塊體理論在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應用

1、<p>　　塊體理論在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應用</p><p>　　摘要：本文以山西陽泉檀樹巖隧道為工程實體,應用塊體理論原理,建立了隧道和結構面的實體模型,詳細介紹了塊體理論的建模過程、塊體邊界條件的確定、塊體的幾何模型以及幾何參數的確定，進而對塊體的穩(wěn)定性進行了評價,得出了較有益的結果，對檀樹巖隧道超前地質預報提供了較好的依據。 </p><p>　　關鍵詞：塊體理論 圍巖

2、 穩(wěn)定性分析 </p><p>　　中圖分類號： U455 文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　在堅硬和半堅硬地層中，巖體被結構面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下，這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。當進行隧道開挖時，使暴露在臨空面上某些塊體失去原始的靜力平衡狀態(tài)，因而造成某些

3、塊體首先沿著結構面滑移、失穩(wěn)，進而產生連鎖反應，造成整個隧道圍巖的破壞。本文利用塊體理論這一原理分析評價隧道圍巖的破壞機制，從而進行隧道圍巖的穩(wěn)定性評價。 </p><p><b>　　2、工程概況 </b></p><p>　　檀樹巖隧道位于陽泉市盂縣南婁鎮(zhèn)白家溝村～檀樹巖村～獅子坪村西。設計為分離式隧道，單洞寬度約13m，雙線隧道間距約為12 m，左線里程樁號為Z

4、K8+982～ZK12+824，長3842m，右線里程樁號為K8+982～K12+787，長3805m；屬特長隧道，隧道總體走向為北東-西南向。本次進行評價的區(qū)段為進口左線（樁號：ZK9+168～ZK9+198），根據隧址區(qū)域的勘察報告，結合野外工程地質調查，該段不存在大的斷裂構造和不良地質體，隧道圍巖主要由二疊系上石盒子組(P2s1)和下石盒子組(P1x2)地層構成，巖性主要為黃綠～紫紅色泥質砂巖和灰白色粗粒砂巖構成，該段巖層產狀為1

5、20°～145°∠5°～8°。地表部分區(qū)域為殘坡積物覆蓋，厚度一般為1～2m，植被較發(fā)育，與基巖接觸面夾0～1.0m厚的風化夾層，以下中～微風化，通過掌子面的編錄，節(jié)理以平面共軛X節(jié)理組30°～35°∠72°～80°和160～165°∠59°～81°為主，其規(guī)模為5～10m，間距為0.3～0.57m。 </p>&

6、lt;p>　　3、隧道開挖圍巖穩(wěn)定性塊體理論分析 </p><p>　　采用石根華博士提出的塊體理論對圍巖穩(wěn)定性進行驗算，通過驗算結果的綜合分析，對隧道開挖圍巖進行穩(wěn)定性預報。 </p><p><b>　?。?）模型的建立 </b></p><p>　　根據設計報告及隧道開挖情況，建立進口左線（樁號：ZK9+168～ZK9+198）隧道

7、輪廓模型，模型特征見表1。 </p><p>　　隧道進口左線區(qū)域模型特征一覽表表1 </p><p>　　預報區(qū)域 輪廓寬度 輪廓高度 隧道走向 縱線坡度 區(qū)域巖層產狀 </p><p>　　進口左線 12m 8.5m 180° 2.5% 192°∠3° </p><p>　　通過對隧道進口左線對應地表出露巖層

8、節(jié)理裂隙及掌子面地質情況調查，于該區(qū)段收集了若干組優(yōu)勢節(jié)理，其分布特征見表2。 </p><p>　　進口左線層面及優(yōu)勢節(jié)理特征一覽表表2 </p><p>　　（2）關鍵塊體的生成 </p><p>　　通過表2所列的優(yōu)勢節(jié)理、巖層產狀及隧道開挖掌子面及臨空側壁之間的空間幾何組合關系，由3D-Unwedge程序生成對隧道圍巖穩(wěn)定影響最大的關鍵塊體，其具體位置及形狀

9、見插圖1～插圖7。 </p><p>　　進口左線（樁號：ZK9+168～ZK9+198）關鍵塊體位置及形狀 </p><p>　　插圖1 結構面1、2、3組成的塊體1 插圖2 結構面1、3、4組成的塊體2 </p><p>　　插圖3 結構面1、3、4組成的塊體3插圖4結構面1、3、5組成的塊體4 </p><p>　?。?）隧道圍巖穩(wěn)定性

10、評價 </p><p>　?、俳Y構面強度參數的選取 </p><p>　　通過該段圍巖等級及工程經驗類比，確定各結構面強度參數見3。 </p><p>　　進口左線各結構面強度參數一覽表 表3 </p><p>　?、谒淼绹鷰r穩(wěn)定性評價 </p><p>　　根據表3所給的各結構面的強度參數，通過3D-Unwedge程

11、序得出各關鍵塊體的穩(wěn)定評價見表4。 </p><p>　　關鍵塊體穩(wěn)定性評價一覽表 表4 </p><p>　?。?）隧道穩(wěn)定性結果分析 </p><p>　　&#160;由表4可以得出： </p><p>　　①關鍵塊體主要分布在隧道拱頂和拱腰，邊幫則無關鍵塊體，說明在這些結構面組合下，隧道拱頂和拱腰容易發(fā)生破壞，而邊幫比較穩(wěn)定；

12、</p><p>　　②由結構面1、2、3組成的拱頂關鍵塊體1和結構面1、3、4組成的右拱腰關鍵塊體2，安全系數Fs均小于1.5，為不穩(wěn)定塊體，且體積較大，說明在隧道左線進口開挖過程中，可以預測該區(qū)段拱頂容易發(fā)生垮塌破壞，右拱腰形成滑移破壞，規(guī)模均較大，在開挖過程中對這些部位的支護需引起注意，且加強監(jiān)控量測，盡量縮短隧道開挖進度和臨空面的暴露時間； </p><p>　?、塾山Y構面1、3、

13、4組成的左拱腰關鍵塊體3和結構面1、3、5組成的左拱腰關鍵塊體4，安全系數Fs均大于1.5，為穩(wěn)定塊體，且體積較小，對隧道開挖的穩(wěn)定不構成危險； </p><p>　?、茈m然當前一些關鍵塊體為穩(wěn)定塊體，但當關鍵塊體賦存環(huán)境發(fā)生改變，例如受地下水弱化影響、爆破對圍巖穩(wěn)定性的擾動影響等，其穩(wěn)定狀態(tài)可能會改變，所以應加強監(jiān)控量測作業(yè)，監(jiān)測隧道圍巖的穩(wěn)定性動態(tài)變化，在掘進過程中應貫徹“短開挖、弱爆破、強支護”的施工理念，

14、做到“勤支護”，使隧道施工安全、順利地進行； </p><p><b>　　4、結語 </b></p><p>　?。?）由上述對隧道圍巖穩(wěn)定性評價可以看出，利用塊體理論進行穩(wěn)定性評價，在充分搜集隧道圍巖結構面信息的情況下，建模直觀簡單，通俗易懂，可以直接生成三維的關鍵塊體圖形，并能確定其大小和位置，得出各關鍵塊體的破壞模式及安全系數，可操作性強，便于設計、施工人員掌

15、握； </p><p>　?。?）通過對隧道與該區(qū)段超前地質預報和監(jiān)控量測的情況對比，由塊體理論得出的穩(wěn)定性評價結果與它們的評價結果基本一致，并且在隧道開挖過程中可以看出也比較符合現場實際，故該方法可以作為隧道圍巖穩(wěn)定性的評價依據，成為其它穩(wěn)定性評價方法的較有益的補充。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1

16、] 劉錦華，呂祖絎.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中的應用[M].水利水電出版社，1986． </p><p>　　[2] 懷超.關鍵塊體理論在高速公路連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應用[D].長安大學碩士論文，2005.6. </p><p>　　[3] 王延濤，李桂平等.利用塊體理論Unwedge程序分析隧洞圍巖穩(wěn)定性[J].山西水利科技，2000.11. </p><p

17、>　　[4] Unwedge Use’s Guide，3D visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavation and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges，1992～1999，Rocsci