西秦嶺隧道巖體精細化描述及關(guān)鍵塊體研究

高文山

(中鐵十八局集團有限公司蘭渝鐵路工程指揮部，甘肅武都 746041)

裂隙巖體節(jié)理面的滑移、張開是隧道失穩(wěn)的關(guān)鍵科學問題，一直是工程界和學術(shù)界關(guān)注的焦點。隨著我國客運專線的快速發(fā)展，隧道穿越地層更加復雜，不可避免穿越節(jié)理破碎的區(qū)域，節(jié)理裂隙的規(guī)模、產(chǎn)狀、間距直接決定圍巖穩(wěn)定性，如果不能正確判斷關(guān)鍵塊體，無法有效和針對性的控制，往往會造成隧道坍塌和失穩(wěn)問題。相關(guān)單位和專家、學者對節(jié)理巖體進行了一些研究，并取得了一定的研究成果［1- 2］。

鄭穎人［3］結(jié)合模型試驗與數(shù)值方法，研究了巖體的節(jié)理傾角、破裂面位置對隧道的破壞狀態(tài)及其安全系數(shù)影響。豆海濤［4］利用數(shù)值模擬，研究了支護體系的滲透規(guī)律，探討不同位置和地下水位條件下結(jié)構(gòu)受力特點。王華牢［5］采用非連續(xù)分析方法，研究了斷續(xù)節(jié)理擴展過程，提出了連拱隧道的受力特性，為隧道施工中的支護加固提供依據(jù)。鄒飛［6］采用破壞性模型試驗，研究巖體節(jié)理間距、傾角對TBM盤形滾刀破巖影響，重點分析了主裂紋擴展能量的發(fā)展規(guī)律。張志強和何本國［7］研究了節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性判定合理指標，探討了細觀結(jié)構(gòu)機制和宏觀力學行為。李軍［8］采用離散元UDEC程序?qū)λ淼绹鷰r節(jié)理特征進行分析，研究了節(jié)理組數(shù)、傾角、間距對圍巖穩(wěn)定性的影響。

參考國內(nèi)外文獻［9-10］，目前學者研究主要集中在研究節(jié)理的力學行為，而且往往都是假定的節(jié)理產(chǎn)狀，而對工作面圍巖信息精細化描述研究比較少，采用優(yōu)勢節(jié)理面的方法研究隧道的關(guān)鍵塊體更少。以新建鐵路蘭渝線中段西秦嶺隧道為依托，進行隧道工作面巖體精細化描述，確定優(yōu)勢節(jié)理面和關(guān)鍵塊體，對節(jié)理巖體隧道的設計、動態(tài)施工具有重要科學意義和工程價值。

1 隧道工作面節(jié)理特征精細化描述

1.1 工程概況

西秦嶺特長隧道位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。隧道的高程主要在1000m到2 400m，最高處和最低處相差約1 400m，隧道的埋深最大處約為1 500m。隧道穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)松散層、砂質(zhì)千枚巖，泥盆系灰?guī)r、下元古界變砂巖夾砂質(zhì)千枚巖、砂質(zhì)千枚巖。西秦嶺隧道全長28.236 km，右線出口DIK423+352～DIK403+590，全長19.662 km，采用TBM施工，在羅家理預備洞地段DIK413+388設置雙車道無軌運輸斜井。

1.2 隧道工作面節(jié)理特征精細化描述

對隧道施工過程中工作面和側(cè)壁等區(qū)域出露的巖體節(jié)理，按照國際巖石力學協(xié)會建議的描述標準對其節(jié)理信息進行逐一的采集、編錄。以左線DIK35+505為例，分析走向、傾向、傾角的分布規(guī)律，然后根據(jù)節(jié)理分布密度，確定巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢節(jié)理面。

從現(xiàn)場觀察看出，圍巖級別為Ⅳ級(勘察報告為Ⅴ級)，以強風化灰?guī)r為主，單塊巖石抗壓強度較高，屬較堅硬巖，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，呈中、薄層狀或碎裂狀，節(jié)理類型以剪節(jié)理為主，具有共軛特征，節(jié)理面張開寬度較大，以泥質(zhì)和砂質(zhì)填充為主，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，圍巖自穩(wěn)能力一般，若開挖后不及時支護易出現(xiàn)小掉塊或局部小坍塌，地下水稍發(fā)育，圍巖潮濕。

西秦嶺隧道左線DIK35+505斷面工作面素描，巖體延續(xù)性中等，節(jié)理信息如圖1、表1所示。

圖1 工作面巖體素描

表1 西秦嶺隧道左線DIK35+505斷面節(jié)理信息

從現(xiàn)場看，巖體屬于碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖變形是結(jié)構(gòu)面與巖石變形共同作用的結(jié)果，結(jié)構(gòu)面相嵌、張開、滑移等力學形態(tài)都影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;碎裂結(jié)構(gòu)隧道破壞形式多為局部破壞和較大坍塌。

1.3 優(yōu)勢節(jié)理面

天然巖體節(jié)理分布具有一定的規(guī)律性，但是有些節(jié)理具有控制巖體整體穩(wěn)定性的作用。將現(xiàn)場實測的節(jié)理信息進行各種數(shù)據(jù)的處理。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，節(jié)理產(chǎn)狀的極點分布如圖2所示。統(tǒng)計該圓內(nèi)不同位置極點數(shù)目占極點總數(shù)的比例，得到極點密度(如圖3所示)。

圖2 節(jié)理產(chǎn)狀極點分布示意

從圖3可以看出，節(jié)理主要集中在三個區(qū)域，以此定義為隧道節(jié)理巖體的優(yōu)勢節(jié)理面，在利用優(yōu)勢節(jié)理面研究隧道掉塊和坍塌的范圍和趨勢。依據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀等密度圖，統(tǒng)計得到西秦嶺隧道左線DIK35+505節(jié)理裂隙隧道三組優(yōu)勢節(jié)理面(如表2所示)。

根據(jù)表2中的產(chǎn)狀，得到隧道軸線與優(yōu)勢節(jié)理面的關(guān)系，預測隧道圍巖穩(wěn)定性，并且為隧道有效支護提供科學依據(jù)。

2 圍巖關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性

由表2可得出各結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，可得出其法向矢量(如表3)。表中:x軸為E向，y軸為N向，z軸為豎直向上。分別表示相應結(jié)構(gòu)面單位法向量。

表3 各結(jié)構(gòu)面法向矢量坐標

根據(jù)式(1)、式(2)，得出ni(0，0，－1)時各運動方向坐標(如表4所示)。

表4 各運動方向矢量坐標

再根據(jù)運動方向坐標進行判別關(guān)鍵塊體:脫離巖體運動為式(3)、沿單面滑動為式(4)、沿雙面滑動為式(5)，求得其凈滑力F

根據(jù)得到的各塊體凈滑力確定相應的關(guān)鍵塊體，通過以上數(shù)據(jù)對該隧道圍巖做赤平投影，得出巖層產(chǎn)狀與關(guān)鍵塊體關(guān)系(如圖4所示)。

根據(jù)圖4可畫出關(guān)鍵塊體的最大可動區(qū)域，如圖5(a)所示。同時依據(jù)表2中的優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀，結(jié)合UNWEDGE軟件，建立了西秦嶺隧道和圍巖塊體的三維模型，進行關(guān)鍵塊體的識別，數(shù)值模擬結(jié)果為圖5(b)。

圖4 巖層產(chǎn)狀與關(guān)鍵塊體關(guān)系

圖5 西秦嶺隧道圍巖關(guān)鍵塊體分布

從圖5可以看出:洞壁沿著節(jié)理面失穩(wěn)，隧道拱腰左側(cè)、拱頂處較容易坍塌，解析法和數(shù)值模擬結(jié)果一致，從而驗證方法的正確性。針對失穩(wěn)的關(guān)鍵塊體，建議采用非對稱支護結(jié)構(gòu)進行局部加固，可以有效提高圍巖穩(wěn)定性。同時，加快進度，節(jié)約成本，縮短圍巖裸露時間。

3 結(jié)論

在現(xiàn)場測量西秦嶺隧道左線DIK35+505工作面圍巖信息特征的基礎上，繪制赤平投影，確定優(yōu)勢節(jié)理面，最終找出關(guān)鍵塊體。

(1)對西秦嶺隧道工作面節(jié)理面的自然特征進行精細化描述，測量規(guī)模、產(chǎn)狀、間距、粗糙度等關(guān)鍵參數(shù)，獲取巖體工程地質(zhì)性質(zhì)的節(jié)理特征。

(2)根據(jù)現(xiàn)場工作面巖體信息，繪制赤平投影、以及節(jié)理密度圖，在此基礎上，確定隧道工作面巖體的優(yōu)勢節(jié)理面(組數(shù)及傾向、傾角)。

(3)隧道在各結(jié)構(gòu)面切割成塊體的情況下，存在失穩(wěn)坍塌的危險，通過幾何分析和力學計算，使用塊體理論中的赤平投影法對圍巖進行穩(wěn)定性分析，找出隧洞斷面上的關(guān)鍵塊體，解析法和數(shù)值模擬結(jié)果一致，從而驗證方法的正確性。

(4)根據(jù)工作面節(jié)理發(fā)育情況對開挖時可能出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體掉落的位置做出快速判斷，并對其穩(wěn)定性進行判別，做到提前預防。針對失穩(wěn)的關(guān)鍵塊體，建議采用非對稱支護結(jié)構(gòu)，進行局部加固，可以有效提高圍巖穩(wěn)定性;同時，加快進度，節(jié)約成本，縮短圍巖裸露時間。

［1］陳志廣．鐵路隧道下穿公路受力分析研究［J］．鐵道勘察，2013(3):4044

［2］周六生．隧道超前地質(zhì)預報現(xiàn)狀及常見認識誤區(qū)淺析［J］．鐵道勘察，2013(3):3839

［3］鄭穎人，王永甫，王成，等．節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定分析與破壞規(guī)律探討——隧道穩(wěn)定性分析講座之一［J］．地下空間與工程學報，2011，7(4):649656

［4］豆海濤．基于滲漏水的隧道滲流場有限差分法分析［J］．鐵道勘察，2014(1):3638

［5］王華牢，許崇幫，夏才初．斷續(xù)節(jié)理擴展算法在隧道圍巖穩(wěn)定分析中的應用［J］．巖土工程學報，2012，34(2):349354

［6］鄒飛，李海波，周青春，等．巖石節(jié)理傾角和間距對隧道掘進機破巖特性影響的試驗研究［J］．巖土力學，2012，33(6):16401646

［7］張志強，何本國，關(guān)寶樹．節(jié)理巖體隧道圍巖穩(wěn)定性判定指標合理性研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(1):1219

［8］李軍，吳惠卿，王彥杰．節(jié)理特征和圍巖支護對隧道變形的影響分析［J］．施工技術(shù)，2013，42(3):8286

［9］Jamal Idris，Marwan Al-Heib，Thierry Verdel．Numerical modelling of masonry joints degradation in built tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24(6):617626

［10］朱超．隧道開挖對坡體穩(wěn)定性的影響研究［J］．鐵道勘察，2013(1):4244