李森林 馬博恒 葛玉祥 侯占松

(中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北 保定 071069)

關(guān)鍵塊體法在某隧道圍巖穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用

李森林 馬博恒 葛玉祥 侯占松

(中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北 保定 071069)

應(yīng)用關(guān)鍵塊體法對山西某隧道圍巖的穩(wěn)定性進行了評價及超前預(yù)測，并將其所得結(jié)果與掌子面編錄及野外踏勘結(jié)果相結(jié)合，得到了較滿意的分析結(jié)果，最后詳細(xì)闡述了關(guān)鍵塊體法在應(yīng)用實踐中存在的優(yōu)缺點，并提出了合理的建議，為以后類似的工程提供借鑒。

關(guān)鍵塊體法，隧道圍巖，穩(wěn)定性，超前預(yù)測

隧道圍巖的穩(wěn)定性取決于隧道賦存地質(zhì)環(huán)境、后生改造效應(yīng)規(guī)律及其工程地質(zhì)特征，且在此基礎(chǔ)上，隧道施工擾動形成的圍巖應(yīng)力與變形進一步作用，其覆巖穩(wěn)定性會發(fā)生新的變化。鑒此，本文基于地質(zhì)規(guī)律、工程地質(zhì)條件和隧道空間幾何特征，采用關(guān)鍵塊體法對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行了力學(xué)驗算，基于資料的綜合分析，超前預(yù)測隧道的穩(wěn)定性，為預(yù)防施治提供依據(jù)。

1 關(guān)鍵塊體法分析思路

關(guān)鍵塊體法解決地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價問題的基本思路是：在已知洞室形狀及洞室尺寸的條件下，任意選取3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面作為構(gòu)成四面體的邊界條件(構(gòu)成四面體的另一面是開挖臨空面)，通過程序?qū)⑺阉鞒鼋o定結(jié)構(gòu)面在洞室各個不同部位(如拱頂、拱腰、邊墻、洞底等)所能組合形成的關(guān)鍵塊體形狀大小，通過給定的形成關(guān)鍵塊體各結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，計算出各個部位關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性安全系數(shù)，從而對隧道圍巖的穩(wěn)定性進行評價及超前預(yù)測。

2 工程應(yīng)用實踐

2.1 工程概況

擬建某隧道設(shè)計為分離式隧道，單洞寬度約13 m，長約600 m，屬中型隧道。隧道總體走向為NNE-SSW向。根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查和隧道開挖過程中的掌子面編錄揭示，隧道范圍內(nèi)主要出露巖體巖性為砂巖、泥巖和二者過渡的巖石。主要發(fā)育8組優(yōu)勢節(jié)理組及1組層面，其特征如表1所示。

2.2 各結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的選取

各組結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值見表2。

2.3 不利結(jié)構(gòu)面組合切割結(jié)構(gòu)體(關(guān)鍵塊體)空間分布規(guī)律

8組優(yōu)勢節(jié)理組和1組層面，這9組不利結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影見圖1。

通過Unwedge地下開挖程序軟件，對上述9組結(jié)構(gòu)面進行組合分析，共形成84組組合關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)綜合分析、篩選，去除一些不符合現(xiàn)場實際情況的組合，得到整個隧道區(qū)域可能出現(xiàn)的關(guān)鍵塊體具體空間位置，并計算出了各關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性安全系數(shù)。由于篇幅限制，只列出隧道里程號ZK5+174～ZK5+276區(qū)段存在的4組優(yōu)勢節(jié)理組組合形成的關(guān)鍵塊體的安全系數(shù)及塊體空間幾何形態(tài)，見表3和圖2，圖3。

表1 層面及優(yōu)勢節(jié)理特征一覽表

2.4 隧道圍巖穩(wěn)定性超前預(yù)測

表2 各結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)一覽表

表3 關(guān)鍵塊體空間幾何形態(tài)及穩(wěn)定性安全系數(shù)一覽表

根據(jù)圖2，圖3及表3，結(jié)合隧道開挖過程現(xiàn)場掌子面編錄及野外踏勘資料，現(xiàn)對隧道里程號ZK5+174～ZK5+276段隧道圍巖穩(wěn)定性進行超前預(yù)測，其穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

1)該隧道里程號ZK5+174～ZK5+276段，開挖過程掌子面出露砂巖和泥巖，拱頂和拱腰部位主要出露砂巖，發(fā)育優(yōu)勢節(jié)理組主要為J1，J2，J3，J9，其組合形成的關(guān)鍵塊體為1號和2號，其在隧道圍巖中具體空間分布見圖2，圖3，各關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性安全系數(shù)見表3。

2)關(guān)鍵塊體均出現(xiàn)在右上拱腰部位，其中J1，J3，J9組合形成的1號關(guān)鍵塊體體積為59.321 m3,規(guī)模較大，安全系數(shù)為0.94，J2，J3，J9組合形成的10號關(guān)鍵塊體安全系數(shù)為1.266。根據(jù)表1優(yōu)勢節(jié)理特征一覽表，J1，J3，J9出現(xiàn)的頻度均較高，規(guī)模較大，而J2出現(xiàn)頻度低，規(guī)模小。故1號關(guān)鍵塊體為該區(qū)段出現(xiàn)的主要關(guān)鍵塊體，且其安全系數(shù)小于1.0，極容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，該關(guān)鍵塊體一旦失穩(wěn)滑塌，將可能導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生連鎖反應(yīng)，引起隧道右拱腰部位整體坍塌。故可預(yù)測本區(qū)段不穩(wěn)定區(qū)域主要在右上拱腰部位，其他部位穩(wěn)定性狀態(tài)較好。因此，在隧道開挖過程中需密切關(guān)注該區(qū)段右上拱腰部位，及時進行噴錨支護，防止該部位發(fā)生滑塌破壞，危及安全生產(chǎn)。

3 關(guān)鍵塊體法應(yīng)用的優(yōu)缺點及建議

1)根據(jù)第2節(jié)對隧道圍巖穩(wěn)定性的超前預(yù)測結(jié)果可以看出：

a.關(guān)鍵塊體法應(yīng)用于隧道圍巖穩(wěn)定性的預(yù)測，其意義明確，簡單明了；

b.其結(jié)果與現(xiàn)場踏勘及隧道開挖實際情況相結(jié)合，具有一定的可靠性，特別是在塊狀或?qū)訝顗K狀及塊裂結(jié)構(gòu)巖體中開挖隧道時，可對隧道圍巖穩(wěn)定性進行半定量的分析評價及預(yù)測，在一定程度上可以指導(dǎo)隧道開挖施工；

c.容易被廣大工程人員接受并掌握，具有較大的推廣意義。故本文中該方法的應(yīng)用實踐為以后類似工程提供了較好的借鑒。

2)同樣，該方法也存在著局限性：

a.其只能應(yīng)用于塊狀或?qū)訝顗K狀及塊裂結(jié)構(gòu)巖體中，對層狀碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)巖體并不適用；

b.其得出的關(guān)鍵塊體的空間分布情況不具體、不明確，如本文中位于隧道右拱腰部位。并且其所得出的塊體是形成的最大塊體，而在實際中不太可能形成規(guī)模達到幾十立方米或者更大的塊體滑塌，大部分先是規(guī)模比較小的塊體滑塌，然后形成較大的破壞；

c.其穩(wěn)定性判據(jù)依賴于形成各關(guān)鍵塊體的結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)，而結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)隨賦存環(huán)境的變化而變化，即使是同一組節(jié)理，賦存的部位不同，其物理力學(xué)性質(zhì)也不同，這對結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)的選取造成相當(dāng)大的困難，從而影響隧道圍巖穩(wěn)定性判定的準(zhǔn)確性。

3)綜合上述分析，結(jié)合筆者多年對該方法的應(yīng)用實踐情況，建議在應(yīng)用該法時注意以下問題：

a.在進行優(yōu)勢節(jié)理組統(tǒng)計時，應(yīng)盡量選取待評價區(qū)段露頭進行統(tǒng)計，使得結(jié)果更具針對性。其次，應(yīng)詳細(xì)記錄結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、規(guī)模及力學(xué)特征，且必要時應(yīng)取樣進行室內(nèi)試驗，以取得較為可靠的結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，這為后續(xù)評價提供可靠的依據(jù)；

b.在搜索關(guān)鍵塊體時，應(yīng)盡量使用實體比例投影法，使得其生成的塊體空間分布更具體、準(zhǔn)確，能夠反映塊體實際空間部位及幾何形狀，但由于該方法較為繁瑣，建議在初始預(yù)判時進行簡化，得出關(guān)鍵塊體的大概部位后，再針對該部位采用該方法進行深入的分析，以減少工作量；

c.應(yīng)結(jié)合野外踏勘、掌子面編錄及超前地質(zhì)預(yù)報和隧道圍巖監(jiān)控量測等手段，綜合分析隧道圍巖的穩(wěn)定性情況，從而才能對隧道圍巖的穩(wěn)定性作出較為全面、準(zhǔn)確的評價及預(yù)測。

[1] 懷 超.關(guān)鍵塊體理論在高速公路連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[D].西安：長安大學(xué)碩士論文，2005.

[2] 王延濤，李桂平.利用塊體理論Unwedge程序分析隧洞圍巖穩(wěn)定性[J].山西水利科技，2000(11)：88.

[3] Unwedge Use’s Guide，3D visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavation and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges，Rocscience，Inc．1992-1999.

[4] 中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司.陽泉西環(huán)高速公路第LJ3合同段檀樹巖隧道超前地質(zhì)預(yù)報與監(jiān)控量測報告[R].2011.

[5] 中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司.陽泉西環(huán)高速公路南婁隧道穩(wěn)定性研究報告[R].2014.

Application of critical masonry method in the tunnel surrounding rock stability assessment

LI Sen-lin MA Bo-heng GE Yu-xiang HOU Zhan-song

(ChinaSurveyMetallurgySurveyDesignAcademyCo.,Ltd,Baoding071069,China)

The thesis carries out stability evaluation and advanced prediction of the tunnel surrounding rock in Shanxi province by applying critical masonry method, integrates achieved results and bearing surface catalog with outdoor survey results, achieves satisfied results. In the end, it specifically describes its application merits and defects, puts forward rational suggestions, which has provided some guidance for similar engineering.

critical masonry method, tunnel surrounding rock, stability, advanced prediction

1009-6825(2014)34-0168-02

2014-09-23

李森林(1982- )，男，碩士，工程師，注冊巖土工程師； 馬博恒(1953- )，男，教授級高級工程師； 葛玉祥(1979- )，男，工程師，注冊巖土工程師； 侯占松(1985- )，男，助理工程師

U452.12

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