,圍巖地質(zhì)條件較復(fù)雜,掉塊、塌方等不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,為此,通過(guò)極射赤平投影圖解法對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)洞室不穩(wěn)定塊體及其規(guī)模,調(diào)整支護(hù)方案,取得了良好效果。
極射赤平投影主要用來(lái)表示線(xiàn)和面的方向、相互間的角距關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)軌跡,把物體三維空間的幾何要素反映在投影平面上進(jìn)行研究處理。物體界面與球體的交線(xiàn)為此物體界面的球面投影;由球體的南極或北極為視點(diǎn)發(fā)出與球面投影相交的極射,這些極射在赤平面上的交點(diǎn)相連為一圓弧,這條圓弧即為此物體界面的極射赤平投影。
目前廣泛使用的投影網(wǎng)主要為吳氏網(wǎng),又稱(chēng)等角距投影網(wǎng),在求解面、線(xiàn)間的角距關(guān)系方面比較精確,且作圖較方便,本文即利用吳氏網(wǎng)作極射赤平投影圖進(jìn)行洞室圍巖穩(wěn)定性分析。
實(shí)體比例投影是用垂直投影的原理,按一定比例將各種形狀的結(jié)構(gòu)體的各個(gè)面的交線(xiàn)和交點(diǎn)按原位投影在水平面上,以反映結(jié)構(gòu)體在平面上的形態(tài)的作圖法。用來(lái)分析巖體穩(wěn)定性,具有直觀、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。
坪上引水隧洞地處太行山山脈中部系舟山山系北部,山頂高程一般在1 100~1 600 m,屬剝蝕構(gòu)造中山地形地貌,地形起伏大,山勢(shì)陡峭,溝谷發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有滹沱河及其支流清水河,在這些河流的發(fā)展演化過(guò)程中,形成了四級(jí)河流階地。山脈水系明顯受地質(zhì)構(gòu)造和巖性所控制。區(qū)內(nèi)地貌按成因類(lèi)型可劃分為三類(lèi):侵蝕-構(gòu)造地形、溶蝕-構(gòu)造地形、侵蝕-堆積地形。
區(qū)內(nèi)發(fā)育和出露的地層有太古界龍華河群、震旦亞界、豆村亞群、震旦亞界長(zhǎng)城系、太古界寒武系、奧陶系、石炭系、新生界上第三系及第四系。區(qū)內(nèi)還零星分布有五臺(tái)期花崗巖、呂梁期輝綠巖及燕山期云煌巖巖脈等火成巖侵入體。
大地構(gòu)造部位處于呂梁太行斷塊、五臺(tái)山塊隆的系舟山掀斜向斜與阜平穹狀隆起構(gòu)造單元接壤處,西部為滹沱河新裂陷。主要發(fā)育北東向地質(zhì)構(gòu)造,南北向、東西向等地質(zhì)構(gòu)造僅在南部及東部有分布。在地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中,本區(qū)先后經(jīng)歷了平山、五臺(tái)、呂梁、加里東—印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),且以燕山運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈,在北北東—南南西向反時(shí)針直扭應(yīng)力場(chǎng)的作用下,形成了復(fù)雜的褶皺及壓性斷裂帶。新生代以來(lái),受太平洋及印度板塊的推擠,使區(qū)域受順時(shí)針扭應(yīng)力場(chǎng)作用,改造了原燕山期構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì),形成了山西斷陷帶及斷隆帶。
引水隧洞開(kāi)挖揭露的主要地層為古生界奧陶系、寒武系、震旦亞界及呂梁期地層,在甲子灣大斷裂及次級(jí)構(gòu)造影響下,圍巖地質(zhì)條件較為復(fù)雜。在局部裂隙、構(gòu)造及巖溶發(fā)育地帶存在滲水、涌水等問(wèn)題。洞室開(kāi)挖后,相關(guān)單位及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄,對(duì)各種結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),分析可能存在的安全隱患,并由此采取相應(yīng)的工程處理措施,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益?,F(xiàn)選取某段典型結(jié)構(gòu)面組合進(jìn)行局部塊體穩(wěn)定性分析計(jì)算。
隧洞掘進(jìn)至樁號(hào)6+690段,結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,該處發(fā)育三組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,其產(chǎn)狀分別為:①330°∠60°;②120°∠52°;③230°∠50°。為預(yù)測(cè)該三組結(jié)構(gòu)面的組合是否會(huì)形成不穩(wěn)定塊體,采用極射赤平投影法進(jìn)行分析,并用實(shí)體比例投影法確定該不穩(wěn)定塊體的體積。其具體操作步驟如下:
(1)將上述三組結(jié)構(gòu)面按其產(chǎn)狀繪于極射赤平投影圖上,連接圓心O與各結(jié)構(gòu)面的投影大圓的交點(diǎn),并將隧洞走向LL(335°)標(biāo)于赤平極射投影圖上(見(jiàn)圖1)。根據(jù)極射赤平投影原理,網(wǎng)的中心點(diǎn)落在大圓封閉區(qū)內(nèi),說(shuō)明該巖塊的位移不受約束,將在重力作用下沿結(jié)構(gòu)面墜落,形成不穩(wěn)定四面錐體ABCO。
(2)沿隧洞長(zhǎng)度方向作隧洞頂板平面,隧洞寬度(4.5 m)按1:50比例繪制,并使該三組結(jié)構(gòu)面的走向線(xiàn)所組成的三角形頂點(diǎn)有兩個(gè)分別落在隧洞兩邊的邊界上(見(jiàn)圖 2),B′C′、C′A′、A′B′分別為三組結(jié)構(gòu)面的走向,A′O′、B′O′、C′O′分別平行于圖1中的結(jié)構(gòu)面交線(xiàn)AO、BO、CO,O′為四面錐體ABCO的頂點(diǎn)O在隧洞頂板平面上(假定隧洞頂面為平面)的垂直投影,A′B′C′O′即為四面錐體ABCO的實(shí)體比例投影。
(3)通過(guò)四面錐體ABCO的頂點(diǎn)O作垂直剖面DE垂直于隧洞軸線(xiàn)LL,由圖1中讀取DO和EO的傾角(分別為60°、65°),垂直剖面與錐體底面三角形的交線(xiàn)為D′E′(見(jiàn)圖2)。
(4)按1:50比例作通過(guò)錐體頂點(diǎn)O的垂直剖面。將圖2中的 D′E′向垂直與洞軸線(xiàn)的平面投影得 D″E″,過(guò)D″點(diǎn)作∠E″D″O″=60°,過(guò) E″點(diǎn)作∠D″E″O″=65°,D″O″和 E″O″相交于O″點(diǎn),過(guò) O″作 D″E″的垂線(xiàn) O″M,O″M 即為四面錐體 ABCO 的高度。由于該高度要被隧洞弧形拱頂截取掉一部分,因此上下移動(dòng)頂拱弧形線(xiàn),使其與D″、E″兩點(diǎn)中一點(diǎn)相切,另一點(diǎn)位于其下。O″M交拱線(xiàn)于N點(diǎn),ON即為該不穩(wěn)定塊體的高度。這種切法保證了塊體在拱頂達(dá)到最大體積,即考慮的是最危險(xiǎn)狀態(tài),偏于安全。經(jīng)量測(cè),該不穩(wěn)定塊體在拱頂上的高度h為1.5 m。
(5)根據(jù)四面錐體體積公式,經(jīng)計(jì)算,該不穩(wěn)定塊體體積約為2.8 m3,設(shè)計(jì)、施工等專(zhuān)業(yè)根據(jù)圖解法提供的地質(zhì)資料進(jìn)行支護(hù)、錨固方案優(yōu)化,避免施工中的風(fēng)險(xiǎn)。
由此可見(jiàn),通過(guò)運(yùn)用圖解法對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析,施工單位能夠在施工過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,不僅能起到預(yù)警作用,且為加固錨桿長(zhǎng)度的選擇提供了依據(jù)。
圖1 不穩(wěn)定塊體赤平投影
圖2 不穩(wěn)定塊體實(shí)體比例投影
通過(guò)上述圖解法的研究分析認(rèn)識(shí)到,深埋隧洞勘察工作由于受到交通條件、勘探設(shè)備等因素制約,不能準(zhǔn)確查明隧洞洞身圍巖地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件,對(duì)工程地質(zhì)問(wèn)題的分析評(píng)價(jià)受到一定的制約。因此,隧洞施工開(kāi)挖后,運(yùn)用極射赤平投影及實(shí)體比例投影法分析洞室圍巖穩(wěn)定性顯得十分必要,且該法具有簡(jiǎn)潔、直觀、快速的優(yōu)點(diǎn),能夠在一次支護(hù)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧洞工程隱患,是隧洞施工超前預(yù)報(bào)塌方、掉塊等隧洞常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害的有力手段。