地下洞室塊體穩定安全標準及其應用的研究

石廣斌，王明疆，趙靖偉

(1.西安建筑科技大學，西安 710054；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下洞室工程在水電水利工程、礦業工程、交通工程、能源工程等領域是普遍存在的，如水電水利工程中的地下發電廠房，礦業工程中的破碎洞室，交通工程中的大跨度隧道，能源工程中的地下石油儲備庫等。地下洞室在開挖過程中，圍巖會涉及到開挖卸荷穩定問題。圍巖的破壞受巖性、巖體結構、地應力等多種因素的綜合影響，所表現出的破壞模式也多種多樣，其中由巖體結構面與洞室開挖面形成的塊體穩定一直是地下洞室施工過程需要關注的重點問題[1-9]。

塊體理論起源于20世紀70年代的四川白龍江上碧口水電站調壓井[9-10]，它在巖石工程中取得了非常大的成功，特別是在當代的中國[11-14]。盡管塊體理論在大型地下洞室圍巖穩定和巖質邊坡穩定分析中已得到廣泛應用，其分析方法已基本完善，如塊體切割、赤平投影、矢量分析法、非連續變形法等[15]，但國內外對塊體的穩定評價還沒有一個系統的安全標準。從已查閱到的文獻來看，如中國的《地下廠房設計導則》和美國陸軍師團編制的 《巖體隧洞和豎井設計》等對地下洞室塊體穩定計算的安全系數取值有一個粗略的范圍，不象DL/T 5353-2006《水電邊坡工程設計規范》和GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術規范》等按建筑物等級、計算方法、計算工況等對穩定安全系數取值有一個系統的規定。不同的安全評價標準，其計算出圍巖錨固量的差異是較明顯的；地應力考慮與否，怎么取值，對計算塊體錨固設計措施量的影響也是比較大的[5-6]。這些因素都給用此理論做圍巖穩定分析評價和錨固設計帶來不少困難。筆者曾多次參加地下洞室圍巖分析專題研討會，與會的專家呼吁在這方面應該有一個系統的評價標準。為了解決大型地下洞室圍巖塊體穩定分析有一個合適的安全評價標準問題，課題組結合實際工程，開展了一系列的專題研究，如工程規范規定安全系數值和已建工程塊體穩定分析采用安全系數值的統計與分析、塊體類別及其穩定性分析工況的研究和塊體安全系數的影響因素分析等。通過專題研究成果，提出了一個系統的地下洞室塊體穩定安全標準，并以拉西瓦大型地下發電洞室工程為依托，進行基礎性的研究，驗證其合理性，并成功地應用于功果橋、魯地拉、固滴等地下發電洞室工程。

1 安全系數統計與分析

1.1 塊體穩定評價方法的選擇

目前評價建筑物的抗滑穩定主要有2種方法：一種是安全系數法，如GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術規范》、DL/T 5353-2006《水電邊坡工程設計規范》等對邊坡的穩定采用安全系數；另外一種就是可靠度法，說是可靠度，其實是以概率理論為基礎的極限狀態設計法，以可靠度指標度量建筑物可靠度，采用分項系數的設計表達式進行設計，如DL/T 5176-2003《水電工程預應力錨固設計規范》、DL5073-2000《水工建筑物抗震設計規范 》等。

自20世紀50年代以來，可靠度理論得到很大的發展，并在工程分析中得到廣泛應用。水利水電工程結構設計中，已將可靠度設計納入國家標準。近10多年可靠度理論應用于塊體穩定性分析中也有一些研究，從近年來發表出現的一些文獻來看，主要特點是：研究工作主要集中在考慮結構面抗剪強度參數隨機分布的可靠度分析，也進行了塊體大小的隨機分布研究，以及不同大小的塊體出現概率分析。結構面幾何特征與力學強度均表現為隨機分布的特點[16]，如結構面產狀、長度、間距等，以及摩擦系數、黏聚力等參數，因此塊體的大小、形態(同一種類型的塊體，如結構面產狀隨機變化時，其形態不一樣)等表現出隨機分布特點；同時，結構面抗剪強度參數隨機變化時，塊體的穩定性也將表現出隨機變化的特點，理論上不是確定性的安全系數。20世紀70年代，Mcmahou就倡導 “用破壞概率取代安全系數作為邊坡穩定性指標”；陳祖煜等在《巖質邊坡穩定分析--原理.方法.程序》中也談到“邊坡安全風險標準”和“可靠度分析及評價標準”[17]；何滿潮等建立“塊狀巖體的穩定可靠性分析模型”[18]；趙文、孫樹林等對關鍵塊體進行了概率和可靠度分析[19-20]。但是，目前可靠度法在巖質邊坡、地下洞室工程中應用還很不成熟，巖土參數隨機性和差異性，給這種方法能在工程設計上廣泛應用帶來很大困難，并且長期以來，工程界廣泛使用安全系數指標來評價邊坡建筑物抗滑穩定性。因此，本課題研究塊體穩定的評價標準仍然采用安全系數法。

1.2 安全系數值分布分析

課題組查閱中國的水電水利工程、鐵路工程、公路工程、礦業工程等20多種設計規范對邊坡滑動安全系數取值的規定，日本的《VSL錨固工法設計施工規范》和香港地區對邊坡抗滑穩定安全系數取值的規定，中國的《地下廠房設計導則》和美國陸軍師團編制的 《巖體隧洞和豎井設計》等對塊體穩定計算安全系數取值的范圍要求等，另外還調查了100多個已建邊坡工程抗滑穩定以及地下洞室工程和邊坡工程塊體穩定評價所采用的安全系數值。經過詳細的統計和分析，得出安全系數的規定主要涉及到以下4要素：

(1) 工程的等級即重要性。如《水電邊坡工程設計規范》，同一荷載工況，工程的等級不同，邊坡穩定安全系數值也不同，對持久工況，工程的等級為Ⅰ級，安全系數值為1.30～1.25；Ⅱ級的安全系數值為1.25～1.15；Ⅲ級的安全系數值為1.15～1.05。

(2) 荷載組合或運行狀況。如DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，不同的荷載組合，邊坡穩定安全系數是不同的，邊坡級別為Ⅰ級的，基本組合(正常運用) 安全系數為1.30～1.25；特殊組合Ⅰ(非常運用)的安全系數值為1.20～1.15；特殊組合Ⅱ(非常運用)的安全系數值為1.10～1.05。

(3) 計算方法。如GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術規范》和JTGD30-2004《公路路基設計規范》均有類似的規定。GB 50330-2002對一級邊坡采用平面滑動法和折線滑動法，安全系數值為1.35；采用圓弧滑動法的安全系數值為1.30。

(4) 力學參數。如JTGD30-2004《公路路基設計規范》對計算采用的地基平均固結度及強度指標不同，安全系數也不同，同樣是簡化Bishop法，地基土采用直剪的固結快剪或三軸剪的固結不排水剪指標的安全系數為1.20；按實際固結度，采用直剪的固結快剪或三軸剪的固結不排水剪指標的安全系數為1.40。

規范規定的邊坡和建筑物的安全系數值小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程絕大多數巖質邊坡安全系數值小于等于1.3。已建工程設計采用的塊體穩定允許安全系數值小于等于1.3，占62%；安全系數值大于1.5的只占18%。

2 塊體安全級別

GB 50153-2008《工程結構可靠性設計統一標準》對工程結構安全等級有如下的規定：工程結構設計時，應根據結構破壞可能產生的后果(如危及人的生命、造成經濟損失、對社會或環境產生影響等)的嚴重性，采用不同的安全等級。工程結構安全等級的劃分應符合表1的規定。

表1 工程結構的安全等級表

同樣，《水利水電工程結構可靠性設計統一標準》根據水工建筑物的重要性及其破壞可能產生的后果的嚴重性，把水工建筑物安全級別的劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。《水電水利工程邊坡設計規范》按其所屬樞紐工程等級、建筑物級別、邊坡所處位置、邊坡重要性和失事后的危害程度，把邊坡安全級別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。

在大型地下洞室圍巖中，塊體所處的位置不同，其安全風險是不同的，失穩所造成的危害性、后果顯然也是不一樣的。對于大型地下發電洞室頂拱圍巖中的塊體一般離發電層樓板高度在 20.0～30.0 m，破壞后的沖擊力和破壞力明顯要大于邊墻上的塊體。因此，根據地下洞室混凝土結構布置以及塊體失穩后沖擊力和破壞力，可將圍巖中的塊體分成4個區域，如圖1。A區為洞室的頂拱部位，塊體失穩后沖擊力和破壞力最大；B區為洞室的高邊墻且無框架混凝土結構；C區為洞室的高邊墻且后期有框架混凝土結構；D區為洞室的高邊墻且后期有大體積混凝土。塊體所處的位置區以滑出口為基準。塊體的安全等級劃分見表2。

表2 塊體的安全等級表

圖1 塊體分區示意圖

3 地應力量值取值原則

3.1 地應力對塊體穩定的影響

圖2是拉西瓦水電站廠房頂拱21號定位塊體示意圖，21號定位塊體的失穩模式為單面滑動，滑動面為節理L35組[21]，穩定分析結果見表3。

從表3中可以清楚看出，地應力對塊體穩定安全系數計算值的影響是非常明顯的，地應力取得途徑不同，同樣也明顯影響塊體穩定安全系數計算值。

圖2 21號塊體三維示意圖

自重/kN摩擦系數凝聚力/MPa錨固力/kN法向地應力σn/MPa切向地應力τn/MPa安全系數K備注74100.600.05 0.77 74100.600.054000 1.37 74100.600.05400011.80-1.8074.64由實測地應力換算σn74100.600.0540001.740.2014.46由自重地應力換算σn74100.600.0540003.000.1042.1由數值計算應力換算σn

3.2 地應力量值取值原則

文獻[6]給出地下洞室開挖前后的圍巖應力變化是非常明顯的,開挖前圍巖第1主應力為25.0 MPa左右，開挖后洞壁附近圍巖的第1主應力變為0.0～10.0 MPa左右。本課題組結合地下洞室開挖現場觀察和計算分析認為，在塊體穩定分析中，要準確計入應力是很難的，這主要是巖體本身復雜性所造成的。通常塊體穩定分析所采用的地應力可來源于3個方面：一是由巖體初始應力場，用數值方法模擬洞室開挖建造過程所得到的塊體周圍的應力場；二是在洞室開挖建造過程中，用監測圍巖變形來反演洞室開挖建造過程中的圍巖應力；三是在洞室開挖過程中，用測量的措施得到應力。其中第3種方法一般不會實施，原因是成本太高，也不能做到事前預估計；第2種方法的主要困難是在洞室開挖之前，監測儀器很難事先埋置；因此，最常用的還是第1種方法。筆者認為把前2種方法相互結合使用是比較理想的，既做到事前估計，又做到應力取值的復核和準確度的提高。

地下洞室在開挖卸荷的過程中，圍巖在離洞壁一定范圍內可能產生松弛，結構面張開(見圖3)，圍巖淺層塊體會發生爆破過后，短時間內會發生失穩。

圖3 圍巖破壞圖

通過現場觀察、數值分析等綜合考慮，提出塊體接觸面上地應力取值原則是：塊體結構面地應力的取值要以初始地應力為基礎，并通過數值分析、圍巖松弛范圍分析等綜合分析確定；圍巖松動區范圍以內的結構面上法向應力應取為0，以外的上限值不得高于巖體自重應力的30%；切向應力若為阻滑力，則取為0；若為滑動力，則按實際值取值。

4 塊體安全評價標準

大型地下洞室圍巖破壞主要受2個方面的控制：一是巖體結構面；另一個是地應力。巖體結構面與洞室開挖面相互組合切割會在巖壁上形成若干個塊體，這些塊體有的是穩定的，有的是不穩定的，不穩定就需要支護，而支護就需要一個評價標準，即塊體的安全系數達到什么樣的數值才算滿足穩定要求，低了會存在安全隱患，過高了又會增加工程投資，造成不必要的浪費。課題組通過工程設計規范和工程實例的安全系數統計與分析，并結合塊體穩定在大型地下洞室中的重要性以及塊體本身特性和影響地下洞室塊體穩定因素等，提出一個合理可行塊體安全評價標準，見表4、5。表4的塊體安全系數不考慮地應力，表5的塊體安全系數考慮地應力。

在這里還要鄭重說明一下：考慮地應力下的大型地下洞室圍巖塊體穩定分析時，除滿足表5中相應的安全系數外，還要滿足在不考慮地應力情況下，持久狀況的塊體的安全系數不能小于1.10。為什么要附加這個條件，主要是考慮到地應力分布的復雜性和地下洞室塊體失穩的后果性。

表4 不考慮地應力下的塊體穩定全系數表

表5 考慮地應力下的塊體穩定安全系數表

5 案例分析

功果橋水電站于2009年開工建設，地下廠房開挖尺寸為175 m×27.4 m×74.45 m(L×B×H)，主變洞尺寸134.8 m×16.5 m×46.6 m，尾水調壓室130 m×25 m×67 m。電站工程規模為Ⅱ等大(2)型工程，課題組根據地下廠房開挖地質編錄圖，按本課題研究提出的塊體安全評價體系，用塊體理論對地下廠房上下游邊墻和頂拱的局部關鍵塊體進行了詳細的分析。本次共計算廠房主要塊體30塊，其中上游邊墻有7塊、頂拱有16塊、下游邊墻有7塊。地下洞室建筑物等級為2級，計算時不考慮地應力，因此計算塊體的允許安全系數取值按表4中的地下洞室級別Ⅱ級取。表6是地下廠房墻B區的定位塊體的計算結果，塊體B06屬于淺部塊體，計算時不考慮凝聚力。

表6 塊體B06穩定分析及錨固設計表

通過塊體穩定的系統計算分析，得到的結果表明：功果橋水電站地下廠房大部分關鍵塊體在自然狀態下或在系統錨固措施下的安全系數能夠滿足要求，只有個別塊體需要增加隨機或局部加強錨固措施。在確保工程施工安全的同時，對圍巖的支護措施進行了科學的、可行的優化。地下洞室在施工期階段和運行期均沒有發生局部圍巖跨塌事件或二次局部補強事件(功果橋水電站已于2011年11月9日首臺機組正式投產發電)，得到了現場建設方的認可。這些都說明了，本課題提出的塊體安全評價體系是合適的。

6 結 語

(1) 安全系數的確定主要涉及到工程的等級、荷載組合或運用狀況、計算方法、力學參數等四要素；規范規定的邊坡和建筑物的安全系數小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程絕大多數巖質邊坡安全系數小于等于1.3；具體工程設計采用的塊體穩定允許安全系數小于等于1.3，占62%；安全系數大于1.5的只占18%。

(2) 根據地下洞室混凝土結構布置以及塊體失穩后沖擊力和破壞力，將圍巖中的塊體分成3個安全等級。

(3) 地應力對塊體穩定影響非常明顯，可以使塊體穩定安全系數提高到10～20倍，頂拱圍巖受地應力作用會產生明顯的拱效應和夾制作用；塊體結構面的地應力取值要以初始地應力為基礎，并通過數值分析、圍巖松弛范圍分析等綜合分析確定；圍巖松動區范圍以內的結構面上法向應力應取為0，以外的上限值不得高于巖體自重應力的30%；切向應力若為阻滑力，則取為0；若為滑動力，則按實際值取值。

(4) 通過工程設計規范和工程實例的安全系數統計與分析，并結合塊體穩定在大型地下洞室中的重要性以及塊體本身特性等，提出了一套系統塊體安全評價標準，并通過具體工程案例分析論證了該評價體系是合適的。對規范在此方面的修訂具有重要的參考價值(本文成果已得到中國電建集團專家組的審查和認可)。