基于地質力學的某城門洞形引水隧洞進口段塊體穩定分析

高 旭，晏鄂川，張世殊，卓琦斐，鄒 浩

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

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基于地質力學的某城門洞形引水隧洞進口段塊體穩定分析

高 旭1，晏鄂川1，張世殊2，卓琦斐1，鄒 浩1

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072)

基于某城門洞形引水隧洞進口段詳細的地質調查，通過地質力學原理，分析巖體內構造結構面體系的形成與發育過程。運用塊體理論中矢量分析法，以平面逼近曲面洞壁方法，分析出該隧洞進口段的可動塊體，在滿足力學條件下判別出可動塊體中的關鍵塊體，計算出其凈滑動力和失穩形式。結果表明，隧洞進口段結構面主要為構造面，關鍵塊體以結構面①、②單面滑動為主，且主要分布于隧洞左、中頂面，具體位于隧洞頂偏左47.5 cm處。施工時，應重點監測關鍵塊體出露的位置，并采取有針對性的防治措施。

地質力學；塊體理論；矢量分析；引水隧洞

0 引 言

引水隧洞進口段巖體質量較差，開挖施工最易發生塌方事故。如何有效預測可能失穩區及其失穩形式，以便采取針對性的防治措施，成為工程施工中的重要問題。在結構面發育的工程巖體中，塊體失穩是常見的破壞形式。石根華[1- 2]提出了赤平投影法判斷失穩塊體的方法，采用矢量法分析巖體的穩定性；R.E.Goodman[3]與石根華合作創立了塊體理論；劉錦華[4]系統全面地將塊體理論介紹到國內，使塊體理論在國內得到迅速發展和應用，成為巖體穩定分析的一種有效方法[5- 8]；謝良甫[9]利用塊體理論矢量分析法分析某地下水封洞庫圍巖塊體的穩定性；王迎超[10]應用塊體理論分析某隧道不利節理組合，預測出不穩定塊體的出露位置；李小昌[11]采用UNWEDGE程序分析地下洞室關鍵塊體等。以上研究沒有針對具有曲面洞壁的城門洞形地下洞室或隧洞中關鍵塊體判別的研究。此外，隧洞等地下工程勘察僅通過地表調查和普通的鉆探、坑槽探等，對巖體結構的調查結果都具有一定誤差，有必要對調查數據進行理論上的驗證，從而確保后續工作的可靠性。

本文從地質力學原理出發，分析了某城門洞形引水隧洞進口段的巖體結構，采用塊體理論中矢量分析方法，分析該隧洞進口段圍巖塊體的穩定性。該方法以平面逼近曲面洞壁方法分析具有曲面洞壁的城門洞形隧洞的可能破壞塊體及其失穩形式，以便開挖前采取針對性的防治措施，達到提前預測的目的。

1 工程概況

某城門洞形引水隧洞全長11.8 km，斷面為城門洞形，洞軸線矢量傾角α=89.943°(坡度i=1/1 000)，傾向β=51°(洞軸線走向為NE51°)。隧洞進口位于水庫北部庫岸上，所在斜坡總體走向北西，傾向南西，坡角下部50°～60°、上部40°～50°，總體上緩下陡，坡面上無深切溝谷發育。坡體為整體傾向北西的單斜巖層構造，邊坡結構類型為切向坡。隧洞進口全貌見圖1。

圖1 隧洞進口全貌

斜坡表層不連續覆蓋第四系土層，基巖為志留系紗帽組灰綠色粉砂質泥巖，局部夾泥質粉砂巖。斜坡上未見斷裂，主要為傾向北西的單斜巖層構造，巖層產狀為337°∠36°。區內主要發育2組節理裂隙，產狀穩定，延伸較遠，平直光滑，節理面上偶見擦痕，等距排列，組成“X”形的共軛裂隙，其銳角平分線指示主壓應力方向。構造體系見圖2。傾向北西的單斜巖層構造及“X”形的共軛剪節理正是在多期構造應力場作用下，具有成生聯系的構造行跡的組合。可以認為，控制隧洞開挖塊體穩定的主要結構面是層面和節理面。

圖2 構造體系

類比同一工程區其他工程的巖體質量，獲取了主控結構面參數，見表1。為避免漏判可能破壞塊體，后續剩余下滑力計算中只考慮內摩擦角，使其結果偏于安全。

表1 主控結構面參數

結構面優勢產狀內摩擦角/(°)平均間距/m①層面337°∠36°2705②節理1243°∠80°1804③節理2158°∠55°1805

2 關鍵塊體分析

2.1 判別無限裂隙錐

根據塊體理論，判別關鍵塊體首先應找出已知結構面條件下的所有無限裂隙錐，步驟如下：

2.2 確定可動塊體

若一塊體為可動性塊體，則其由結構面構成的裂隙錐為無限塊體(JP≠φ)。同時，由其結構面和臨空面共同構成的塊體為有限塊體，即BP=EP∩JP=φ。式中，EP表示僅以臨空面為界的巖體半空間所構成的棱錐；BP表示由若干組結構面和臨空面為界的巖體半空間所構成的棱錐。

城門洞形隧洞上部為曲面洞壁，以平面逼近曲面洞壁方法將其劃分為3部分，最后得到5個臨空面，見圖3。基于無限裂隙錐判別，再考慮與各臨空面組合關系，對上述8個無限裂隙錐建立以下可動性判別矩陣

圖3 隧洞臨空面(單位：mm)

臨空面臨空面產狀塊體編號左邊墻320°∠90°111左頂面320°∠30°011中頂面0°∠0°101右頂面140°∠30°000右邊墻140°∠90°000

2.3 判別關鍵塊體

確定各臨空面可動塊體僅是純幾何學問題，還需要在已知結構面組合和主動力合力之后，判別可動塊體的運動形式，再進一步根據結構面物理力學特性從可動塊體中判別出關鍵塊體(失穩塊體)。

2.3.1 塊體運動形式判別

通過計算，判別出滿足上述條件相應各運動形式的塊體(見表3)。

表3 判別結果

運動形式矢量坐標(x，y，z)塊體編號脫離巖體運動r?(0，0，-1)111沿結構面①滑動s?1(-03161，07447，-05878)011沿結構面②方向滑動s?2(-01547，-00788，-09848)101沿結構面③方向滑動s?3(02149，-05318，-08192)110沿結構面①、②同時滑動s?12(-04580，06734，-05804)001沿結構面①、③同時滑動s?13(-09249，-038，-00084)000沿結構面②、③同時滑動s?23(01264，-05648，-08155)100

2.3.2 凈滑動力計算

計算出只考慮自重作用下的所有相應可能失穩的塊體后，計算凈滑動力F值。若F>0，則塊體為關鍵塊體。不同運動形式下的凈滑動力計算如下：

(1)當塊體脫離巖體運動時

(2)當塊體沿i面滑動時

式中，φ為結構面內摩擦角。

(3)當塊體沿i面和j面同時滑動時

只考慮自重W情況下，計算出各運動形式的凈滑動力值(見表4)。

表4 凈滑動力值

運動方式凈滑動力值r?Ws?101756Ws?209284Ws?306328Ws?1201425Ws?13-04391Ws?2305036W

對照表1、2、3，既滿足幾何條件下的可動塊體，又滿足力學條件下凈滑動力值F>0，從而找出關鍵塊體編號、運動方式及其所在臨空面。編號011關鍵塊體在隧洞左頂面位置沿結構面①單面滑動；編號101關鍵塊體在隧洞中頂面位置沿結構面②單面滑動。

3 數值模擬驗證

本文目的在于引水隧洞進口段塊體穩定性評價。隧洞進口段與地表高差不大(約10 m)，必須考慮地形對隧洞的影響。同時，由于影響其塊體穩定的是空間3組結構面，第②組結構面法線與洞軸線小角度相交，建立二維模型不能反映出這組結構面的影響。綜上所述，基于3DEC，建立三維地質模型。考慮到數值計算內存容量以及研究問題集中在進口段隧洞塊體穩定，模型中只在距洞口20 m范圍內按表1中的3組結構面進行劃分并賦值。只考慮自重應力作用，底邊界固定約束，左右前后邊界分別固定x、y方向位移，計算10萬時步。關鍵塊體數值模擬結果見圖4。

圖4 關鍵塊體數值模擬結果

由圖4可知，在3組結構面切割下，隧洞進口段巖體不穩定塊體(關鍵塊體)主要集中于隧洞左上部位，與采用矢量解析法計算結果一致，驗證了解析計算結果的正確性。為進一步獲取其具體位置，通過fish語言編制程序，獲得垂直位移最大的塊體位于隧洞頂偏左47.5 cm處。

4 結 語

本文從地質力學原理出發，分析認為某城門洞形引水隧洞開挖引起的塊體穩定主要控制性結構面是層面和節理面。編號011關鍵塊體在隧洞左頂面位置沿結構面①單面滑動。編號101關鍵塊體在隧洞中頂面位置沿結構面②單面滑動，根據各位置上可能破壞塊體的剩余下滑力值，在實際工程施工時采取針對性的防治措施。

平面逼近曲面洞壁的塊體理論矢量分析方法能夠較準確地判別引水隧洞進口段可能失穩塊體及失穩形式，達到提前預測的目的。為解決矢量法不能求出關鍵塊體的具體位置這一弊端，可通過三維離散元數值模型獲取。

[1]石根華. 巖體穩定分析的赤平投影方法[J]. 中國科學， 1977(3)： 269- 271．

[2]石根華. 巖體穩定分析的幾何方法[J]. 中國科學， 1981(4)： 487- 495．

[3]GOODMAN R E， SHI G H. Block Theory and Its applications to Rock Engineering[M]. Englewood Cliffs： Prentice hall， 1985．

[4]劉錦華， 呂祖衍. 塊體理論在工程巖體穩定分析中的應用[M]. 北京： 水利水電出版社， 1988．

[5]朱華， 汪飛， 劉陽， 等. 塊體理論在地下水封石洞油庫圍巖穩定性的分析與應用[J]. 水利與建筑工程學報， 2012， 10(1)： 151- 154．

[6]張昱輝， 郭吉平， 孔凡林. 基于塊體理論的隧道圍巖穩定性分析[J]. 隧道建設， 2015， 35(1)： 41- 45．

[7]陳孝湘， 夏才初， 繆圓冰. 基于關鍵塊體理論的隧道分部施工時空效應[J]. 長安大學學報： 自然科學版， 2011， 31(2)： 57- 62．

[8]張子新， 廖一蕾. 基于塊體理論赤平解析法的地下水封油庫圍巖穩定性分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2010， 29(7)： 1339- 1347．

[9]謝良甫， 晏鄂川， 季恵彬. 地下水封洞庫圍巖塊體失穩矢量分析方法研究[J]. 長江科學院院報， 2012， 29(6)： 48- 51．

[10]王迎超， 李勇良， 李亞博， 等. 隧道中不穩定塊體的預測模型[J]. 中國科技論文， 2015， 10(1)： 21- 25．

[11]李小昌， 袁振霞， 張志增. 塊體理論及UNWEDGE程序在地下洞室穩定分析中的應用[J]. 中原工學院學報， 2014， 25(3)： 38- 42．

(責任編輯 楊 健)

Stability Analysis of Key Blocks in Entrance Section of a Gate Hole Diversion Tunnel Based on Geomechanics

GAO Xu1, YAN Echuan1, ZHANG Shishu2, ZHUO Qifei1, ZOU Hao1

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on detailed geological survey of a diversion tunnel entrance section, the stability of surrounding rock mass is evaluated by using vector analysis. The moveable blocks in entrance section of tunnel are determined by using plane approximate the circular upper wall method, the key blocks of moveable blocks are found out by mechanical analysis, and the driving forces and failure modes of key blocks are also calculated. The results show that this diversion tunnel entrance section is stable, the key blocks mainly slide by single structural surface ① and ② which mostly distributed on the left and the middle surfaces with exact location in left 47.5 cm to top. During construction period, the monitoring should be focused on key block area and appropriate control measures should be adopted．

geomechanics; block theory; vector analysis; diversion tunnel

2016- 04- 01

國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)項目(2011CB710605)；中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司(P225- 2014)

高旭(1990— )，男，四川廣元人，博士研究生，研究方向為巖土體穩定性評價與利用．

TU457

A

0559- 9342(2016)09- 0033- 04