結(jié)合鉆孔電視進行地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析評價

賈楨 孟令帥 李建強 趙洪鵬

影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的主要因素包括有巖體完整性、巖石（體）強度、地下水、地應(yīng)力和工程因素，其中巖石強度、地下水和地應(yīng)力可以分別通過鉆孔內(nèi)取樣室內(nèi)力學(xué)試驗，地下水位量測、孔內(nèi)地應(yīng)力測試來取得相應(yīng)成果，巖體的完整性可以通過巖芯編錄所得的巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）來獲得，但此項指標(biāo)只是反映了結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度，未能反映出分析地下洞室穩(wěn)定性最為重要的要素裂隙的產(chǎn)狀和性狀，而這些重要的地質(zhì)信息可以通過鉆孔電視獲得，從而依據(jù)這些地質(zhì)信息進行裂隙組合形態(tài)與洞壁關(guān)系的分析，進一步完成地下洞室開挖前穩(wěn)定性分析和預(yù)測，對洞室的支護類型和方式，開挖施工過程中注意的部位等都具有一定的指導(dǎo)意義。

1 鉆孔電視工作原理

數(shù)字式全景鉆孔電視系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，利用光學(xué)成像原理，將井下孔壁的地層情況反映到地面顯示終端，在測井現(xiàn)場實時顯示測井圖像。全景技術(shù)實現(xiàn)360°鉆孔孔壁的二維表示，疊加方位信息后形成的平面圖像稱為全景圖像；數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)了視頻圖像的數(shù)字化，通過全景圖像的逆變換算法，還原真實的鉆孔孔壁，形成鉆孔孔壁的數(shù)字柱狀圖像。

高清數(shù)字鉆孔電視系統(tǒng)，最適合用于鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)分析，其獲取地下圖像信息，具有圖像清晰、色彩逼真等優(yōu)點，可以識別出沿鉆孔方向地質(zhì)體的微小變化。連續(xù)的孔壁數(shù)字圖像再經(jīng)觀看并對照巖芯鑒定成果，即可確切查明孔內(nèi)結(jié)構(gòu)面位置、產(chǎn)狀、張開程度、充填物性狀或構(gòu)造巖體特征及巖性等全方位的信息。

鉆孔電視的解譯主要根據(jù)解析幾何的原理來實現(xiàn)，李攀峰在“基于鉆孔電視的巖體結(jié)構(gòu)信息解譯”一文中作了詳細(xì)闡述。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息的獲取以及巖芯的三維還原井中電視圖像信息處理是基于把圓柱體展開成平面圖形的幾何原則，即把所采集的圖像按照N→E→S→W→N 方向展開成平面圖形[1]，并按照三點法（即正弦曲線的波峰點、中間點、波谷點）或兩點法（即正弦曲線的波峰點、波谷點）來確定結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息。目前主要基于VBA 技術(shù)，利用處理軟件進行結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等信息的確定和巖芯的三維還原，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀展開圖

2 地下洞室穩(wěn)定性方法簡述

地下洞室圍巖穩(wěn)定性的定性分析可分為整體穩(wěn)定性分析和局部穩(wěn)定性分析兩個方面。洞室整體穩(wěn)定性評價的方法主要有經(jīng)驗類比法、巖體結(jié)構(gòu)分析法；局部穩(wěn)定性分析方法主要有塊體穩(wěn)定性赤平投影分析法、實體比例投影分析法和塊體結(jié)構(gòu)的矢量解析方法[2]。

在洞室圍巖穩(wěn)定性分析中，常用各種圖解法，赤平投影是最常用的分析方法之一。赤平（極射）投影是一種球面投影，利用這種投影方法可以很方便地表達(dá)空間線狀或面狀物體的方位及其相互之間的角距關(guān)系和運動軌跡，把物體三維空間的幾何要素（面、線）投影到平面上來進行研究。它屬于定性分析法，其優(yōu)點是簡單、直觀、快速；缺點是帶有一定的經(jīng)驗性和概念性[3]。

20 世紀(jì)60 年代以后該方法才逐漸被引入工程地質(zhì)研究領(lǐng)域用來解決巖體結(jié)構(gòu)問題。早期主要應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計和結(jié)構(gòu)面的表達(dá)，后來陸續(xù)提出了結(jié)構(gòu)體形態(tài)和結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系的赤平投影分析。近幾十年來在塊體理論的實際應(yīng)用問題上，很多學(xué)者有了更進一步的認(rèn)識，在國內(nèi)外很多重大工程實例中都取得了成功的應(yīng)用。

圖2 廠房部位變質(zhì)玄武巖裂隙走向玫瑰花圖和極點圖

3 應(yīng)用實例

某工程地下廠房埋深約430 m，廠址區(qū)屬中高山地貌，地面高程在1 350～3 600 m，總體地形趨勢為北高南低，坡度較陡，多大于40°。通過地質(zhì)測繪、鉆探和地球物理勘探成果綜合分析，該地下廠房場區(qū)的巖性主要以變質(zhì)砂巖、變質(zhì)玄武巖為主，其中變質(zhì)砂巖夾薄層炭質(zhì)片巖。

根據(jù)鉆孔內(nèi)電視錄像的結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計，該廠房部位變質(zhì)玄武巖主要發(fā)育4 組裂隙結(jié)構(gòu)面，第①組裂隙產(chǎn)狀為NE80°～90°∕SE∠60°～70°；第②組裂隙產(chǎn)狀為NW270°～280°∕SW∠70°～80°；第③組裂隙產(chǎn)狀為NE30°～50°∕NW ∠35°～55° ； 第④組 裂 隙 產(chǎn) 狀 為NW290°～300°∕SW∠50°～60°，裂隙走向玫瑰花圖及極點圖如圖2 所示。其中以第①組最為發(fā)育。根據(jù)相對應(yīng)鉆孔內(nèi)裂隙面特征統(tǒng)計，裂隙性狀大多為閉合，稍平直、光滑狀。

該廠房部位變質(zhì)砂巖主要發(fā)育4 組裂隙結(jié)構(gòu)面，第①組裂隙產(chǎn)狀為NE20°～40°∕NW∠40°～60°；第②組裂隙產(chǎn)狀為NE20°～40°∕NW∠10°～30°；第③組裂隙產(chǎn)狀為NW280°～300°∕SW∠55°～75°；第④組裂隙產(chǎn)狀為NE50°～80°∕NW∠70°～85°。其中以第①和②組裂隙最為發(fā)育。

根據(jù)該地下廠房地表北部和南部的鉆孔內(nèi)電視錄像解譯成果，地下廠房北部與南部炭質(zhì)片巖的片理產(chǎn)狀分別為NE45°～65°∕NW∠65°～85°、NW290°～310°∕SW∠65°～80°。根據(jù)相對應(yīng)鉆孔內(nèi)裂隙面特征統(tǒng)計，節(jié)理大多稍彎，略光滑。

按照地下廠房巖性大致分為3 個分區(qū)，西北側(cè)、東北側(cè)和南側(cè)，其中西北側(cè)分區(qū)巖性以變質(zhì)玄武巖為主；東北側(cè)和南側(cè)分區(qū)巖性均是以變質(zhì)砂巖為主，有炭質(zhì)片巖夾層，雖然東北側(cè)和南側(cè)分區(qū)的巖性完全相同但因炭質(zhì)片巖發(fā)育的產(chǎn)狀不同而分為2 個不同分區(qū)。利用前面提及的地下廠房內(nèi)各個巖性優(yōu)勢發(fā)育結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計成果，使用塊體赤平投影的方法初步分析該地下廠房的穩(wěn)定性。

（1）地下廠房西北側(cè)分區(qū)巖性以變質(zhì)玄武巖為主，變質(zhì)玄武巖內(nèi)主要發(fā)育4 組裂隙結(jié)構(gòu)面。該廠房軸線方向為NW355°，端墻走向為NE85°，西北側(cè)分區(qū)范圍覆蓋該地下廠房的上游邊墻和左端墻，通過赤平投影圖（圖3）分析裂隙組合形態(tài)與洞壁的關(guān)系，此分區(qū)上游邊墻穩(wěn)定性一般；左端墻穩(wěn)定性差，裂隙組合易形成不穩(wěn)定塊體。

采用極限平衡法計算地下廠房西北側(cè)分區(qū)洞室的穩(wěn)定性，洞室塊體組合狀態(tài)如圖4 所示，左端邊墻形成塊體的質(zhì)量為30 248.7 t，安全系數(shù)為8.641；上游邊墻形成塊體質(zhì)量為162.790 t，安全系數(shù)為10.454。根據(jù)塊體組合形式和計算結(jié)果可知，左端墻塊體規(guī)模較大，洞室開挖過程可能產(chǎn)生的危害性會更大。

圖3 地下廠房西北側(cè)結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

（2）地下廠房東北側(cè)分區(qū)巖性以變質(zhì)砂巖為主，有炭質(zhì)片巖夾層，變質(zhì)砂巖內(nèi)主要發(fā)育4 組裂隙，此分區(qū)炭質(zhì)片巖的片理產(chǎn)狀為NE45°～65°∕NW∠65°～85°。東北側(cè)分區(qū)范圍覆蓋地下廠房的下游邊墻和左端墻，分析裂隙組合形態(tài)與洞壁的關(guān)系，結(jié)構(gòu)面和片理組合形成了不穩(wěn)定楔形體，對此分區(qū)下游邊墻和左端墻的穩(wěn)定性極為不利，尤其是下游邊墻，需要更為關(guān)注。

采用極限平衡法計算地下廠房東北側(cè)分區(qū)洞室的穩(wěn)定性，左端邊墻形成塊體的質(zhì)量為308 097.6 t，為穩(wěn)定狀態(tài)；下游邊墻形成塊體質(zhì)量為38 382.5 t，安全系數(shù)為4.969。根據(jù)塊體組合形式和計算結(jié)果可知，下游邊墻塊體規(guī)模較大，安全系數(shù)相對較小，洞室開挖過程可能產(chǎn)生的危害性會更大。

圖4 地下廠房西北側(cè)洞室穩(wěn)定性計算

（3）地下廠房南側(cè)分區(qū)變質(zhì)砂巖為主，有較多的炭質(zhì)片巖夾層，變質(zhì)砂巖內(nèi)主要發(fā)育4 組裂隙，炭質(zhì)片巖的片理產(chǎn)狀為NW290°～310°∕SW∠60°～80°。南側(cè)分區(qū)范圍覆蓋上、下游邊墻和右端墻，分析裂隙組合形態(tài)與洞壁的關(guān)系，上游邊墻穩(wěn)定性較好；由于結(jié)構(gòu)面和片理相互組合形成的不穩(wěn)定楔形體，導(dǎo)致下游邊墻穩(wěn)定性差；右端墻穩(wěn)定性一般，但炭質(zhì)片巖的片理與變質(zhì)砂巖中最為發(fā)育的J1、J2 結(jié)構(gòu)面組合形成的楔形體對右端墻穩(wěn)定性不利。

采用極限平衡法計算地下廠房南側(cè)分區(qū)洞室的穩(wěn)定性，上游邊墻形成塊體的質(zhì)量為12 279.8 t，為穩(wěn)定狀態(tài)；下游邊墻形成塊體質(zhì)量為12 279.8 t，安全系數(shù)為1.493，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；右端墻形成塊體質(zhì)量為568 578.1 t，安全系數(shù)為1.140，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)塊體組合形式和計算結(jié)果可知，下游邊墻和右端墻塊體規(guī)模較大，安全系數(shù)較小，洞室開挖過程可能產(chǎn)生的危害性更大。

4 結(jié) 語

根據(jù)工程實例的分析可以看到這種結(jié)合鉆孔電視使用持平投影和極限平衡法分析地下洞室圍巖穩(wěn)定性的方法所需要的地質(zhì)信息和邊界條件較少，操作簡便，能夠初步完成地下洞室的穩(wěn)定性分析和評價，對施工開挖順序和注意部位、支護類型與方式的選擇及其重點布設(shè)位置，具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)目前施工開挖后的實際情況與預(yù)測分析對比分析，此方法分析成果總體較為準(zhǔn)確。