基于三維重構(gòu)的隧道圍巖穩(wěn)定性快速分析及動態(tài)反饋

彭蓉蓉

(江西省高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心， 江西 南昌 330036)

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基于三維重構(gòu)的隧道圍巖穩(wěn)定性快速分析及動態(tài)反饋

彭蓉蓉

(江西省高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心， 江西 南昌 330036)

節(jié)理的存在降低了巖體的完整性和連續(xù)性，對隧道圍巖的穩(wěn)定具有重要影響，若支護不及時或強度不夠?qū)乐赝{施工安全。本文依托井岡山特長隧道，提出了基于三維重構(gòu)、塊體理論的隧道圍巖穩(wěn)定性快速分析方法，動態(tài)反饋、指導設(shè)計施工方案優(yōu)化。針對中風化砂巖、Ⅳ級圍巖區(qū)段，通過地質(zhì)素描與統(tǒng)計分析，建立基于節(jié)理特征的三維重構(gòu)地層模型； 運用塊體理論，分析隧道開挖時臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)； 提出圍巖穩(wěn)定性動態(tài)反饋方法，并對比分析不同支護方案。研究表明： 開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護措施，根據(jù)動態(tài)反饋明確在實際施工時必須嚴格按照原設(shè)計方案施作錨桿支護。基于三維重構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性快速分析及動態(tài)反饋，可以實現(xiàn)施工過程中地質(zhì)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集、分析與反饋，及時依據(jù)實際開挖地層條件，動態(tài)調(diào)整支護體系，確保結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟安全性。

隧道； 節(jié)理特征； 三維重構(gòu)； 圍巖穩(wěn)定性； 快速分析； 動態(tài)反饋

0 引言

受長期地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，巖體內(nèi)部廣泛分布著產(chǎn)狀不一的節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面，不僅破壞了巖體原有的連續(xù)性和完整性，還導致巖體力學性質(zhì)的顯著降低[1]。工程經(jīng)驗表明，裂隙巖體受隧道開挖擾動影響較大，若支護不及時或巖體強度不足，圍巖會沿節(jié)理面滑動，產(chǎn)生大變形甚至塌方。因此，考慮節(jié)理裂隙產(chǎn)狀設(shè)計施工與支護方案，對于保障施工安全尤為重要。然而，不同隧道區(qū)段的巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀差異較大，隧道開挖前難以獲取足夠精細的節(jié)理信息，僅憑工程類比的靜態(tài)設(shè)計方法無法保障支護體系適應(yīng)圍巖實際情況。針對這一現(xiàn)狀，有必要開展隧道圍巖穩(wěn)定性的快速分析，隨著掌子面推進，動態(tài)地揭示與再現(xiàn)實際地質(zhì)特征，分析現(xiàn)有施工與支護方案下的圍巖穩(wěn)定性，通過及時反饋，優(yōu)化施工方法與支護設(shè)計。

開展隧道圍巖穩(wěn)定性的快速分析，需要進行超前地質(zhì)預報來預測前方優(yōu)勢節(jié)理分布特征； 然而，由于巖體結(jié)構(gòu)面分布的隨機性、多樣性和不均勻性，僅利用幾個統(tǒng)計量很難對結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)進行確定性的測量； 因此，在巖體結(jié)構(gòu)描述方面需要采用更先進的分析手段。目前，建立在概率統(tǒng)計基礎(chǔ)之上的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)得到了較大發(fā)展[2-5]。雷光偉[6]通過Monte-Carlo法，對巖體節(jié)理進行三維網(wǎng)絡(luò)模擬，研究了裂隙巖體滲透張量的算法。譚淑紅[7]歸納了巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬的基本原理，以概率統(tǒng)計、隨機理論和Monte-Carlo模擬為基礎(chǔ)，研制了隨機結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)。李若堯[8]以高放廢物地下處置為研究對象，建立了確定性與隨機性相結(jié)合的結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模型，并基于圖像處理技術(shù)，編制了巖體裂隙三維網(wǎng)絡(luò)模型的生成及可視化程序。李建勇等[9]對經(jīng)典塊體理論和典型發(fā)展進行了總結(jié)，提出巖體結(jié)構(gòu)面是控制塊體穩(wěn)定性的主要因素。以上研究充分展示了三維網(wǎng)絡(luò)模擬的發(fā)展前景和巨大優(yōu)勢，其目前已成為巖體力學研究的一個重要手段，但在分析圍巖穩(wěn)定性時也多是從解析角度出發(fā)，缺乏快速簡便的分析方法。

本文選取修建于裂隙巖體中的井岡山隧道，在中風化砂巖、Ⅳ級圍巖區(qū)段進行三維重構(gòu)，精細化描述開挖面節(jié)理裂隙的發(fā)育產(chǎn)狀，并基于塊體理論探索不同支護條件下的潛在不穩(wěn)定塊體，實現(xiàn)隧道穩(wěn)定性的快

速分析。該方法相比傳統(tǒng)的有限元、離散元等方法更易被工程人員掌握，從而可以方便地借助動態(tài)反饋，輔助支護方案調(diào)整與現(xiàn)場安全管理，加快施工進程。

1 節(jié)理特征描述與圍巖三維重構(gòu)

1.1 工程概況

井岡山隧道是分離式雙洞隧道，左洞起止樁號為ZK5+180～ZK12+4，隧道長度為6 824 m； 右洞起止樁號為YK5+163～YK12+4.624，隧道長度為6 841.624 m。隧道穿越丘陵區(qū)，隧址地層主要為強風化泥質(zhì)粉砂巖，其他巖類相對較多，圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。洞內(nèi)巖體破碎，裂隙水系發(fā)育，初期支護采用工字鋼鋼拱架和錨網(wǎng)噴，二次襯砌采用C20和C25鋼筋混凝土。

1.2 基于地質(zhì)素描的節(jié)理特征參數(shù)描述

依托井岡山特長隧道，分別對不同圍巖區(qū)段開展地質(zhì)素描工作，統(tǒng)計分析節(jié)理發(fā)育特征，以節(jié)理發(fā)育規(guī)律明顯的中風化砂巖、Ⅳ級圍巖區(qū)段為例，描述節(jié)理特征參數(shù)。

圖1為井岡山隧道左線ZK5+381掌子面中心處的重繪CAD圖，綜合判定圍巖級別為Ⅳ級，若施工控制措施不當，在隧道掌子面尤其拱部易引發(fā)掉塊甚至局部小范圍坍塌等較嚴重的地質(zhì)災害。根據(jù)結(jié)構(gòu)面等密度圖獲得結(jié)構(gòu)面的分組，見表1。

圖1 隧道掌子面重繪圖

表1 節(jié)理發(fā)育特征統(tǒng)計表

1.3 裂隙巖體三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

由設(shè)計資料可知，井崗山隧道開挖斷面寬12.1 m、高9.7 m，ZK5+381斷面處埋深約70 m。建模時，向上取至地表，隧道底部向下取1倍斷面高度，自隧道中軸線向兩側(cè)各取3倍斷面寬度，故地層模型高約89.4 m，寬約72.6 m，沿隧道軸線方向取30 m長，模型如圖2所示。

圖2 地層及隧道模型

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)素描統(tǒng)計分析結(jié)果，選擇正態(tài)分布模型，在地層范圍內(nèi)通過控制走向、傾角等參數(shù)，插入優(yōu)勢節(jié)理群，參照實際工況，在開挖面附近對主要結(jié)構(gòu)面進行修飾，使之與實際工況盡量吻合，如圖3所示。

圖3 三維網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖

2 臨空面關(guān)鍵塊體檢索分析方法

2.1 赤平解析法簡介

在常見分析方法中，塊體理論主要依據(jù)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息直接判斷相應(yīng)巖體的可動性，計算結(jié)果完全是三維的且所得結(jié)果能直接用于工程需求，同時塊體理論也是非連續(xù)變形分析和數(shù)值流形方法等非連續(xù)介質(zhì)力學方法發(fā)展的基礎(chǔ)； 因此，塊體理論在巖石力學中得到了廣泛的應(yīng)用。塊體理論主要分析手段為矢量分析法、極射赤平投影圖和赤平解析法[10-12]，其中，赤平解析法尤為適合節(jié)理巖體隧道穩(wěn)定性的分析。

塊體理論赤平解析法的核心是通過幾何分析，排除所有的無限塊體和不可動塊體，再通過運動學分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失穩(wěn)塊體，然后根據(jù)滑動面的物理力學特性，確定工程開挖面上所有的關(guān)鍵塊體，并計算出所需錨固力，制訂出相應(yīng)的錨固措施，消除潛在的連鎖反應(yīng)，確保隧道安全。

2.2 塊體失穩(wěn)模式判定

可動塊體失穩(wěn)形式判斷矩陣為

D=LN。

式中L、N分別為加入開挖面后結(jié)構(gòu)面與開挖面的位置矩陣和空間參量矩陣。

根據(jù)判斷矩陣的結(jié)果對有限塊體的滑動形式進行判斷： 1)若判斷矩陣中各行元素均為0或1，表示結(jié)構(gòu)面最低點都在塊體投影區(qū)內(nèi)，塊體將垂直掉落。2)若判斷矩陣中有元素不全為0或1的行，則塊體為單面滑動。若第i行中元素都為0或1，塊體沿結(jié)構(gòu)面Pi滑移。3)若判斷矩陣都不滿足以上條件，則為雙面滑動。

2.3 塊體穩(wěn)定性判別

當塊體重力沿下滑面的分力大于塊體在該面上所受的摩擦力和黏聚力之和時，塊體下滑；反之，塊體穩(wěn)定；若二者相等，則塊體處于極限平衡狀態(tài)。因此，可以通過計算二者的比值K來分析其穩(wěn)定性。

當可動塊體直接脫落時，安全系數(shù)K=0；

當塊體沿滑動面i單面滑動時,安全系數(shù)

(1)

當塊體沿滑動面i和j雙面滑動時,安全系數(shù)

(2)

式中：Q為塊體重力；Ci、φi和Cj、φj分別為滑動面i和j上的黏聚力及內(nèi)摩擦角；Si和Sj分別為滑動面i和j的面積；αi為滑動面i的傾角；αij為滑動面i和j交線棱的傾角；Ni和Nj為作用在2個滑動面上的法向力。

2.4 塊體穩(wěn)定性分析流程

塊體穩(wěn)定性分析流程如圖4所示。

圖4 塊體穩(wěn)定性分析流程

3 隧道開挖圍巖穩(wěn)定性快速分析

基于得到的三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型，借助塊體理論，研究無支護開挖條件下圍巖穩(wěn)定性，重點分析臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)。圖5示出無支護開挖條件下塊體檢索情況。

圖5 無支護開挖條件下關(guān)鍵塊體分布

由統(tǒng)計塊體計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)受節(jié)理切割影響，隧道開挖后臨空面共出現(xiàn)754塊可動塊體，總體積為275 m3，其中關(guān)鍵塊體(安全系數(shù)不足1，紅色塊體表示)共150塊、可能失穩(wěn)塊體(安全系數(shù)不足2.4)共81塊、穩(wěn)定塊體(安全系數(shù)大于2.4)共523塊。不同安全系數(shù)的塊體體積比例如圖6所示。

圖6 不同類型塊體體積比例

檢索、列出體積較大的關(guān)鍵塊體，如圖7所示。

圖7 對施工安全影響顯著的關(guān)鍵塊體分布

Fig. 7 Distribution of key blocks affect construction safety significantly

依據(jù)失穩(wěn)類型，統(tǒng)計雙面滑動、單面滑動及垂直掉落塊體的數(shù)量并計算其所占比例，如圖8所示。其中： 單面滑動塊體多達83塊，占比為58%； 雙面滑動塊體占比為40%； 在軸向30 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了3塊垂直掉落的關(guān)鍵塊體。

圖8 不同失穩(wěn)類型塊體比例

整體上，在無支護開挖條件下，臨空面關(guān)鍵塊體主要集中在右側(cè)拱頂部位，受優(yōu)勢節(jié)理Ⅱ產(chǎn)狀影響較為明顯；兩側(cè)拱腰部位分布少量關(guān)鍵塊體，受優(yōu)勢節(jié)理Ⅰ產(chǎn)狀影響較為明顯。從施工安全角度考慮，開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護措施，特別是施作錨桿支護。

4 支護參數(shù)合理性分析及施工安全動態(tài)反饋

上述計算表明，對于節(jié)理裂隙發(fā)育的中風化砂巖、Ⅳ級圍巖區(qū)段，必須施作支護措施。后續(xù)研究依據(jù)設(shè)計方案建立計算模型，分析系統(tǒng)錨桿對關(guān)鍵塊體的維護作用，同時通過削弱支護強度考慮設(shè)計方案的合理性，用于動態(tài)指導施工過程中的方案組織。根據(jù)工程經(jīng)驗以及數(shù)值模擬，通過反分析不同強度參數(shù)下錨桿注漿前后結(jié)構(gòu)變形、受力的差異，可以認為施作錨桿支護后，節(jié)理面黏聚力提高10%。

4.1 原設(shè)計方案下圍巖穩(wěn)定性快速分析

依據(jù)設(shè)計文件，Ⅳ級圍巖段采取“超前錨桿+錨噴支護+格柵拱架+二次襯砌”支護體系，全斷面210°范圍內(nèi)布設(shè)φ22水泥砂漿錨桿，桿長3.0 m，縱向間距×環(huán)向間距為100 cm×100 cm，梅花形布設(shè)。現(xiàn)場經(jīng)錨桿拉拔試驗測得拉拔力為120 kN，由GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》計算錨桿軸向拉力和黏結(jié)力：

F拉=σ·A=335·103·π·0.0112=127 kN;

F黏=τ·π·D·l=2.4·103·π·0.022·1=150 kN。式中：σ為屈服強度，MPa；A為錨桿截面積，m2；τ為黏結(jié)強度，MPa；D為錨桿直徑，m；l為單位長度，取1 m。

參考GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》中“巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度”，結(jié)合現(xiàn)場節(jié)理產(chǎn)狀，確定結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和黏聚力，見表2。

依據(jù)上述設(shè)計參數(shù)，建立計算模型，如圖9所示。計算結(jié)果表明，按照設(shè)計方案施作支護后，關(guān)鍵塊體(紅色區(qū)域)大大減少。

表2 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度

(a) 錨桿支護體系 (b) 塊體分布

Fig. 9 Support system of anchor bolt and distribution of blocks

對比分析支護前體積較大的關(guān)鍵塊體，以關(guān)鍵塊體1和關(guān)鍵塊體2為對象，分析支護前后差異，見圖10。支護前，2塊體分別表現(xiàn)為單面滑動、雙面滑動，安全系數(shù)不足1；施作錨桿支護后，在錨桿加固作用影響下，關(guān)鍵塊體1、2的安全系數(shù)調(diào)整為6.01、9.74，安全性大幅提升，滿足施工要求。

圖10 支護前后臨空面關(guān)鍵塊體分布差異

Fig. 10 Distributional difference of key blocks in free face before and after supporting

對現(xiàn)有安全系數(shù)小于1的關(guān)鍵塊體進行分析，未出現(xiàn)雙面滑動情況，3塊為垂直掉落，5塊為單面滑動。通過分析塊體體積、重力，發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵塊體體積不足0.5 m3，對施工影響相對較小，開挖后應(yīng)及時清理這類圍巖并噴射混凝土、掛網(wǎng)，形成完整的支護體系。對現(xiàn)場施工進行跟蹤觀測，結(jié)果表明該區(qū)段在施工單位依據(jù)設(shè)計方案合理布設(shè)支護體系后，未發(fā)現(xiàn)較大掉塊或坍塌事故，驗證了支護方案及計算結(jié)果的合理性。

4.2 支護參數(shù)合理性分析及動態(tài)反饋

上述計算基于原設(shè)計方案開展，屬于“預分析”的范疇。實際施工過程中，不同區(qū)段節(jié)理裂隙產(chǎn)狀有所差異，應(yīng)合理開展超前地質(zhì)預報工作，預測前方優(yōu)勢節(jié)理分布特征，并結(jié)合掌子面揭露情況，快速構(gòu)建考慮節(jié)理裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)模型，分析特定支護參數(shù)下的圍巖穩(wěn)定性，動態(tài)反饋、指導施工方案組織，從而避免施工單位僅依據(jù)主觀經(jīng)驗自行修改支護參數(shù)，誘發(fā)施工安全事故或造成較大經(jīng)濟浪費。動態(tài)反饋流程如圖11所示。

圖11 基于三維重構(gòu)與超前預報的施工安全動態(tài)反饋

以所建模型為例，鑒于原支護方案安全、可靠，未出現(xiàn)安全事故，考慮是否允許適當削減支護強度，分析支護參數(shù)的合理性。將原設(shè)計方案的錨桿支護范圍、間距分別縮減為全斷面180°、環(huán)向1.2 m、軸向1.5 m，建立計算模型如圖12所示。

分析支護削弱后計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵塊體數(shù)量增加至13塊，總體積達到7.8 m3，其中6塊體積超過0.5 m3，對施工安全影響較大。基于分析結(jié)果進行動態(tài)反饋，在實際施工時必須嚴格按照設(shè)計方案施作錨桿支護，確保施工安全，不得擅自削弱支護強度。

圖12 錨桿支護削弱后網(wǎng)絡(luò)模型

5 結(jié)論與討論

本文依托井岡山隧道，建立了基于節(jié)理產(chǎn)狀的三維重構(gòu)模型，運用塊體理論，進行了圍巖穩(wěn)定性分析，提出了節(jié)理發(fā)育巖體隧道支護的動態(tài)反饋方法，得出以下結(jié)論。

1)基于地質(zhì)素描與數(shù)理統(tǒng)計，對節(jié)理特征進行精細化描述，實現(xiàn)了裂隙巖體三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，結(jié)合赤平投影解析理論，可動態(tài)分析不同支護方案下的圍巖穩(wěn)定性，為節(jié)理發(fā)育巖體隧道的建模與圍巖穩(wěn)定性的分析提供了新的有效手段。

2)基于三維重構(gòu)模型，采用塊體理論，分析了井岡山隧道在無支護、原支護方案下的臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)，結(jié)果表明開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護措施；通過對比不同支護方案，明確實際施工應(yīng)嚴格按照原設(shè)計方案支護，經(jīng)現(xiàn)場施工跟蹤觀測，驗證了計算結(jié)果的準確性。

由于巖體三維網(wǎng)絡(luò)模擬是以現(xiàn)場實測值為基礎(chǔ)進行的，為了提高模擬結(jié)果的精度，有必要進一步形成巖體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)。

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Fast Analysis and Dynamic Feedback of Tunnel Surrounding Rock Stability Based on 3D Reconstruction

PENG Rongrong

(JiangxiExpresswayNetworkingManagementCenter,Nanchang330036,Jiangxi,China)

The integrity and continuity of rock mass will be reduced and the stability of surrounding rock will be affected due to fissure. The construction safety can not be guaranteed in case of delayed support or inadequate strength. A fast analysis method for the stability of tunnel surrounding rock based on 3D reconstruction and block theory is put forward relying on Jinggangshan Tunnel, so as to realize dynamic feedback and provide guidance for the design and optimization of construction scheme. The 3D reconstruction model based on the feature of fissures in the section with medium weathered sandstone and Grade Ⅳ surrounding rock is established in accordance with the geological sketch and statistical analysis. And then, the key block distribution, instability mode and safety factor in free face are analyzed by block theory. Finally, the dynamic feedback method for surrounding rock stability is proposed, and the different support schemes are comparatively analyzed. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock is poor after excavation, and the corresponding supporting measures have to be taken; the anchor bolt support in original design scheme should be strictly carried out in accordance with dynamic feedback. 2) The dynamic acquisition, analysis and feedback of geological data during tunnel construction can be realized by fast analysis and dynamic feedback of surrounding rock stability based on 3D reconstruction; and in view of actual geological data, dynamic adjustment of support system and the economic benefits and safety of tunnel structure can be realized.

tunnel; characteristics of fissure; 3D reconstruction; stability of surrounding rock; fast analysis; dynamic feedback

2016-07-27;

2016-10-11

江西省交通運輸廳科技項目(2011C0061)

彭蓉蓉(1981—)，女，江西南昌人，2007 年畢業(yè)于上海財經(jīng)大學，工程經(jīng)濟專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事高速公路橋隧工程建設(shè)管理工作。E-mail： Queenie13@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.007

U 45

A

1672-741X(2017)05-0565-06