塊體理論及Unwedge程序在地下洞室穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

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(中原工學(xué)院，鄭州 450007)

地下洞室通常是指人工開挖或者天然存在于巖土體中的構(gòu)筑物。在地下洞室的設(shè)計(jì)與施工中，需要考慮很多因素，其中，地下洞室的穩(wěn)定性是重中之重，它直接影響地下洞室施工和以后使用的安全性[1]。影響地下洞室穩(wěn)定性的因素有很多，其中由結(jié)構(gòu)面切割形成的不穩(wěn)定塊體是影響洞室穩(wěn)定性的主要因素之一。1985年，《Block Theory and its Application to Rock Engineering》一書的出版標(biāo)志著塊體理論趨于成熟[2]。劉錦華等[3]最早將塊體理論介紹到中國(guó)。目前塊體理論分析方法的應(yīng)用和研究已經(jīng)十分廣泛。

本文依據(jù)塊體理論，運(yùn)用塊體分析軟件Unwedge，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的各項(xiàng)巖體參數(shù)，對(duì)已開挖地下洞室的中層進(jìn)行塊體搜索和分析，并根據(jù)中層節(jié)理裂隙出露的趨勢(shì)，對(duì)下層開挖后可能形成的塊體進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得出塊體的各項(xiàng)工程參數(shù)，為洞室的開挖支護(hù)提供建議。

1 塊體理論與Unwedge程序

1.1 塊體理論

巖體由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體(塊體)組成，依據(jù)結(jié)構(gòu)面和臨空面的切割方式及塊體之間的相互作用，塊體可劃分為不同類型，如圖1所示。其中關(guān)鍵塊體是最具有代表性和危險(xiǎn)性的一類塊體，塊體理論的核心就是要找出臨空面上的關(guān)鍵塊體，對(duì)其進(jìn)行分析進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，以保持巖體穩(wěn)定。

圖1 塊體的分類

1.2 Unwedge程序

Unwedge程序是依據(jù)塊體理論而開發(fā)的快速、簡(jiǎn)單、交互式的塊體分析工具[4-7]。在此程序中，假定塊體為四面體，分析時(shí)主要考慮塊體重力及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)；假定結(jié)構(gòu)面為平面，結(jié)構(gòu)體為剛體，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，每次參與組合的結(jié)構(gòu)面為三組。Unwedge程序會(huì)自動(dòng)生成最大楔形塊體，當(dāng)認(rèn)為最大楔形塊體不可能形成時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)面的實(shí)際出露情況進(jìn)行篩選和進(jìn)一步的尺寸分析，以確定最合實(shí)際的楔形塊體。表征塊體穩(wěn)定性的安全系數(shù)一般應(yīng)大于1.5。Unwedge程序能快速得到塊體的各項(xiàng)參數(shù)和安全系數(shù)，為工程提供及時(shí)指導(dǎo)，使用快捷方便。

2 地下洞室的塊體穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況與分析方法

位于我國(guó)山東省境內(nèi)的某在建地下洞室為一密集地下洞室群，該工程主要由施工巷道和多條互相平行的主洞室組成。每條主洞室按上、中、下三層順序開挖。

首先確定洞段，并統(tǒng)計(jì)出該段圍巖發(fā)育的主要結(jié)構(gòu)面，然后再通過Unwedge程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，得出相應(yīng)的工程參數(shù)并提出施工建議。本研究選取一條主洞室⑧的部分洞段，分析其中層形成的塊體穩(wěn)定性，并對(duì)個(gè)別洞段的下層可能存在的塊體進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2.2 結(jié)構(gòu)面巖體力學(xué)參數(shù)及支護(hù)方案

根據(jù)該工程地質(zhì)勘探部門提供的開挖地質(zhì)展示圖和主洞室?guī)r體參數(shù)試驗(yàn)報(bào)告中的巖體參數(shù)，本研究考慮2種工況：

(1)較為實(shí)際工況，即按開挖地質(zhì)展示圖對(duì)結(jié)構(gòu)面的描述，對(duì)結(jié)構(gòu)面的結(jié)合強(qiáng)度提出的建議。

(2)最不利工況，即所有結(jié)構(gòu)面的結(jié)合強(qiáng)度都按照結(jié)合差的情況選取。

2種工況下選取的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該工程設(shè)計(jì)單位的支護(hù)方案，主洞室⑧的圍巖系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)見表2。

2.3 中層塊體穩(wěn)定性分析

本研究選取主洞室⑧中層0+520～0+540段進(jìn)行分析，該段開挖地質(zhì)展示圖見圖2，各結(jié)構(gòu)面的主要節(jié)理赤平投影圖見圖3，表3所示為主洞室⑧中層0+520～0+540段優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值。

由地質(zhì)勘探部門提供的勘測(cè)資料可知，該洞段以Ⅲ1類圍巖為主，由圖2可以看出該洞段節(jié)理裂隙較多。從理論上講，在巖體中三組互不平行的結(jié)構(gòu)面就可以生成錐形體，錐形體受到開挖面切割就會(huì)形成塊體。但是實(shí)際中還需要根據(jù)三組結(jié)構(gòu)面在洞壁中出露的位置以對(duì)塊體進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，從而確定塊體的具體特性。

表2 不同圍巖的系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)

圖2 主洞室⑧中層0+520～0+540段開挖地質(zhì)展示圖

圖3 主洞室⑧中層0+520～0+540段主要節(jié)理赤平投影圖

表3 主洞室⑧中層0+520～0+540段優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值

受結(jié)構(gòu)面J1、J2、J3的切割，在0+525～0+531段左邊墻中下部產(chǎn)生塊體，如圖4所示。受結(jié)構(gòu)面J4、J5、J6的切割，在0+529～0+532段右邊墻中下部產(chǎn)生塊體，如圖5所示。塊體的特性及在不同結(jié)構(gòu)面取不同結(jié)合強(qiáng)度時(shí)的安全系數(shù)見表4。由表4可知，此塊體在系統(tǒng)支護(hù)后是安全的。

圖4 主洞室⑧中層0+525～0+531段左邊墻塊體

3.4 下層塊體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析

本研究選取0+600～0+620段進(jìn)行分析，該段中層開挖地質(zhì)展示圖見圖6，該段主要節(jié)理赤平投影圖見圖7，表5所示為主洞室⑧下層0+600～0+620段優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值。

圖5 主洞室⑧中層0+529～0+532段右邊墻塊體

表4 主洞室⑧中層0+520～0+540段塊體特征及安全系數(shù)

由地質(zhì)勘探部門提供的勘測(cè)資料可知，該洞段以Ⅲ2類圍巖為主，從圖6可以看出該洞段節(jié)理裂隙發(fā)育較多。根據(jù)節(jié)理裂隙面出露的趨勢(shì)選取下層可能形成的塊體的三組結(jié)構(gòu)面，再根據(jù)這三組結(jié)構(gòu)面在洞壁出露的位置對(duì)其重新進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，以確定塊體的具體特性。

受結(jié)構(gòu)面J7、J8、J9的切割，在0+612～0+615段下層左邊墻可能產(chǎn)生塊體，如圖8所示。塊體的特性及其在不同結(jié)構(gòu)面取不同結(jié)合強(qiáng)度時(shí)的安全系數(shù)見表6。由表6可知，此塊體在系統(tǒng)支護(hù)后是安全的。

圖6 主洞室⑧中層0+600～0+620段開挖地質(zhì)展示圖

圖7 主洞室⑧中層0+600～0+620段主要節(jié)理赤平投影圖

表5 主洞室⑧下層0+600～0+620段優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)值

表6 主洞室⑧下層0+600～0+620段塊體特征及安全系數(shù)

圖8 主洞室⑧下層0+612～0+615段左邊墻塊體

3 塊體分析結(jié)論及建議

(1)在圍巖系統(tǒng)支護(hù)前，較為實(shí)際工況下0+529～0+532段右邊墻塊體的安全系數(shù)大于1.5，0+525～0+531段左邊墻塊體的安全系數(shù)小于1.5。最不利工況下的安全系數(shù)都小于0.1，是不穩(wěn)定的塊體。但支護(hù)后安全系數(shù)都大于2。所以系統(tǒng)支護(hù)可以滿足塊體穩(wěn)定性的需求。

(2)在主洞室⑧下層0+612～0+615段左邊墻可能產(chǎn)生可動(dòng)塊體。按較為實(shí)際的工況和最不利工況兩種工況分別計(jì)算安全系數(shù)。在圍巖系統(tǒng)支護(hù)前，兩種工況下的安全系數(shù)均小于0.1，可以判定為不穩(wěn)定的塊體。但支護(hù)后安全系數(shù)都大于2。所以建議在開挖后對(duì)這些部位立即進(jìn)行錨桿支護(hù)，以便鎖定塊體，防止滑塌掉落。

(3)所形成塊體的最大深度為2.57 m，系統(tǒng)錨桿的深度可滿足錨固住塊體的要求。

(4)鑒于主洞室⑧中層的圍巖主要受硬性結(jié)構(gòu)面切割產(chǎn)生不穩(wěn)定的塊體，不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為掉塊，所以可采用隨機(jī)錨桿對(duì)塊體進(jìn)行加固，同時(shí)系統(tǒng)支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟上。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)基于塊體理論的基本概念和原理，利用Unwedge程序?qū)Φ叵露词疫M(jìn)行塊體分析，可快速準(zhǔn)確地獲得塊體的位置及相關(guān)信息，具有操作簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可用于指導(dǎo)實(shí)際工程建設(shè)。

(2)利用Unwedge程序進(jìn)行塊體預(yù)測(cè)分析，不僅可以根據(jù)中層塊體情況縱向預(yù)測(cè)下層的塊體，還可以橫向預(yù)測(cè)相鄰未開挖洞室可能形成的塊體，同樣可以指導(dǎo)工程進(jìn)行中的開挖建設(shè)。

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