Unwedge軟件在隧洞工程施工地質(zhì)中的應(yīng)用研究

丁 斌

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水電站、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施工程項(xiàng)目日益增多，特別是水電站的建設(shè)，不可避免地需要進(jìn)行地下洞室開(kāi)挖。而地下洞室圍巖穩(wěn)定性對(duì)施工期地下洞室開(kāi)挖難易程度及其處理措施和運(yùn)營(yíng)期的正常運(yùn)營(yíng)是至關(guān)重要的。

在隧洞工程施工過(guò)程中，施工地質(zhì)尤為關(guān)鍵[1]，施工地質(zhì)工作是對(duì)前期地質(zhì)勘察工作的補(bǔ)充和完善。隧洞施工地質(zhì)工作是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行地質(zhì)編錄、對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行分類并提供相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，為地下洞室系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供詳細(xì)的地質(zhì)資料作為支撐；施工地質(zhì)工作還可以在隧洞施工過(guò)程中進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)?？梢?jiàn)施工地質(zhì)工作可以為隧洞開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)計(jì)優(yōu)化及安全施工提供重要保障。

利用赤平投影方法對(duì)洞室的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行定性分析已被大多數(shù)工程人員所熟悉，若想利用赤平投影對(duì)洞室的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，目前尚無(wú)成熟的計(jì)算程序，利用赤平投影繪制投影圖計(jì)算相關(guān)參數(shù)時(shí)非常繁瑣，不易掌握[2-4]。相比之下，Unwedge軟件，界面簡(jiǎn)潔，使用方便，可進(jìn)行交互式操作，分析圍巖穩(wěn)定性，功能強(qiáng)大[3-5]。

本文通過(guò)Unwedge軟件，對(duì)隧洞中可能存在的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行分析預(yù)判，并對(duì)不穩(wěn)定塊體采取相應(yīng)的工程處理措施，以方便在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中及時(shí)提出不穩(wěn)定塊體可能存在的位置及其相應(yīng)的支護(hù)建議，指導(dǎo)施工，保證施工過(guò)程中地下洞室圍巖的穩(wěn)定性。

1 Unwedge軟件簡(jiǎn)介[5]

Unwedge軟件是分析堅(jiān)硬巖體中開(kāi)挖后所形成塊體穩(wěn)定性的軟件，可以根據(jù)多個(gè)不連續(xù)面相互組合出不同類型塊體并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可以直觀地顯示出其空間幾何形狀，此外，還可以模擬對(duì)隧洞進(jìn)行混凝土噴護(hù)及對(duì)不穩(wěn)定塊體施加錨桿支護(hù)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

Unwedge軟件假定結(jié)構(gòu)面相切形成的塊體為四邊形，即由三組結(jié)構(gòu)面和開(kāi)挖臨空面組成，僅考慮塊體的重力及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，而不考慮地應(yīng)力作用，另外假定結(jié)構(gòu)體為剛體，結(jié)構(gòu)面為平面，巖體的變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形；結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可任意移動(dòng)；開(kāi)挖斷面沿軸線方向恒定不變；每次參與組合的結(jié)構(gòu)面最多為三組。Unwedge軟件會(huì)自動(dòng)生成最大可能的楔形體，并計(jì)算出其安全系數(shù)。一般建議安全系數(shù)應(yīng)大于1.5～2.0，其中臨時(shí)性的隧洞應(yīng)大于1.5，永久性隧洞則應(yīng)大于2.0。滿足不了上述要求的塊體，就應(yīng)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)加固。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

尼泊爾那蘇瓦卡里(Rasuwagadhi)水電站工程位于尼泊爾中部那蘇瓦區(qū)境內(nèi)的垂樹里河上，是一座徑流式電站。電站裝機(jī)容量111 MW，工程由首部樞紐、進(jìn)水口、沉砂池、沖砂系統(tǒng)、引水隧洞、調(diào)壓井、電站廠房、尾水洞以及配套交通設(shè)施組成，其中除首部樞紐、隧洞進(jìn)水口以及交通配套設(shè)施外，其余均為地下工程。

本文以該電站調(diào)壓井通風(fēng)洞為例進(jìn)行分析研究。調(diào)壓井通風(fēng)洞位于工程區(qū)南側(cè)中山區(qū)，地面高程1790～1980 m，隧洞埋深5～155 m。

由于地形條件的限制，調(diào)壓井通風(fēng)洞開(kāi)口段為弧線段，開(kāi)口處洞軸線走向?yàn)镾W219°，經(jīng)弧線段洞軸線走向轉(zhuǎn)為SW265°并進(jìn)入直線段，弧線段總長(zhǎng)26.0 m。隧洞開(kāi)挖坡度為10.2%，形狀為城門洞形隧洞，隧洞底寬為4 m，頂拱半徑為2 m。

2.2 基本地質(zhì)條件

該區(qū)域分布地層巖性以石英巖夾薄層片巖為主，局部呈互層狀。巖層厚度以10～30 cm為主，局部段呈薄層狀，裂隙發(fā)育—較發(fā)育，巖體完整程度為較破碎，呈弱風(fēng)化狀，圍巖類別主要為Ⅲ類。地下水不發(fā)育，隧洞開(kāi)挖后，洞內(nèi)少見(jiàn)滴水現(xiàn)象，以干為主，部分段洞壁潮濕。巖層走向與洞軸線間交角約為70～80°，對(duì)隧洞的施工開(kāi)挖非常有利。

現(xiàn)場(chǎng)隧洞施工過(guò)程中，施工地質(zhì)人員通過(guò)地質(zhì)巡視和地質(zhì)編錄在隧洞開(kāi)口段量測(cè)了123條裂隙產(chǎn)狀，大多數(shù)裂隙都閉合，偶有微張，大多數(shù)裂隙間無(wú)充填物，偶附微薄層泥沙，面覆銹膜，通過(guò)Dips軟件統(tǒng)計(jì)分析可知，通風(fēng)洞區(qū)域主要發(fā)育三組裂隙，裂隙特征如表1所示。

表1 調(diào)壓井通風(fēng)洞結(jié)構(gòu)面幾何特征統(tǒng)計(jì)

2.3 赤平投影分析

將隧洞中發(fā)育的三組主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行赤平投影分析，其中結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定摩擦角取30°繪制摩擦圓。為使巖體穩(wěn)定性分析更加直觀，本文中的赤平投影均采用下半球投影。

繪制的隧洞開(kāi)口處及隧洞直線段的赤平投影如圖1、圖2所示，在圖中標(biāo)出了所有的滑塌形式。從圖中可以看出，滑塌形式主要分為：直接墜落區(qū)G，單滑面投影區(qū)1、2、3，雙滑面投影區(qū)12、13、23。

圖1 隧洞開(kāi)口處赤平投影圖

從圖1中分析可得，當(dāng)隧洞走向?yàn)镾W219°時(shí)，左側(cè)邊墻的不穩(wěn)定體主要為單滑面切割錐g3及雙滑面切割錐g23，右側(cè)邊墻的不穩(wěn)定體主要為雙滑面切割錐g12，掌子面處無(wú)不穩(wěn)定塊體；從圖2中分析可得，當(dāng)隧洞走向變?yōu)镾W265°時(shí)，左側(cè)邊墻的不穩(wěn)定體主要為單滑面切割錐g3，右側(cè)邊墻的不穩(wěn)定體主要為雙滑面切割錐g12，掌子面處不穩(wěn)定體主要為單滑面切割錐g1。

圖2 隧洞直線段赤平投影圖

綜上可知隨著隧洞走向發(fā)生變化，邊墻上的不穩(wěn)定體g23逐漸趨于穩(wěn)定，但掌子面處出現(xiàn)了不穩(wěn)定塊體。

將隧洞頂部近似看作一個(gè)水平面，由于采用下半球投影，洞頂出露的不穩(wěn)定塊體必然投影在赤平圓內(nèi)，且不與赤平圓周相交，從圖1、圖2中可以看出，洞頂處的不穩(wěn)定塊體為直接墜落體G，其他切割錐的投影均與赤平圓周相交，故不會(huì)在洞頂形成不穩(wěn)定塊體。

水利水電工程隧洞施工過(guò)程中一般采用上述方法對(duì)隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況作出地質(zhì)預(yù)報(bào)。但實(shí)際工程中，巖體的完整程度、結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)、填充物的情況、延伸長(zhǎng)度、地下水的情況、洞室的尺寸及埋深等都對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性有較大的影響，赤平投影分析中均未考慮上述因素，且得到的不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定系數(shù)也不得而知，可見(jiàn)該方法屬于隧洞圍巖穩(wěn)定性的初步分析。

2.4 Unwedge軟件分析

(1)圍巖穩(wěn)定性分析

地下洞室?guī)r體物理力學(xué)參數(shù)很難準(zhǔn)確得到，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，綜合給出：巖石天然容重γ=26.5 kN/m3；結(jié)構(gòu)面J1的抗剪強(qiáng)度建議值：c1=0.10 MPa，φ1=30°；結(jié)構(gòu)面J2、J3的抗剪強(qiáng)度建議值：c2=0.10 MPa，φ2=32°。在 Unwedge中將安全系數(shù)設(shè)成1.5，當(dāng)塊體的安全系數(shù)大于1.5時(shí)視為穩(wěn)定，小于1.5時(shí)需注意其穩(wěn)定性。

由于弧線段洞軸線走向是變化的，以洞軸線走向每間隔10°對(duì)弧線段圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圖3是隧洞走向?yàn)镾W265°時(shí)由結(jié)構(gòu)面切割形成的鍥形體分布圖。

圖3 隧洞走向?yàn)镾W265°時(shí)鍥形體分布圖

Unwedge軟件首先將各個(gè)結(jié)構(gòu)面相互切割形成的鍥形體展示在隧洞模型上，并對(duì)各個(gè)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明出露在隧洞左右邊墻上的鍥形體安全系數(shù)均大于1.5，是穩(wěn)定的。不穩(wěn)定塊體出露在隧洞頂拱處，具體分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 調(diào)壓井通風(fēng)洞弧線段所切塊體分析

根據(jù)Unwedge軟件對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的分析結(jié)果可知，隧洞頂拱處存在不穩(wěn)定塊體，尤其是洞口處需要及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)。但不穩(wěn)定塊體的大小隨著隧洞掘進(jìn)的方向有逐漸減小的趨勢(shì)。

(2)模擬隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)利用Unwedge軟件模擬對(duì)隧洞進(jìn)行初步支護(hù)設(shè)計(jì)。假定在隧洞壁上噴護(hù)一層5 cm厚的混凝土，噴漿混凝土的抗剪強(qiáng)度為1.2 MPa。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，可以得出隨著隧洞走向的變化頂拱處不穩(wěn)定塊體的安全系數(shù)分別為14.93、30.82、21.62、31.77、33.71、34.11，均大于1.5?？梢?jiàn)對(duì)隧洞進(jìn)行噴射混凝土處理后，不穩(wěn)定塊體的安全系數(shù)均得到了很大的提高，促使隧洞圍巖的整體性趨于穩(wěn)定。

上述安全系數(shù)為理想洞壁的理論計(jì)算值，對(duì)初步支護(hù)而言，實(shí)際操作中噴混厚度較難把握，但總體而言及時(shí)噴混對(duì)圍巖穩(wěn)定性的提高有明顯效果。

2.5 赤平投影與Unwedge軟件對(duì)比分析

通過(guò)上述結(jié)果對(duì)比可知：Unwedge軟件比赤平投影可視化強(qiáng)，利用Unwedge軟件可以清楚的看到隧洞中鍥形體分布的位置及大?。籙nwedge軟件中能夠根據(jù)各個(gè)結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，并計(jì)算出各個(gè)鍥形體的安全系數(shù)，分析的結(jié)果更具可靠性；Unwedge軟件能夠模擬噴混及錨桿支護(hù)，并計(jì)算出支護(hù)后結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定系數(shù)的變化可為臨時(shí)支護(hù)指導(dǎo)建議。

Unwedge軟件的不足之處為只能模擬開(kāi)挖方向是一條直線的隧洞，并不能真實(shí)整體的模擬軸線變化的隧洞，但可以采用上述分析方法，根據(jù)隧洞軸向的變化，多次分析，并綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，作出最終結(jié)論。

2.6 施工地質(zhì)建議

現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)工作主要為爆破后對(duì)隧洞內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行及時(shí)的編錄，對(duì)可能存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，并提出解決方案及預(yù)防措施。保證隧洞施工的安全。

根據(jù)Unwedge軟件的分析，現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)人員可提出如下建議：隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，頂拱處存在不穩(wěn)定塊體，需及時(shí)噴一層厚5 cm的混凝土，并根據(jù)需要局部打一些隨機(jī)錨桿?；【€段成洞性較差，爆破效果不如直線段，且在裂隙切割及爆破作用下，存在較多危石，尤其是掌子面上部的危巖體將嚴(yán)重威脅到施工作業(yè)人員的人身安全，需要在進(jìn)行下一道工序前及時(shí)機(jī)械排險(xiǎn)，清除危石，以保證施工環(huán)境的絕對(duì)安全。

2.7 施工開(kāi)挖情況

通風(fēng)洞開(kāi)挖后，由于裂隙相互切割，隧洞頂拱處超挖現(xiàn)象明顯，成洞性差。該情況與Unwedge軟件分析的結(jié)果一致。(見(jiàn)圖4)

圖4 通風(fēng)洞實(shí)際開(kāi)挖情況

隧洞開(kāi)挖后為保證穩(wěn)定性，對(duì)隧洞進(jìn)行了混凝土噴護(hù)。噴護(hù)后的隧洞可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到自穩(wěn)。這也驗(yàn)證了Unwedge軟件模擬支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。

由于巖土參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取用的，和實(shí)際值有一定差異?？赏ㄟ^(guò)軟件模擬后再結(jié)合實(shí)際開(kāi)挖情況進(jìn)行修正。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)施工地質(zhì)在隧洞施工過(guò)程中至關(guān)重要，通過(guò)隧洞開(kāi)挖的第一手資料，在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中給施工方提供地質(zhì)建議，指導(dǎo)施工，并給設(shè)計(jì)人員提供隧洞準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，從而對(duì)隧洞永久支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)利用赤平投影可以對(duì)隧洞中不穩(wěn)定塊體進(jìn)行定性分析，按照理論研究，也可得出定量的計(jì)算結(jié)果，但計(jì)算和作圖過(guò)程非常繁瑣，目前也無(wú)成熟的計(jì)算軟件，且赤平投影無(wú)法考慮影響圍巖穩(wěn)定性的諸多因素，很難運(yùn)用到實(shí)際工程中。

(3)Unwedge軟件具有很強(qiáng)的可視化效果，能夠真實(shí)地模擬各個(gè)結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)，可以定量地計(jì)算出不穩(wěn)定塊體的安全系數(shù)，還可以模擬各種支護(hù)形式對(duì)不穩(wěn)定塊體的作用。在現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)過(guò)程中可以以此為參考，并綜合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，提出地質(zhì)方面的建議，保證施工過(guò)程中地下洞室的安全穩(wěn)定。

(4)Unwedge軟件對(duì)洞室圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，假設(shè)整個(gè)洞室的圍巖結(jié)構(gòu)面參數(shù)是不變的，而洞室隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圍巖情況的變化可能很大，這就需要在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，地質(zhì)人員根據(jù)洞室內(nèi)地質(zhì)情況的變化，對(duì)軟件中一些計(jì)算參數(shù)做出相應(yīng)的調(diào)整，從而才能更準(zhǔn)確地進(jìn)行分析預(yù)判。