某大型地下泵房圍巖塊體組合模式分析

張海平 王家祥 王朋 龔成 李銀泉

文章編號：1672-5603（2018）02-074-6

摘 要 大型地下洞室在施工過程中，圍巖穩定問題是最主要的工程地質問題之一，以裂隙硬質巖體為主的洞室工程，圍巖穩定問題中以塊體穩定問題最為典型，塊體組合模式更是此類問題分析的關鍵所在。本文選取滇中引水工程石鼓水源地下泵房為研究題材，主要通過地表測繪及鉆孔揭露結構面發育特征等，結合關鍵塊體理論及立體幾何學基本理論，從塊體空間幾何構成結合變形破壞方式，初步歸納出地下泵房部位塊體模式主要有：①滑塌失穩；②坍頂、掉塊兩種基本破壞模式，以及單滑面型楔體、雙滑面型楔體、正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄版型等5種典型的基本單體和組合塊體模型。從宏觀上對泵房區塊體組合進行了初步預判，為圍巖穩定綜合評價奠定了基礎，可為其它工程相類似的裂隙硬質巖體洞室塊體組合分析提供參考意義。

關鍵詞 大型地下洞室；圍巖穩定；裂隙硬質巖體；塊體組合模式

中圖分類號：P642 文獻標識碼：A

The Analysis of Block Combination Model of Surrounding Rock of a Large Underground Pump House

Zhang Haiping， Wang Jiaxiang， Wang Peng， Gong Cheng， Li Yinquan

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.Ltd.（Wuhan）， Wuhan Hubei 430074）

Abstract： In the process of construction of large underground cavern， surrounding rock stability is one of the major engineering geological problem in fissure cavern engineering， hard rock based on block stability problems， the most typical in the stability of surrounding rock， block combination model is the key to this kind of problem analysis. This paper selects the Shigu water diversion project in Yunnan underground pumping station as the research subject， mainly through the surface mapping and drilling structural surface development characteristics， combined with the basic theory of key block theory and solid geometry， from the composition of block space geometry with deformation and failure modes， summarizes parts of underground pumping station block pattern mainly has： the slump the collapse of roof instability； and block out two basic failure modes， and a single slip surface type wedge， wedge type double surface， cone wedge， oblique cone wedge and slow section thin version type 5 kinds of typical basic monomer and combination block model. The preliminary prediction of the block combination in the pump room is made from macroscopic view， which lays the foundation for the comprehensive evaluation of the surrounding rock stability. It can provide a reference for other engineering similar fractured hard rock cavern block combination analysis.

Keywords： large underground cavern； surrounding rock stability； fractured hard rock mass； block combination model

1概述

大型地下洞室在施工過程中，洞室圍巖穩定問題是最主要的工程地質問題之一，以裂隙硬質巖體為主的洞室工程[1-3]，圍巖穩定問題中以塊體穩定問題最為典型，塊體組合模式更是圍巖穩定問題分析的關鍵所在[4-5]。洞室因其特定的幾何邊界和應力場條件[6-8]，塊體的構成及破壞具有一定的特殊性[9-10]。近年來，對于裂隙巖體大型洞室塊體的研究，主要集中在勘察期對隨機塊體的規模、埋藏深度等一般規律及對施工期揭露的某些確定性塊體的穩定性分析上[11]，有些專著及文獻[12-15]對塊體分析主要是運用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，重點從塊體基本組合、可動性判別及變形破壞力學機理等方面進行論述。

本文以滇中引水工程為依托，選取該工程石鼓水源地下泵房為研究題材，在泵房區勘探平硐尚未完成情況下，主要通過系統搜集整理地表測繪及泵房區鉆孔揭露的巖體結構面發育特征等資料，通過全面分析優勢結構面發育特征及與主泵房洞室位置關系，運用立體幾何學基本理論，從塊體三維空間構成結合變形破壞方式對塊體模式進行歸納，同時對各類型塊體主要發育部位進行了較準確界定，為主泵房圍巖穩定綜合評價奠定了基礎，也為同類地下工程（以裂隙硬質巖體為主）的洞室塊體組合分析可提供一定借鑒意義。

2 主泵房工程地質概況

滇中引水工程石鼓水源位于“萬里長江第一灣”云南省麗江市玉龍縣石鼓鎮，為無壩取水，采用地下一級泵站提取金沙江水，地下泵站主泵房布置于金沙江右岸一級支流沖江河右岸山體中（圖1），泵房長軸方位角71°，開挖尺寸為217×23.4×48 m（長×寬×高），洞室埋深274～374 m，圍巖主要為泥盆系中統窮錯組第一段（D2q1）灰巖、大理巖夾片巖，微溶蝕風化為主，巖質較堅硬～堅硬，泵房區位于石鼓復向斜北西翼，巖層產狀總體為78°～110°∠22°～75°，區內構造主要呈北北東～近南北向，勘察資料統計泵房區發育的優勢裂隙主要有以下幾組：第①組280°～290°∠68°～75°；第②組330°～345°∠66°～70°；第③組35°～40°∠63°～65°；第④組78°～110°∠60°～80°（層面）；其中：相對發育的NEE向裂隙（第②組）與泵房長軸向（71°）呈小角度（4°～11°）相交，對圍巖局部穩定不利。三組結構面及層面與主泵房洞軸線相互關系見（圖2、3）。

3 主泵房塊體組合模式分析

根據主泵房區優勢結構面與洞室分布關系組合分析，4組優勢結構面在主泵房下游邊墻、右側端墻部位易構成潛在不穩定塊體，頂拱部位可能形成正錐型、斜錐型楔體及單緩切面薄板型塊體。楔形塊體類型及失穩方式主要有下游邊墻部位的雙滑面滑塌失穩、單滑面滑塌失穩，以及頂拱薄板狀掉塊或坍頂失穩，主泵房主要塊體模式類型及基本特征見表1，具體組合特征分析如下：

（1）下游邊墻塊體組合模式分析

1） 雙滑面型組合楔體：主要由兩組與洞向呈斜交對傾、交棱線傾向洞內底端在邊墻出露臨空的結構面構成雙滑面楔形體邊界（面1、面2），中緩傾角結構面為頂界控制拉裂面（面3），此類塊體在下游邊墻組合較多。各結構面產狀分別如下：面1（面ABD）：優勢裂隙①280°～290°∠68°～75°或優勢裂隙②330°～345°∠66°～70°；面2（面BCD）：優勢裂隙③35°～40°∠63°～65°；面3（面ACD）：340°∠30°，此類塊體一般組合模式及失穩破壞模式見圖4～圖6。

2） 單滑面型組合楔體：主要由平行或近平行洞向中陡傾角面作為控制滑面，在邊墻出露臨空，兩側與洞向呈大角度相交結構面構成側緣切割，此類塊體主要分布于下游側邊墻。各結構面產狀分別如下：側緣邊界面1為優勢裂隙①280°～290°∠68°～75°：側緣邊界面2為優勢裂隙③35°～40°∠63°～65°；底部控制性滑動面為優勢裂隙②330°～345°∠66°～70°；頂部控制性面產狀：340°∠30°，此類塊體一般組合模式及失穩破壞模式見圖7～圖8。

（2） 右側端墻塊體組合模式分析

根據該部位巖體結構面發育情況及與泵房洞室空間關系，右側端墻部位主要存在雙滑面型楔體組合，此類塊體主要由兩組與洞向呈斜交對傾、交棱線傾向洞內底端在邊墻出露臨空的結構面構成雙滑面楔形體邊界（面1、面2），中緩傾角結構面為頂界控制拉裂面（面3：340°∠30°），此類塊體一般組合模式及失穩破壞模式見圖9～圖10。

（3）頂拱部位塊體組合模式分析

頂拱部位主要有正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄板型等三種，正錐型楔體主要由平行（近平行）洞向的兩條反傾結構面與垂直（近垂直）洞向的兩條反傾結構面共4面組合呈“人”字錐體狀切割，多為NWW組與SEE組裂隙切割；斜錐型楔體組成結構面走向與正錐型楔體類似，其中至少有1組結構面傾向基本相同，僅傾角不同而在洞頂附近呈“入”字型相交切割洞頂巖體；單緩切片薄板型主要受控于左側安裝場一帶發育的緩傾角優勢結構面：340°∠30°，該結構面為主要切割面，在洞頂形成薄板狀切割，失穩方式為掉塊、坍頂，頂拱部位正錐型、斜錐型楔體及單緩切片薄板型塊體組合模式見圖11。

4 結論

本文通過系統分析、統計泵房區巖體優勢結構面（地質測繪及鉆孔彩色電視解譯等）等勘察資料，查明泵房部位未發育較大規模斷層（無Ⅰ、Ⅱ級結構面），主泵房無斷層級組合切割的定位塊體，以優勢裂隙及洞室臨空面組合而成的隨機塊體為主，通過主泵房部位巖體優勢結構面與洞室關系組合分析，歸納了地下泵房部位塊體模式主要有：①滑塌失穩；②坍頂、掉塊三種基本破壞模式，以及單滑面型楔體、雙滑面型楔體、正錐型楔體、斜錐型楔體及單緩切面薄版型等5種典型的基本單體和組合塊體模型，并對上述塊體組合在主泵房的主要發育部位（下游邊墻、右側端墻、頂拱等）進行了較準確定位，為泵房的圍巖穩定綜合評價奠定了基礎，同時，本文也可為同類地下工程（以裂隙硬質巖體為主）的洞室塊體組合分析提供一定參考意義。

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