某大型地下泵房圍巖塊體組合模式分析

張海平 王家祥 王朋 龔成 李銀泉

文章編號(hào)：1672-5603（2018）02-074-6

摘 要 大型地下洞室在施工過(guò)程中，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題是最主要的工程地質(zhì)問(wèn)題之一，以裂隙硬質(zhì)巖體為主的洞室工程，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題中以塊體穩(wěn)定問(wèn)題最為典型，塊體組合模式更是此類(lèi)問(wèn)題分析的關(guān)鍵所在。本文選取滇中引水工程石鼓水源地下泵房為研究題材，主要通過(guò)地表測(cè)繪及鉆孔揭露結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等，結(jié)合關(guān)鍵塊體理論及立體幾何學(xué)基本理論，從塊體空間幾何構(gòu)成結(jié)合變形破壞方式，初步歸納出地下泵房部位塊體模式主要有：①滑塌失穩(wěn)；②坍頂、掉塊兩種基本破壞模式，以及單滑面型楔體、雙滑面型楔體、正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄版型等5種典型的基本單體和組合塊體模型。從宏觀上對(duì)泵房區(qū)塊體組合進(jìn)行了初步預(yù)判，為圍巖穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，可為其它工程相類(lèi)似的裂隙硬質(zhì)巖體洞室塊體組合分析提供參考意義。

關(guān)鍵詞 大型地下洞室；圍巖穩(wěn)定；裂隙硬質(zhì)巖體；塊體組合模式

中圖分類(lèi)號(hào)：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Analysis of Block Combination Model of Surrounding Rock of a Large Underground Pump House

Zhang Haiping， Wang Jiaxiang， Wang Peng， Gong Cheng， Li Yinquan

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.Ltd.（Wuhan）， Wuhan Hubei 430074）

Abstract： In the process of construction of large underground cavern， surrounding rock stability is one of the major engineering geological problem in fissure cavern engineering， hard rock based on block stability problems， the most typical in the stability of surrounding rock， block combination model is the key to this kind of problem analysis. This paper selects the Shigu water diversion project in Yunnan underground pumping station as the research subject， mainly through the surface mapping and drilling structural surface development characteristics， combined with the basic theory of key block theory and solid geometry， from the composition of block space geometry with deformation and failure modes， summarizes parts of underground pumping station block pattern mainly has： the slump the collapse of roof instability； and block out two basic failure modes， and a single slip surface type wedge， wedge type double surface， cone wedge， oblique cone wedge and slow section thin version type 5 kinds of typical basic monomer and combination block model. The preliminary prediction of the block combination in the pump room is made from macroscopic view， which lays the foundation for the comprehensive evaluation of the surrounding rock stability. It can provide a reference for other engineering similar fractured hard rock cavern block combination analysis.

Keywords： large underground cavern； surrounding rock stability； fractured hard rock mass； block combination model

1概述

大型地下洞室在施工過(guò)程中，洞室圍巖穩(wěn)定問(wèn)題是最主要的工程地質(zhì)問(wèn)題之一，以裂隙硬質(zhì)巖體為主的洞室工程[1-3]，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題中以塊體穩(wěn)定問(wèn)題最為典型，塊體組合模式更是圍巖穩(wěn)定問(wèn)題分析的關(guān)鍵所在[4-5]。洞室因其特定的幾何邊界和應(yīng)力場(chǎng)條件[6-8]，塊體的構(gòu)成及破壞具有一定的特殊性[9-10]。近年來(lái)，對(duì)于裂隙巖體大型洞室塊體的研究，主要集中在勘察期對(duì)隨機(jī)塊體的規(guī)模、埋藏深度等一般規(guī)律及對(duì)施工期揭露的某些確定性塊體的穩(wěn)定性分析上[11]，有些專(zhuān)著及文獻(xiàn)[12-15]對(duì)塊體分析主要是運(yùn)用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，重點(diǎn)從塊體基本組合、可動(dòng)性判別及變形破壞力學(xué)機(jī)理等方面進(jìn)行論述。

本文以滇中引水工程為依托，選取該工程石鼓水源地下泵房為研究題材，在泵房區(qū)勘探平硐尚未完成情況下，主要通過(guò)系統(tǒng)搜集整理地表測(cè)繪及泵房區(qū)鉆孔揭露的巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等資料，通過(guò)全面分析優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及與主泵房洞室位置關(guān)系，運(yùn)用立體幾何學(xué)基本理論，從塊體三維空間構(gòu)成結(jié)合變形破壞方式對(duì)塊體模式進(jìn)行歸納，同時(shí)對(duì)各類(lèi)型塊體主要發(fā)育部位進(jìn)行了較準(zhǔn)確界定，為主泵房圍巖穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，也為同類(lèi)地下工程（以裂隙硬質(zhì)巖體為主）的洞室塊體組合分析可提供一定借鑒意義。

2 主泵房工程地質(zhì)概況

滇中引水工程石鼓水源位于“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一灣”云南省麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)，為無(wú)壩取水，采用地下一級(jí)泵站提取金沙江水，地下泵站主泵房布置于金沙江右岸一級(jí)支流沖江河右岸山體中（圖1），泵房長(zhǎng)軸方位角71°，開(kāi)挖尺寸為217×23.4×48 m（長(zhǎng)×寬×高），洞室埋深274～374 m，圍巖主要為泥盆系中統(tǒng)窮錯(cuò)組第一段（D2q1）灰?guī)r、大理巖夾片巖，微溶蝕風(fēng)化為主，巖質(zhì)較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬，泵房區(qū)位于石鼓復(fù)向斜北西翼，巖層產(chǎn)狀總體為78°～110°∠22°～75°，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要呈北北東～近南北向，勘察資料統(tǒng)計(jì)泵房區(qū)發(fā)育的優(yōu)勢(shì)裂隙主要有以下幾組：第①組280°～290°∠68°～75°；第②組330°～345°∠66°～70°；第③組35°～40°∠63°～65°；第④組78°～110°∠60°～80°（層面）；其中：相對(duì)發(fā)育的NEE向裂隙（第②組）與泵房長(zhǎng)軸向（71°）呈小角度（4°～11°）相交，對(duì)圍巖局部穩(wěn)定不利。三組結(jié)構(gòu)面及層面與主泵房洞軸線相互關(guān)系見(jiàn)（圖2、3）。

3 主泵房塊體組合模式分析

根據(jù)主泵房區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與洞室分布關(guān)系組合分析，4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面在主泵房下游邊墻、右側(cè)端墻部位易構(gòu)成潛在不穩(wěn)定塊體，頂拱部位可能形成正錐型、斜錐型楔體及單緩切面薄板型塊體。楔形塊體類(lèi)型及失穩(wěn)方式主要有下游邊墻部位的雙滑面滑塌失穩(wěn)、單滑面滑塌失穩(wěn)，以及頂拱薄板狀掉塊或坍頂失穩(wěn)，主泵房主要塊體模式類(lèi)型及基本特征見(jiàn)表1，具體組合特征分析如下：

（1）下游邊墻塊體組合模式分析

1） 雙滑面型組合楔體：主要由兩組與洞向呈斜交對(duì)傾、交棱線傾向洞內(nèi)底端在邊墻出露臨空的結(jié)構(gòu)面構(gòu)成雙滑面楔形體邊界（面1、面2），中緩傾角結(jié)構(gòu)面為頂界控制拉裂面（面3），此類(lèi)塊體在下游邊墻組合較多。各結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別如下：面1（面ABD）：優(yōu)勢(shì)裂隙①280°～290°∠68°～75°或優(yōu)勢(shì)裂隙②330°～345°∠66°～70°；面2（面BCD）：優(yōu)勢(shì)裂隙③35°～40°∠63°～65°；面3（面ACD）：340°∠30°，此類(lèi)塊體一般組合模式及失穩(wěn)破壞模式見(jiàn)圖4～圖6。

2） 單滑面型組合楔體：主要由平行或近平行洞向中陡傾角面作為控制滑面，在邊墻出露臨空，兩側(cè)與洞向呈大角度相交結(jié)構(gòu)面構(gòu)成側(cè)緣切割，此類(lèi)塊體主要分布于下游側(cè)邊墻。各結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別如下：側(cè)緣邊界面1為優(yōu)勢(shì)裂隙①280°～290°∠68°～75°：側(cè)緣邊界面2為優(yōu)勢(shì)裂隙③35°～40°∠63°～65°；底部控制性滑動(dòng)面為優(yōu)勢(shì)裂隙②330°～345°∠66°～70°；頂部控制性面產(chǎn)狀：340°∠30°，此類(lèi)塊體一般組合模式及失穩(wěn)破壞模式見(jiàn)圖7～圖8。

（2） 右側(cè)端墻塊體組合模式分析

根據(jù)該部位巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及與泵房洞室空間關(guān)系，右側(cè)端墻部位主要存在雙滑面型楔體組合，此類(lèi)塊體主要由兩組與洞向呈斜交對(duì)傾、交棱線傾向洞內(nèi)底端在邊墻出露臨空的結(jié)構(gòu)面構(gòu)成雙滑面楔形體邊界（面1、面2），中緩傾角結(jié)構(gòu)面為頂界控制拉裂面（面3：340°∠30°），此類(lèi)塊體一般組合模式及失穩(wěn)破壞模式見(jiàn)圖9～圖10。

（3）頂拱部位塊體組合模式分析

頂拱部位主要有正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄板型等三種，正錐型楔體主要由平行（近平行）洞向的兩條反傾結(jié)構(gòu)面與垂直（近垂直）洞向的兩條反傾結(jié)構(gòu)面共4面組合呈“人”字錐體狀切割，多為NWW組與SEE組裂隙切割；斜錐型楔體組成結(jié)構(gòu)面走向與正錐型楔體類(lèi)似，其中至少有1組結(jié)構(gòu)面傾向基本相同，僅傾角不同而在洞頂附近呈“入”字型相交切割洞頂巖體；單緩切片薄板型主要受控于左側(cè)安裝場(chǎng)一帶發(fā)育的緩傾角優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面：340°∠30°，該結(jié)構(gòu)面為主要切割面，在洞頂形成薄板狀切割，失穩(wěn)方式為掉塊、坍頂，頂拱部位正錐型、斜錐型楔體及單緩切片薄板型塊體組合模式見(jiàn)圖11。

4 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)泵房區(qū)巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面（地質(zhì)測(cè)繪及鉆孔彩色電視解譯等）等勘察資料，查明泵房部位未發(fā)育較大規(guī)模斷層（無(wú)Ⅰ、Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面），主泵房無(wú)斷層級(jí)組合切割的定位塊體，以優(yōu)勢(shì)裂隙及洞室臨空面組合而成的隨機(jī)塊體為主，通過(guò)主泵房部位巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與洞室關(guān)系組合分析，歸納了地下泵房部位塊體模式主要有：①滑塌失穩(wěn)；②坍頂、掉塊三種基本破壞模式，以及單滑面型楔體、雙滑面型楔體、正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄版型等5種典型的基本單體和組合塊體模型，并對(duì)上述塊體組合在主泵房的主要發(fā)育部位（下游邊墻、右側(cè)端墻、頂拱等）進(jìn)行了較準(zhǔn)確定位，為泵房的圍巖穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，本文也可為同類(lèi)地下工程（以裂隙硬質(zhì)巖體為主）的洞室塊體組合分析提供一定參考意義。

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