巖體地下洞室塊體穩(wěn)定性分析及對(duì)策

楊繼華，張 輝，崔 臻

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

1 概述

巖體是一種由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成的復(fù)雜介質(zhì)，結(jié)構(gòu)面一般包括巖體中存在的斷層面、節(jié)理面、層理面、片理面等。在地下洞室開(kāi)挖中，由結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況和結(jié)構(gòu)體(巖石)的強(qiáng)度決定的巖體基本質(zhì)量是巖體穩(wěn)定的主要影響因素[1]。研究表明，在相同的巖石強(qiáng)度條件下，圍巖的穩(wěn)定主要由結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)控制，如結(jié)構(gòu)面的發(fā)育密度、產(chǎn)狀、力學(xué)特性等。地下洞室開(kāi)挖后，打破了圍巖原有的靜力平衡狀態(tài)，當(dāng)有臨空面存在時(shí)，受結(jié)構(gòu)面切割的巖石塊體可能滑塌或掉落，造成圍巖的失穩(wěn)，影響地下洞室的施工安全、增加支護(hù)及襯砌的工程量[2-3]。

在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，選擇合適的方法對(duì)圍巖進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析并提出處理措施對(duì)保障施工安全、降低施工成本具有重要的意義。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外較多的學(xué)者及工程技術(shù)人員開(kāi)展了相關(guān)問(wèn)題的研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)錦屏一級(jí)水電站泄洪洞，采用了赤平投影、統(tǒng)計(jì)分析等方法，對(duì)不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，研究了不同節(jié)理組合條件下塊體的破壞模式，提出了支護(hù)措施；文獻(xiàn)[5]根據(jù)裂隙優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組合，對(duì)阜康抽水蓄能電站地下廠房圍巖進(jìn)行了塊體穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，對(duì)于安全系數(shù)小于1.0的塊體采用系統(tǒng)錨固或局部加強(qiáng)支護(hù)后，可保證塊體的安全；文獻(xiàn)[6]以大崗山水電部地下廠房為背景，統(tǒng)計(jì)分析了廠房的地質(zhì)素描圖，對(duì)隨機(jī)塊體進(jìn)行了搜索并進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為支護(hù)提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[7]考慮巖體節(jié)理的隨機(jī)特性，在塊體理論中應(yīng)用了概率分析方法，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了洞室隨機(jī)塊體穩(wěn)定性分析，得到了塊體安全所需的錨固力。

不同地下工程的地質(zhì)條件，如地層巖性特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等影響圍巖塊體穩(wěn)定的因素均有較大的差別，某個(gè)工程的分析結(jié)果難以直接應(yīng)用到其它工程，因此，需要具體問(wèn)題具體分析，以便采取的措施具有針對(duì)性。本文以江門某地下實(shí)驗(yàn)站工程地下洞室為背景，采用塊體穩(wěn)定分析程序UNWEDGE，對(duì)施工斜井、豎井及超大跨度地下洞室進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析，并提出支護(hù)、加固處理措施。

2 工程概況

江門市某地下實(shí)驗(yàn)站工程主要由斜井、豎井、實(shí)驗(yàn)廳及附屬洞室等組成。其中斜井入口高程為64.27 m，末端高程為-460.00 m，斜長(zhǎng)為1 340.60 m，水平長(zhǎng)為1 233.79 m，坡度i=0.424 9，斷面為城門洞型，寬為5.40 m，高為5.50 m；豎井入口高程為132.00 m，底部高程為-484.30 m，深為616.30 m，斷面為圓形，直徑為 5.50 m；實(shí)驗(yàn)廳最大埋深約700 m，55.25 m×48.00 m×27.00 m(長(zhǎng)×寬×高)，為超大跨度地下洞室，實(shí)驗(yàn)廳下部水池內(nèi)徑為42.50 m，水池最大高度為42.50 m。

工程區(qū)的地層主要為燕山期第三期侵入花崗巖體(γ52(3))，巖性為灰白色中細(xì)粒白云母、黑云母二長(zhǎng)花崗巖、中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖，微風(fēng)化-新鮮，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部次塊狀，微-新風(fēng)化花崗巖飽和抗壓強(qiáng)度一般為80～120 MPa，平均值約為97 MPa。

根據(jù)地表工程地質(zhì)測(cè)繪及已開(kāi)挖豎井、斜井揭露的地質(zhì)情況，工程區(qū)主要發(fā)下以下5組節(jié)理：L1：170°～180°∠70°，節(jié)理面起伏粗糙，張開(kāi)—緊閉，充填鐵質(zhì)、巖屑，間距為0.3～0.5 m，最大延伸長(zhǎng)度為20 m；L2：190°～200°∠54°，節(jié)理面平直粗糙，張開(kāi)，無(wú)充填，間距為0.2～0.3 m，最大延伸長(zhǎng)度為 40 m；L3：10°～20°∠15°，節(jié)理面平直粗糙，緊閉，無(wú)充填，間距大于3 m，最大延伸長(zhǎng)度為20 m；L4：180°～190°∠84°，節(jié)理面平直粗糙，張開(kāi)，充填巖屑，間距為0.4～0.5 m，最大延伸長(zhǎng)度為5～10 m；L5：220°～230°∠73°，節(jié)理面起伏粗糙，緊閉—微張，無(wú)充填，間距為0.5～1.0 m，最大延伸長(zhǎng)度為40 m。

節(jié)理面的赤平投影見(jiàn)圖1所示，據(jù)初步分析，緩傾角節(jié)理(L3)對(duì)大廳頂拱穩(wěn)定不利，與其他4組節(jié)理組合，特別是走向相同的節(jié)理(L2)組合可能在頂拱局部產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體。不同的節(jié)理組合形成不穩(wěn)定塊體的位置及規(guī)模需要進(jìn)一步的分析。

圖1 節(jié)理面赤平投影示意

3 UNWEDGE程序簡(jiǎn)介

UNWEDGE是加拿大的Rocscince公司針對(duì)地下洞室圍巖塊體穩(wěn)定性開(kāi)發(fā)的可視化分析軟件，其理論基礎(chǔ)為Goodman和Shi在1985年提出的塊體理論[8-9]。通常情況下，塊體被定義為四面體巖石，其中包括3條節(jié)理面及1個(gè)開(kāi)挖臨空面，當(dāng)塊體的位置確定后，塊體的幾何特征如體積、表面積及滑動(dòng)方向即可確定[10]。塊體的受力可分為主動(dòng)力和被動(dòng)力，主動(dòng)力一般是指使塊體失穩(wěn)的滑動(dòng)力，被動(dòng)力是指塊滑動(dòng)的阻滑力。主動(dòng)力和被動(dòng)力是由每個(gè)滑面上各個(gè)力的矢量和組成。

主動(dòng)力由式(1)計(jì)算：

A=W+C+X+U+E

(1)

式中A為塊體主動(dòng)力之和;W為塊體重力;C為混凝土重力;X為塊體的主動(dòng)壓力;U為地下水壓力;E為地震力。

被動(dòng)力由式(2)計(jì)算：

P=H+Y+B

(2)

式中P為被動(dòng)力之和;H為噴射混凝土的抗剪力;Y被動(dòng)壓力;B為錨桿力。

以往評(píng)價(jià)因子的取值通?；诖罅楷F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，再根據(jù)各學(xué)者自身經(jīng)驗(yàn)和邏輯思維，對(duì)原有評(píng)價(jià)體系進(jìn)行修改，各體系的評(píng)價(jià)因子存在些許的差異[8-12]。如邵甬從多元綜合的角度對(duì)國(guó)家現(xiàn)行評(píng)價(jià)體系進(jìn)行網(wǎng)狀優(yōu)化[12]，周鐵軍則從西南地方特色的角度對(duì)國(guó)家現(xiàn)行評(píng)價(jià)體系提出了調(diào)整[11]。這種從主觀認(rèn)知角度出發(fā)的評(píng)價(jià)因子取值方法，具有邏輯思辨上的可靠性，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，缺乏針對(duì)行業(yè)專家群體觀點(diǎn)的同異性分析。本文提出的大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)因子取值新方法，是采用專家論文文本挖掘技術(shù)，基于專家群體觀點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。

UNWEDGE程序采用安全系數(shù)F來(lái)定量評(píng)價(jià)塊體的穩(wěn)定性，其主要分析塊體3種狀態(tài)的安全系數(shù)：直接滑落塊體安全系數(shù)Ff，無(wú)支護(hù)塊體安全系數(shù)Fu及支護(hù)塊體安全系數(shù)Fs。

安全系數(shù)F由式(3)定義：

(3)

1)直接滑落塊體安全系數(shù)Ff

UNWEDGE程序在計(jì)算直接滑落塊體安全系數(shù)時(shí)假定塊體的阻滑力只包括被動(dòng)支護(hù)力和拉力，一般不考慮節(jié)理面的剪切強(qiáng)度及滑動(dòng)方向等影響因素?；瑒?dòng)力主要包括塊體重力、混凝土重力、主動(dòng)壓力、地下水壓力及地震力，滑動(dòng)方向?yàn)楦骰瑒?dòng)力的矢量和的方向。其安全系數(shù)由下式計(jì)算：

(4)

Ti=σtiaisinθi

(5)

(6)

2)無(wú)支護(hù)塊體安全系數(shù)Fu

UNWEDGE程序在計(jì)算無(wú)支護(hù)塊體安全系數(shù)時(shí)假定塊體阻滑力只有節(jié)理面的剪切力和抗拉力產(chǎn)生，不考慮被動(dòng)支護(hù)力的作用。塊體滑動(dòng)力仍然為塊體重力、混凝土重力、主動(dòng)壓力、地下水壓力及地震力?；瑒?dòng)力只考慮由法向力產(chǎn)生的剪切力，不考慮阻滑力法向力產(chǎn)生的剪切力。

(7)

(8)

3)支護(hù)塊體安全系數(shù)Fs

UNWEDGE程序在計(jì)算支護(hù)條件下的塊體安全系數(shù)時(shí)假定塊體的阻滑力由節(jié)再面的剪切力、抗拉力和支護(hù)力組成。塊體滑動(dòng)力仍然為塊體重力、混凝土重力、主動(dòng)壓力、地下水壓力及地震力?；瑒?dòng)方向?yàn)閴K體所受的各個(gè)滑動(dòng)力矢量和方向。

(9)

4 塊體穩(wěn)定性分析

在江門地下實(shí)驗(yàn)站洞室開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)揭露的節(jié)理裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)洞室圍巖以Ⅱ類為主，圍巖整體基本穩(wěn)定，但由洞室跨度大、邊墻高，節(jié)理裂隙及開(kāi)挖臨空面組合，形成不穩(wěn)定塊體，局部會(huì)掉塊和滑塌等破壞，需要進(jìn)一步分析塊體穩(wěn)定性。

4.1 塊體穩(wěn)定性系數(shù)

采用UNWEDGE程序?qū)Σ煌?jié)理組合條件下塊體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。分析中采用的參數(shù)如下：節(jié)理摩擦角為30°，節(jié)理面凝聚力為0.08 MPa，節(jié)理面抗拉強(qiáng)度為0，花崗巖巖石密度為2.70 g/cm3，錨桿拉力為20.0 t，噴射混凝土剪切強(qiáng)度為2.0 MPa，混凝土密度為2.60 g/cm3。根據(jù)第2節(jié)的節(jié)理統(tǒng)計(jì)，5組節(jié)理可產(chǎn)生10組組合，不同節(jié)理組合條件下塊體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表1及圖2所示。實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)分析的塊體位置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，發(fā)現(xiàn)分析的位置與實(shí)際塊體的出露位置基本符合，但分析中穩(wěn)定性系數(shù)低于1.0的塊體多數(shù)并未發(fā)生失穩(wěn)破壞，其主要原因如下：UNWEDGE程序計(jì)算時(shí)，考慮的是塊體的最大尺寸，即節(jié)理面的延伸長(zhǎng)度是無(wú)限的，實(shí)際多數(shù)節(jié)理的延伸長(zhǎng)度有限，當(dāng)與其他節(jié)理未連通時(shí)，并不能形成不穩(wěn)定塊體，因此，不會(huì)發(fā)生破壞。但對(duì)于圍巖內(nèi)部的節(jié)理延伸情況、連通情況等很難查清，為安全起見(jiàn)，仍需要對(duì)分析的不穩(wěn)定塊體進(jìn)行支護(hù)。

塊體的安全系數(shù)一般認(rèn)為大于1.5即可視為穩(wěn)定。通過(guò)圖2及表1可以看出，江門地下實(shí)驗(yàn)站洞室在不同節(jié)理組合條件共形成13處不穩(wěn)定塊體，需要進(jìn)行支護(hù)加固，支護(hù)措施主要為錨桿及噴射混凝土，支護(hù)后13處不穩(wěn)定塊體的安全系數(shù)均大于2.5，說(shuō)明支護(hù)措施有效，可保證塊體的穩(wěn)定性。

(L1、L3、L5)

(L1、L2、L5)

(L1、L4、L5)

4.2 節(jié)理面摩擦角與塊體穩(wěn)定性系數(shù)相關(guān)性分析

節(jié)理面參數(shù)對(duì)邊坡及洞室圍巖等的穩(wěn)定性影響較大，如摩擦角與凝聚力等[11-12]，其中摩擦角影響最大，為分析摩擦角對(duì)塊體穩(wěn)定性的影響，以塊體表1中的塊體1為例，計(jì)算摩擦角取值范圍25°～35°條件下塊體的穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著節(jié)理面摩擦角取值的提高，塊體穩(wěn)定性系數(shù)基本上呈線性增加，可為塊體的穩(wěn)定支護(hù)措施提供另個(gè)一個(gè)思路，除了錨桿、噴混凝土等措施之外，可采用對(duì)節(jié)理裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿的方法，以提高節(jié)理面的摩擦角，進(jìn)而提高塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。

表1 江門實(shí)驗(yàn)站地下洞室塊體穩(wěn)定性分析

圖3 節(jié)理面摩擦角與塊體穩(wěn)定性關(guān)系示意

5 結(jié)語(yǔ)

江門地下實(shí)驗(yàn)站洞室跨度大，存在開(kāi)挖過(guò)程中的不穩(wěn)定塊體的破壞問(wèn)題，采用UNWEDGE程序?qū)﹂_(kāi)挖過(guò)程中的頂拱及下部水井邊墻的塊體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)多處穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0的塊體，針對(duì)不同穩(wěn)定性系數(shù)、位置、尺寸、重量的塊體采用不同的錨桿、噴射混凝土支護(hù)后，能保證塊體的穩(wěn)定性要求。

UNWEDGE只能考慮四面體的塊體，但在工程實(shí)際中，所遇到的塊體不一定都是四面體，可能還有五面體，甚至六面體，雖然五面體、六面體可以拆分成若干四面體，但增加了分析難度。

UNWEDGE程序搜索的是3組節(jié)理組合出現(xiàn)的最大的不利塊體組合，因此，需要隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，盡可能多地收集資料，及時(shí)根據(jù)新的資料利用節(jié)理發(fā)育(間距、延伸長(zhǎng)度等)特點(diǎn)在程序中調(diào)整節(jié)理的實(shí)際延伸長(zhǎng)度。