結(jié)構(gòu)面對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響

李建強(qiáng), 張 寧, 李承中, 孫天青

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222; 2.東北煤田地質(zhì)局 一○三勘探隊(duì),遼寧 遼陽(yáng) 111000)

結(jié)構(gòu)面對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響

李建強(qiáng)1, 張 寧2, 李承中1, 孫天青1

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222; 2.東北煤田地質(zhì)局 一○三勘探隊(duì),遼寧 遼陽(yáng) 111000)

結(jié)合實(shí)例工程,詮釋地下硐室隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和結(jié)構(gòu)面與硐室開(kāi)挖后形成臨空面的空間組合關(guān)系,搜索典型塊體,分析塊體組合類(lèi)型,運(yùn)用極限平衡理論,計(jì)算可能失穩(wěn)塊體的安全系數(shù)F,量化塊體的失穩(wěn)特征,為地下硐室支護(hù)方案提供重要的數(shù)據(jù)資料。

結(jié)構(gòu)面;硐室穩(wěn)定性;組合特征;失穩(wěn)模式;穩(wěn)定性計(jì)算

地下硐室的穩(wěn)定性對(duì)施工安全和工程進(jìn)度有著決定性影響,影響硐室穩(wěn)定性的主要因子包括巖性、完整巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面類(lèi)型、剪切帶或斷層、地下水條件、埋深、結(jié)構(gòu)面充填等[1],其中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和空間組合關(guān)系對(duì)硐室穩(wěn)定性起著重要作用。一般而言,巖體結(jié)構(gòu)面是自然地質(zhì)歷史進(jìn)程的產(chǎn)物,不同的歷史條件下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，其發(fā)育特征和組合關(guān)系各異。工程地質(zhì)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件,綜合不同因素的影響,分析和計(jì)算結(jié)構(gòu)面特征及組合關(guān)系對(duì)硐室穩(wěn)定性的影響取得了豐碩的成果[1-3],但對(duì)于地下硐室隨機(jī)結(jié)構(gòu)面與硐室開(kāi)挖后的臨空面組合形成的可能失穩(wěn)塊體特征的分析,目前多數(shù)為理論性評(píng)價(jià),量化評(píng)價(jià)較少,本文運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算可能失穩(wěn)塊體的安全系數(shù),量化可能失穩(wěn)塊體的失穩(wěn)特征,為硐室支護(hù)方案提供重要的數(shù)據(jù)資料。

1 工程概況

某工程地處喜馬拉雅山前緣,巖性主要為第三系上統(tǒng)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,巖性較單一,工程地質(zhì)條件較好,但四、五級(jí)結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,硐室開(kāi)挖后進(jìn)行精細(xì)編錄,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布特征圖及走向玫瑰花圖見(jiàn)圖1。

工程區(qū)結(jié)構(gòu)面主要發(fā)育有8組,各組結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主,角度多在60°～70°之間;緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少,角度多在20°～30°之間,但對(duì)硐室的穩(wěn)定性起著控制性作用,特別是與洞軸線(xiàn)平行發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面。各組結(jié)構(gòu)面和硐室開(kāi)挖后臨空面的空間組合關(guān)系,是影響硐室穩(wěn)定性的決定性因素。

圖1 工程區(qū)硐室結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征Fig.1 Development characteristics of structural plan of chamber in project area

表1 工程區(qū)發(fā)育結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀

2 硐室塊體組合特征

2.1 塊體分類(lèi)

結(jié)構(gòu)面和臨空面組成的塊體分為多種類(lèi)型,從整體上說(shuō),塊體可分為無(wú)限和有限兩種,有限塊體可分為不可動(dòng)塊體和可動(dòng)塊體,而可動(dòng)塊體又分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體三種(圖2)。無(wú)限塊體、不可動(dòng)塊體和穩(wěn)定塊體一般不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),巖體處于較穩(wěn)定狀態(tài);關(guān)鍵塊體是在工程作用力和自重作用力下就可以滑動(dòng)的塊體,這類(lèi)塊體必須采取必要的工程手段才能保證其穩(wěn)定性;可能失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面有足夠的抗剪強(qiáng)度時(shí)才能保持穩(wěn)定,給工程造成最為嚴(yán)重后果的就是可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體。

圖2 塊體類(lèi)型二維示意圖Fig.2 Two-dimensional schematic diagram of block typea.無(wú)限塊體;b.倒楔塊體;c.穩(wěn)定塊體;d.可能穩(wěn)定塊體;e.關(guān)鍵塊體。

2.2 工程區(qū)硐室塊體組合特征

該工程硐室類(lèi)型為城門(mén)洞型,該類(lèi)型硐室開(kāi)挖后可形成M1-M10共10個(gè)臨空面(圖3)。其中M1,M2和M8位于硐室底板位置,對(duì)工程的安全影響較小;M9與M10為硐室的掘進(jìn)面和開(kāi)挖面,其安全系數(shù)相對(duì)較高,一般不會(huì)存在較大的安全隱患;M3-M7為硐室應(yīng)力集中、釋放區(qū),即硐室失穩(wěn)破壞的主要位置,分析巖體結(jié)構(gòu)面與M3-M7的組合關(guān)系,成為評(píng)價(jià)和計(jì)算硐室穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。

將工程區(qū)發(fā)育的主要八組結(jié)構(gòu)面展布至硐室上,與硐室臨空面組合形成4種塊體類(lèi)型,其中可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體主要分布在硐室W4、W5和W6三個(gè)區(qū)域,塊體W3形成于底板位置,為穩(wěn)定塊體。塊體的空間分布位置及組合特征參見(jiàn)圖4。

圖3 城門(mén)洞型硐室臨空面模型Fig.3 Free face model of chamber of gate way-like structure

圖4 工程區(qū)硐室塊體組合類(lèi)型Fig.4 Block combination type of chamber in project area

3 塊體的穩(wěn)定性計(jì)算及失穩(wěn)特征

運(yùn)用極限平衡理論對(duì)關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,分析塊體的失穩(wěn)模式和滑動(dòng)方向,以雙滑面為例(圖5),其計(jì)算公式為:

圖5 塊體穩(wěn)定分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of block stability analysis

沿交棱線(xiàn)j向下作用的下滑力為S:

S=mw,jW+mv,jV+mt,jT

(1)

式中:W為塊體自重;V為拉裂縫的抗拉力和拉裂縫中水壓力總和;T為外力(本文中不涉及);mw,j為向量w和j的點(diǎn)積(其他類(lèi)推)。

安全系數(shù)F的計(jì)算公式為下式:

(2)

式中:Nl為滑面A上的有效向反力;Nr為滑面A上的有效向反力;C為粘聚力;φ為摩擦角。

對(duì)工程區(qū)硐室發(fā)育的八組結(jié)構(gòu)面與臨空面組合形成的關(guān)鍵塊體和可動(dòng)塊體W4、W5和W6進(jìn)行穩(wěn)定性分析和計(jì)算。塊體W3為不可動(dòng)塊體;塊體W4為可動(dòng)塊體,雙側(cè)滑面,滑面分別為第1組結(jié)構(gòu)面和第2組結(jié)構(gòu)面,塊體的滑動(dòng)方向?yàn)镾E144°,剪出角為8°,塊體自重為296.5×103kg,安全系數(shù)為7.436,處于穩(wěn)定狀態(tài),塊體各邊界條件參見(jiàn)表2;塊體W5沿第3組結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),滑動(dòng)方向?yàn)镹W293°,剪出角為21°,塊體的自重為415.1×103kg,安全系數(shù)1.385,為關(guān)鍵塊體,塊體各邊界條件參見(jiàn)表2,硐室開(kāi)挖后,需加強(qiáng)支護(hù);塊體W6沿第2組結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),滑動(dòng)方向?yàn)镾W230°,剪出角為64°,塊體自重0.259×103kg,安全系數(shù)為0.024,為失穩(wěn)塊體,塊體各邊界條件參見(jiàn)表2,塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主,由于塊體較小,建議硐室開(kāi)挖后,采取剝落或相應(yīng)的支護(hù)措施。

表2 塊體穩(wěn)定分析統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

巖體結(jié)構(gòu)面是影響地下硐室穩(wěn)定性的主要因素。實(shí)例工程區(qū)地層巖性單一,工程地質(zhì)條件較好,影響硐室穩(wěn)定性的主要因素為四五級(jí)隨機(jī)結(jié)構(gòu)面,精細(xì)編錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,工程區(qū)發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面,以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主,結(jié)構(gòu)面與硐室臨空面組合形成的可動(dòng)和關(guān)鍵塊體主要在3個(gè)位置出露。運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算塊體的安全系數(shù)和分析塊體的失穩(wěn)特征,塊體W4為可動(dòng)塊體,安全系數(shù)F為7.436,處于穩(wěn)定狀態(tài);塊體W5為關(guān)鍵塊體,安全系數(shù)F為1.385,在硐室開(kāi)挖后,需加強(qiáng)相應(yīng)的支護(hù)措施;塊體W6為失穩(wěn)塊體,安全系數(shù)為0.024,塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主,由于塊體較小,建議硐室開(kāi)挖后,采取剝落或相應(yīng)的支護(hù)措施。

[1] 巨能攀,趙建軍,黃潤(rùn)秋,等.控制性結(jié)構(gòu)面對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,37(2):188-194.

[2] 馮夏庭,馬平波.基于數(shù)據(jù)挖掘的地下硐室圍巖穩(wěn)定性判別[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(3):306-309.

[3] 陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Effect of Structure Plane on Chamber Stability

LI Jianqiang1, ZHANG Ning2, LI Chengzhong1, SUN Tianqing1

(1.ChinaWaterResourcesBeifangInvestigationDesign&ResearchCo.Ltd.,Tianjin300222;2.No.103ExplorationTeam,ChinaNortheasternCoalfieldGeologicalBureau,Niaoyang,Niaoning111000)

Combining with the engineering example,the paper interprets development characteristics andspace combination relations of structural plane and chamber,searches typical blocks,analyzes block combination type. By using the limit equilibrium theory,the safety factor F of the unstable block can be calculated,and the instability characteristics of the block can be quantified.It provides important data for underground chamber support.

structural plane; chamber stability; assemblage characteristics; instability mode; stability calculation

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

李建強(qiáng)(1982-),男,工程師,碩士研究生,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),從事地質(zhì)勘察工作。E-mail:ljq112@126.com

TU457

A

1671-1211(2016)03-0543-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.067

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.012.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24