Unwedge軟件在隧洞工程施工地質中的應用研究

丁 斌

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

伴隨著經濟的發展，水電站、公路、鐵路等基礎設施工程項目日益增多，特別是水電站的建設，不可避免地需要進行地下洞室開挖。而地下洞室圍巖穩定性對施工期地下洞室開挖難易程度及其處理措施和運營期的正常運營是至關重要的。

在隧洞工程施工過程中，施工地質尤為關鍵[1]，施工地質工作是對前期地質勘察工作的補充和完善。隧洞施工地質工作是根據現場實際地質情況進行地質編錄、對隧洞圍巖進行分類并提供相關地質參數，為地下洞室系統支護設計及優化提供詳細的地質資料作為支撐；施工地質工作還可以在隧洞施工過程中進行地質預報。可見施工地質工作可以為隧洞開挖過程中設計優化及安全施工提供重要保障。

利用赤平投影方法對洞室的不穩定塊體進行定性分析已被大多數工程人員所熟悉，若想利用赤平投影對洞室的穩定性進行定量分析，目前尚無成熟的計算程序，利用赤平投影繪制投影圖計算相關參數時非常繁瑣，不易掌握[2-4]。相比之下，Unwedge軟件，界面簡潔，使用方便，可進行交互式操作，分析圍巖穩定性，功能強大[3-5]。

本文通過Unwedge軟件，對隧洞中可能存在的不穩定塊體進行分析預判，并對不穩定塊體采取相應的工程處理措施，以方便在現場施工過程中及時提出不穩定塊體可能存在的位置及其相應的支護建議，指導施工，保證施工過程中地下洞室圍巖的穩定性。

1 Unwedge軟件簡介[5]

Unwedge軟件是分析堅硬巖體中開挖后所形成塊體穩定性的軟件，可以根據多個不連續面相互組合出不同類型塊體并進行穩定性分析，可以直觀地顯示出其空間幾何形狀，此外，還可以模擬對隧洞進行混凝土噴護及對不穩定塊體施加錨桿支護，具有一定的工程應用價值。

Unwedge軟件假定結構面相切形成的塊體為四邊形，即由三組結構面和開挖臨空面組成，僅考慮塊體的重力及結構面的力學性質，而不考慮地應力作用，另外假定結構體為剛體，結構面為平面，巖體的變形僅為結構面的變形；結構面貫穿研究區域，且在保持產狀不變的情況下可任意移動；開挖斷面沿軸線方向恒定不變；每次參與組合的結構面最多為三組。Unwedge軟件會自動生成最大可能的楔形體，并計算出其安全系數。一般建議安全系數應大于1.5～2.0，其中臨時性的隧洞應大于1.5，永久性隧洞則應大于2.0。滿足不了上述要求的塊體，就應對其進行支護加固。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

尼泊爾那蘇瓦卡里(Rasuwagadhi)水電站工程位于尼泊爾中部那蘇瓦區境內的垂樹里河上，是一座徑流式電站。電站裝機容量111 MW，工程由首部樞紐、進水口、沉砂池、沖砂系統、引水隧洞、調壓井、電站廠房、尾水洞以及配套交通設施組成，其中除首部樞紐、隧洞進水口以及交通配套設施外，其余均為地下工程。

本文以該電站調壓井通風洞為例進行分析研究。調壓井通風洞位于工程區南側中山區，地面高程1790～1980 m，隧洞埋深5～155 m。

由于地形條件的限制，調壓井通風洞開口段為弧線段，開口處洞軸線走向為SW219°，經弧線段洞軸線走向轉為SW265°并進入直線段，弧線段總長26.0 m。隧洞開挖坡度為10.2%，形狀為城門洞形隧洞，隧洞底寬為4 m，頂拱半徑為2 m。

2.2 基本地質條件

該區域分布地層巖性以石英巖夾薄層片巖為主，局部呈互層狀。巖層厚度以10～30 cm為主，局部段呈薄層狀，裂隙發育—較發育，巖體完整程度為較破碎，呈弱風化狀，圍巖類別主要為Ⅲ類。地下水不發育，隧洞開挖后，洞內少見滴水現象，以干為主，部分段洞壁潮濕。巖層走向與洞軸線間交角約為70～80°，對隧洞的施工開挖非常有利。

現場隧洞施工過程中，施工地質人員通過地質巡視和地質編錄在隧洞開口段量測了123條裂隙產狀，大多數裂隙都閉合，偶有微張，大多數裂隙間無充填物，偶附微薄層泥沙，面覆銹膜，通過Dips軟件統計分析可知，通風洞區域主要發育三組裂隙，裂隙特征如表1所示。

表1 調壓井通風洞結構面幾何特征統計

2.3 赤平投影分析

將隧洞中發育的三組主要結構面進行赤平投影分析，其中結構面的穩定摩擦角取30°繪制摩擦圓。為使巖體穩定性分析更加直觀，本文中的赤平投影均采用下半球投影。

繪制的隧洞開口處及隧洞直線段的赤平投影如圖1、圖2所示，在圖中標出了所有的滑塌形式。從圖中可以看出，滑塌形式主要分為：直接墜落區G，單滑面投影區1、2、3，雙滑面投影區12、13、23。

圖1 隧洞開口處赤平投影圖

從圖1中分析可得，當隧洞走向為SW219°時，左側邊墻的不穩定體主要為單滑面切割錐g3及雙滑面切割錐g23，右側邊墻的不穩定體主要為雙滑面切割錐g12，掌子面處無不穩定塊體；從圖2中分析可得，當隧洞走向變為SW265°時，左側邊墻的不穩定體主要為單滑面切割錐g3，右側邊墻的不穩定體主要為雙滑面切割錐g12，掌子面處不穩定體主要為單滑面切割錐g1。

圖2 隧洞直線段赤平投影圖

綜上可知隨著隧洞走向發生變化，邊墻上的不穩定體g23逐漸趨于穩定，但掌子面處出現了不穩定塊體。

將隧洞頂部近似看作一個水平面，由于采用下半球投影，洞頂出露的不穩定塊體必然投影在赤平圓內，且不與赤平圓周相交，從圖1、圖2中可以看出，洞頂處的不穩定塊體為直接墜落體G，其他切割錐的投影均與赤平圓周相交，故不會在洞頂形成不穩定塊體。

水利水電工程隧洞施工過程中一般采用上述方法對隧洞圍巖的穩定性進行定性分析，并根據現場實際地質情況作出地質預報。但實際工程中，巖體的完整程度、結構面的狀態、填充物的情況、延伸長度、地下水的情況、洞室的尺寸及埋深等都對洞室圍巖的穩定性有較大的影響，赤平投影分析中均未考慮上述因素，且得到的不穩定塊體的穩定系數也不得而知，可見該方法屬于隧洞圍巖穩定性的初步分析。

2.4 Unwedge軟件分析

(1)圍巖穩定性分析

地下洞室巖體物理力學參數很難準確得到，根據現場的地質條件及相關工程經驗，綜合給出：巖石天然容重γ=26.5 kN/m3；結構面J1的抗剪強度建議值：c1=0.10 MPa，φ1=30°；結構面J2、J3的抗剪強度建議值：c2=0.10 MPa，φ2=32°。在 Unwedge中將安全系數設成1.5，當塊體的安全系數大于1.5時視為穩定，小于1.5時需注意其穩定性。

由于弧線段洞軸線走向是變化的，以洞軸線走向每間隔10°對弧線段圍巖穩定性進行分析。圖3是隧洞走向為SW265°時由結構面切割形成的鍥形體分布圖。

圖3 隧洞走向為SW265°時鍥形體分布圖

Unwedge軟件首先將各個結構面相互切割形成的鍥形體展示在隧洞模型上，并對各個塊體的穩定性進行了分析，分析結果表明出露在隧洞左右邊墻上的鍥形體安全系數均大于1.5，是穩定的。不穩定塊體出露在隧洞頂拱處，具體分析結果見表2。

表2 調壓井通風洞弧線段所切塊體分析

根據Unwedge軟件對隧洞圍巖穩定性的分析結果可知，隧洞頂拱處存在不穩定塊體，尤其是洞口處需要及時加強支護。但不穩定塊體的大小隨著隧洞掘進的方向有逐漸減小的趨勢。

(2)模擬隧洞支護設計

現利用Unwedge軟件模擬對隧洞進行初步支護設計。假定在隧洞壁上噴護一層5 cm厚的混凝土，噴漿混凝土的抗剪強度為1.2 MPa。經過模擬計算，可以得出隨著隧洞走向的變化頂拱處不穩定塊體的安全系數分別為14.93、30.82、21.62、31.77、33.71、34.11，均大于1.5。可見對隧洞進行噴射混凝土處理后，不穩定塊體的安全系數均得到了很大的提高，促使隧洞圍巖的整體性趨于穩定。

上述安全系數為理想洞壁的理論計算值，對初步支護而言，實際操作中噴混厚度較難把握，但總體而言及時噴混對圍巖穩定性的提高有明顯效果。

2.5 赤平投影與Unwedge軟件對比分析

通過上述結果對比可知：Unwedge軟件比赤平投影可視化強，利用Unwedge軟件可以清楚的看到隧洞中鍥形體分布的位置及大小；Unwedge軟件中能夠根據各個結構面的狀態設置對應的參數，并計算出各個鍥形體的安全系數，分析的結果更具可靠性；Unwedge軟件能夠模擬噴混及錨桿支護，并計算出支護后結構面的穩定系數，根據結構面穩定系數的變化可為臨時支護指導建議。

Unwedge軟件的不足之處為只能模擬開挖方向是一條直線的隧洞，并不能真實整體的模擬軸線變化的隧洞，但可以采用上述分析方法，根據隧洞軸向的變化，多次分析，并綜合現場實際地質情況，作出最終結論。

2.6 施工地質建議

現場施工地質工作主要為爆破后對隧洞內地質情況進行及時的編錄，對可能存在的地質風險進行預判，并提出解決方案及預防措施。保證隧洞施工的安全。

根據Unwedge軟件的分析，現場施工地質人員可提出如下建議：隧洞開挖過程中，頂拱處存在不穩定塊體，需及時噴一層厚5 cm的混凝土，并根據需要局部打一些隨機錨桿。弧線段成洞性較差，爆破效果不如直線段，且在裂隙切割及爆破作用下，存在較多危石，尤其是掌子面上部的危巖體將嚴重威脅到施工作業人員的人身安全，需要在進行下一道工序前及時機械排險，清除危石，以保證施工環境的絕對安全。

2.7 施工開挖情況

通風洞開挖后，由于裂隙相互切割，隧洞頂拱處超挖現象明顯，成洞性差。該情況與Unwedge軟件分析的結果一致。(見圖4)

圖4 通風洞實際開挖情況

隧洞開挖后為保證穩定性，對隧洞進行了混凝土噴護。噴護后的隧洞可在長時間內達到自穩。這也驗證了Unwedge軟件模擬支護設計的可靠性。

由于巖土參數是根據經驗取用的，和實際值有一定差異。可通過軟件模擬后再結合實際開挖情況進行修正。

3 結語

(1)施工地質在隧洞施工過程中至關重要，通過隧洞開挖的第一手資料，在隧洞開挖過程中給施工方提供地質建議，指導施工，并給設計人員提供隧洞準確的地質資料，從而對隧洞永久支護進行優化設計。

(2)利用赤平投影可以對隧洞中不穩定塊體進行定性分析，按照理論研究，也可得出定量的計算結果，但計算和作圖過程非常繁瑣，目前也無成熟的計算軟件，且赤平投影無法考慮影響圍巖穩定性的諸多因素，很難運用到實際工程中。

(3)Unwedge軟件具有很強的可視化效果，能夠真實地模擬各個結構面的狀態，可以定量地計算出不穩定塊體的安全系數，還可以模擬各種支護形式對不穩定塊體的作用。在現場施工地質過程中可以以此為參考，并綜合現場具體情況，提出地質方面的建議，保證施工過程中地下洞室的安全穩定。

(4)Unwedge軟件對洞室圍巖進行穩定性分析時，假設整個洞室的圍巖結構面參數是不變的，而洞室隨著開挖的進行，圍巖情況的變化可能很大，這就需要在現場施工過程中，地質人員根據洞室內地質情況的變化，對軟件中一些計算參數做出相應的調整，從而才能更準確地進行分析預判。