張昱輝，郭吉平，孔凡林

(1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092;2.貴州獨平高速公路有限公司，貴州 貴陽 550001;3.重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400020)

0 引言

伴隨著隧道建設(shè)的快速發(fā)展，隧道所穿越的地層條件越來越復(fù)雜，尤其是在節(jié)理發(fā)育區(qū)段，由于地質(zhì)條件的特殊性，容易在隧道施工期間產(chǎn)生掉塊甚至大規(guī)模塌方，造成施工困難。在地下工程的設(shè)計和施工中，圍巖的穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)重點研究，而作為其重要內(nèi)容的塊體穩(wěn)定性研究則應(yīng)成為重中之重。

目前關(guān)于巖體穩(wěn)定性分析已進行了大量的研究工作，數(shù)值模擬方法也隨之得到了較快發(fā)展。有學(xué)者采用有限元軟件對隧道斷層破碎帶圍巖的開挖和支護措施進行了數(shù)值模擬，總結(jié)了圍巖受力變形規(guī)律［1－2］;有學(xué)者利用巖石破裂過程分析軟件研究了結(jié)構(gòu)面傾角對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響［3］;有學(xué)者以彈性理論為基礎(chǔ)，利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Drucker-Prager準(zhǔn)則，推導(dǎo)了隧道圍巖的安全系數(shù)，建立了基于單元的安全系數(shù)法［4－5］;有學(xué)者采用UDEC軟件進行了節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性研究，認為節(jié)理巖體穩(wěn)定性受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制，節(jié)理面極大地削弱了巖體力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性，節(jié)理面變形與強度性質(zhì)往往對工程巖體穩(wěn)定性起著關(guān)鍵控制作用［6］;還有學(xué)者基于塊體理論對圍巖穩(wěn)定性進行了解析方法的相關(guān)研究，認為結(jié)構(gòu)面是控制塊體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，并將成果應(yīng)用到實際工程中［7－9］?？傊?，目前研究人員主要是從隧道圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變角度展開研究，考慮節(jié)理特征對圍巖穩(wěn)定性影響的研究也多是從解析方法的角度展開，較難被工程人員所掌握。

通過以上認識，結(jié)合某在建公路隧道，根據(jù)地質(zhì)素描及三維重構(gòu)技術(shù)，基于塊體理論的圍巖穩(wěn)定性分析方法，采用數(shù)值軟件對隧道圍巖穩(wěn)定性進行分析，以期為地下工程的設(shè)計和施工提供借鑒與參考。

1 塊體理論赤平解析法

塊體理論［10］根據(jù)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息判斷巖體的可動性，計算結(jié)果三維且能直接用于工程需求，主要分析手段中的赤平解析法尤其適合節(jié)理巖體隧道穩(wěn)定性的分析。

赤平解析法的基本假定為:1)結(jié)構(gòu)面為平面;2)結(jié)構(gòu)面貫穿所研究的巖體，即不考慮巖石塊體本身的強度破壞;3)結(jié)構(gòu)體為剛體，不計塊體自身變形和結(jié)構(gòu)面的壓縮變形;4)巖體的失穩(wěn)指巖體在各種荷載作用下沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移。

巖體被各類結(jié)構(gòu)面和開挖面(如邊坡面、洞室的頂和邊等)切割后，形成形狀各異的鑲嵌塊體。從表面上看，這些塊體似乎是雜亂無章的，但如果從巖體工程穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，塊體可分為有限塊體和無限塊體2大類。有限塊體可分為不可動塊體和可動塊體，而可動塊體又可分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體。塊體類型如圖1所示。

圖1 塊體類型示意圖Fig.1 Diagram of block type

塊體理論的核心就是通過幾何分析，排除所有的無限塊體和不可動塊體，再通過運動學(xué)分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失穩(wěn)塊體;然后，根據(jù)滑動面的物理力學(xué)特性，確定工程開挖面上所有的關(guān)鍵部位塊體，并計算出所需錨固力，制訂相應(yīng)的錨固措施，消除潛在的連鎖反應(yīng)，確保隧洞安全。

2 工程概況

某在建公路隧道設(shè)計長度2 400 m，位于臺背斜與臺向斜接壤處，采用新奧法原理進行施工，隧址范圍內(nèi)為硬質(zhì)巖，以灰?guī)r為主，中等風(fēng)化，局部節(jié)理裂隙發(fā)育。隧址區(qū)勘探深度內(nèi)未見地下水，圍巖富水性弱，產(chǎn)生突水的可能性較小。

根據(jù)地勘報告提供的各種巖組的物理力學(xué)參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征，將隧道圍巖劃分為Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ 3種圍巖級別。其中，Ⅴ級圍巖所占比例為50%以上，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間有充填泥質(zhì)物。在隧道開挖擾動下，圍巖可能會沿著節(jié)理面滑動，造成大變形甚至塌方，對工程的安全、經(jīng)濟效益產(chǎn)生不良影響，需要對隧道圍巖進行支護。

3 三維重構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)素描結(jié)果，運用數(shù)理統(tǒng)計的手段，實現(xiàn)節(jié)理的精細化描述，并在軟件中實現(xiàn)三維重構(gòu)，進行隧道圍巖的穩(wěn)定性分析。

3.1 基于地質(zhì)素描的節(jié)理特征描述

地勘資料表明，工程隧址區(qū)段除陡傾節(jié)理較為發(fā)育外，還存在大量的水平或緩傾層理?，F(xiàn)場地質(zhì)素描時，研究人員將節(jié)理和層理均列為統(tǒng)計對象，但僅憑現(xiàn)場地質(zhì)素描結(jié)果，難以建立精細化的地層網(wǎng)絡(luò)模型。故本文擬在劃分優(yōu)勢節(jié)理的基礎(chǔ)上，運用數(shù)理統(tǒng)計手段，擬合節(jié)理發(fā)育特征的概率分布參數(shù)，實現(xiàn)節(jié)理特征的精細化描述。

依照現(xiàn)場隧道圍巖節(jié)理的編錄結(jié)果，在整條隧道內(nèi)，前后有多個斷面存在著相同產(chǎn)狀的優(yōu)勢節(jié)理組，對隧道的變形起到控制作用，因此，將連續(xù)多個掌子面的節(jié)理產(chǎn)狀進行統(tǒng)計，得到貫通整條隧道的優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀，為進一步分析隧道穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。優(yōu)勢節(jié)理面的分組是將節(jié)理面的產(chǎn)狀及其法向極點投影至等面積的施耐特圖上，根據(jù)極點的等密度圖來確定，從等密度圖上可以發(fā)現(xiàn)節(jié)理面主要集中在某幾個區(qū)域，這些區(qū)域就是優(yōu)勢節(jié)理面。隧道節(jié)理分組極點圖和等密度圖如圖2所示。

圖2 隧道節(jié)理分組極點圖和等密度圖Fig.2 Pole and isodensity diagram of joint group

經(jīng)統(tǒng)計，可得統(tǒng)計區(qū)段各隧道圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育的優(yōu)勢節(jié)理面產(chǎn)狀，如表1所示。

表1 優(yōu)勢節(jié)理劃分結(jié)果Table 1 Result of advantage joint (°)

根據(jù)節(jié)理的優(yōu)勢產(chǎn)狀分組，將節(jié)理產(chǎn)狀特征進行概率分布擬合，每一組中計算各自分布頻率，擬合分布函數(shù)的形式與相關(guān)參數(shù)，并進行檢驗。擬合結(jié)果表明，統(tǒng)計區(qū)段的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀均可視為呈正態(tài)分布規(guī)律。

3.2 三維重構(gòu)模型的建立

參考設(shè)計資料，隧道斷面高9.31 m，寬12.62 m。為消除模型尺寸對分析結(jié)果的影響，可沿隧道橫向兩側(cè)各取2倍洞寬，節(jié)理沿隧道軸向延展性較差，均不超過10 m，故軸向長度取10 m。隧道底部的可動塊體對隧道圍巖穩(wěn)定性影響不大，底部尺寸可取約1倍洞高(即10 m)。故利用FracMan軟件建立三維可視化模型時，地層模型可取高約45 m，寬約65 m，軸線方向地層取10 m。地層及隧道模型示意圖如圖3所示。

圖3 地層及隧道模型示意圖Fig.3 Model of strata and tunnel

參照優(yōu)勢節(jié)理劃分結(jié)果，選擇豎直節(jié)理和水平層理的分布模式，通過控制傾向、傾角、走向等參數(shù)，在地層中插入若干節(jié)理群。圍巖參數(shù)取值為:圍巖容重取2 400 kg/m3，結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)c=0.1 MPa，φ =25.5°。為了使模型盡量與實際工況一致，對主要結(jié)構(gòu)面進行修飾，建好的模型如圖4所示。

4 計算結(jié)果與分析

根據(jù)塊體理論，對隧道典型斷面關(guān)鍵塊體進行判斷計算及隧道典型斷面的穩(wěn)定性分析，并分析不同錨桿支護強度下的地層穩(wěn)定性。

4.1 無支護工況下圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)優(yōu)勢節(jié)理劃分結(jié)果，利用FracMan軟件進行三維重構(gòu)，并計算在不加支護情況下隧道出口段右線典型斷面的所有有限塊體，并判斷其可動性和穩(wěn)定性，計算結(jié)果如圖5所示(其中，2，9，10，11號塊體體積過小，在圖中并未顯示)。結(jié)果表明，隧道臨空面上共形成13個有限塊體，其中紅色折線所繪塊體表示安全系數(shù)小于1的塊體。

圖4 隧道計算模型Fig.4 Calculation model of tunnel

圖5 無支護條件下有限塊體分布圖Fig.5 Distribution of finite rock block under non-support condition

為方便分析，統(tǒng)計各有限塊體的體積、質(zhì)量、周界面積、安全系數(shù)和滑動形式，如表2所示。

表2 有限塊體參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistical data of finite rock block

由表2可以看出:該類型的斷面開挖時，臨空面關(guān)鍵塊體較多，安全系數(shù)低于1的有9個之多;左側(cè)拱腰處8號塊體體積最大，呈單面滑動，安全系數(shù)僅為0.15，對施工影響最大;此外，拱頂處亦存在3處體積較大的塊體，影響施工與人員安全，其中，6號和7號塊體垂直下落，安全系數(shù)為0，而5號塊體單面滑動，安全系數(shù)僅為0.12。

因此，該段隧道施工時，應(yīng)特別注意拱腰、拱頂位置，及時采取措施，如超前錨桿、小導(dǎo)管等措施，避免險情的發(fā)生，保證施工的正常進行。

4.2 原設(shè)計支護工況下圍巖穩(wěn)定性分析

原設(shè)計中，根據(jù)前期的勘探資料，確定通過錨桿對地層進行加固，原設(shè)計錨桿間距為0.8 m×1.0 m(橫×縱)，錨桿長度為3.5 m，錨桿分布示意圖如圖6所示。

圖6 錨桿分布示意圖Fig.6 Distribution diagram of bolt

再次進行塊體的穩(wěn)定性計算，觀察有限塊體在錨桿作用下的穩(wěn)定性。為方便觀察，只顯示計算后的塊體分布，并輸出塊體的體積、表面積和安全系數(shù)滑動形式，計算結(jié)果如圖7和表3所示。

圖7 有支護條件下有限塊體分布圖Fig.7 Distribution of finite rock block under support condition

表3 有限塊體參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical data of finite rock block

從圖7和表3中可以看出，按原設(shè)計布設(shè)錨桿后，隧道臨空面上只剩下4個有限塊體的安全系數(shù)小于1。其中，10號塊體由于錨桿的影響，安全系數(shù)略有減小，但因體積過小，對隧道施工中的人員安全影響并不是很大。所以，按原設(shè)計打入錨桿之后的臨空面穩(wěn)定性是可以得到保證的。

4.3 支護優(yōu)化工況下圍巖穩(wěn)定性分析

削弱原支護強度，增大錨桿間距為1.4 m×1.6 m(橫×縱)，錨桿長度仍為3.5 m，不考慮其他支護參數(shù)的影響，錨桿布置如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后錨桿分布示意圖Fig.8 Distribution diagram of bolt after optimization

削弱支護強度后再進行計算分析，計算結(jié)果如圖9所示，塊體參數(shù)如表4所示。

圖9 優(yōu)化后有限塊體分布圖Fig.9 Distribution of finite rock block under support condition after optimization

表4 有限塊體參數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Statistical data of finite rock block

從圖9和表4中不難看出，削弱支護強度后，隧道臨空面上關(guān)鍵塊體的所有參數(shù)均未發(fā)生變化，說明錨桿支護削弱之后，仍可以保證開挖面的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論與討論

依托某在建公路隧道，采用基于塊體理論的圍巖穩(wěn)定性分析方法，在軟件中進行節(jié)理產(chǎn)狀的三維重構(gòu)，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性，可以得出以下結(jié)論。

1)基于地質(zhì)素描，將塊體理論應(yīng)用于隧道穩(wěn)定性評價，得到一種圍巖穩(wěn)定性分析及支護優(yōu)化的分析流程，即地質(zhì)素描—節(jié)理特征的精細化描述—三維網(wǎng)絡(luò)模型建立與修正—塊體理論—穩(wěn)定性分析及支護方案優(yōu)化，為實際工程應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

2)基于塊體理論進行了隧道圍巖穩(wěn)定性分析，準(zhǔn)確找到臨空面潛在的關(guān)鍵部位塊體，并分析滑移形式和安全系數(shù)，對指導(dǎo)現(xiàn)場施工具有一定的參考價值。

3)根據(jù)地質(zhì)素描及節(jié)理特征的數(shù)理統(tǒng)計可知，工程區(qū)段內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理面主要有近水平層理和近陡傾節(jié)理。由穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，隧道臨空面上將產(chǎn)生數(shù)量較多的關(guān)鍵塊體，應(yīng)特別注意拱頂及拱腰的圍巖加固，原設(shè)計錨桿支護可以保證臨空面的穩(wěn)定性且支護強度有富余，適當(dāng)削弱支護強度后仍能確保隧道的穩(wěn)定。

但在隧道穩(wěn)定性分析中只考慮了巖體的自重、摩擦角和黏聚力，這與實際工況有一定差距，因此，有必要在進一步的研究中全面考慮影響圍巖穩(wěn)定性的因素。

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