塊體理論在某地下洞庫圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

徐大寶

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

在地下開挖過程中，由于巖體被結(jié)構(gòu)面切割成大小不同、形狀不一的各種巖塊，在自然狀態(tài)下，這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)[1]。當(dāng)進行隧道開挖時，使暴露在臨空面上某些塊體失去原始的靜力平衡狀態(tài)，因而造成某些塊體首先沿著結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn)，進而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成整個隧道圍巖的破壞[2]。在巖體結(jié)構(gòu)的研究中，各類結(jié)構(gòu)面的分布情況、表面特征、連續(xù)性、密度、結(jié)構(gòu)面之間的接觸關(guān)系及其的空間組合形式為主要的研究內(nèi)容，其中結(jié)構(gòu)面之間的空間組合形式為最重要的研究內(nèi)容。

由R. E. Goodman 與G. H. Shif 提出的塊體理論[3]，是近年來發(fā)展和完善起來的一種適合于工程巖體穩(wěn)定性分析的有效方法。該理論提出后受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，劉錦華和呂祖珩最早將塊體理論介紹到中國，其對塊體理論的基本原理和分析方法及在巖體工程中的應(yīng)用進行了系統(tǒng)、全面的介紹[4]。王思敬等應(yīng)用矢量分析法對地下工程圍巖塊體進行分析[5]。張子新等將赤平投影圖解析化，提出了赤平投影解析法[6] [7]。張奇華進行塊體理論軟件開發(fā)，并應(yīng)用于工程[8]。塊體理論在發(fā)展過程中，在三峽等許多重大工程中都得到了推廣應(yīng)用。本文利用塊體理論這一原理分析評價該地下洞室圍巖的破壞機制，從而進行洞室圍巖的穩(wěn)定性評價。進行關(guān)鍵塊體的搜索計算并判斷其穩(wěn)定性，進而為施工支護提供依據(jù)，并使洞庫在開挖前能采取相應(yīng)防治措施，達到提前預(yù)報的目的。

2. 工程實例

2.1. 工程概況及地質(zhì)背景

某地下水封洞庫設(shè)計庫容300 × 104m3，共設(shè)有8 條斷面，跨度為19 m (寬) × 24 m (高)，長934 m的儲油洞室，每兩個相鄰洞室設(shè)為一個洞罐，共分為4 個罐，每組洞罐的2 條儲油洞室之間通過連接巷道互相連通。截面形狀為直墻圓拱形，洞室軸線走向為東西方向。

儲油洞室圍巖巖性主要為微、未風(fēng)化花崗巖，巖性較為單一，局部見輝綠巖、細晶巖、角閃閃長玢巖等巖脈，場區(qū)無區(qū)域斷裂和活動性斷層分布，地殼穩(wěn)定，局部發(fā)育有小斷層和節(jié)理密集帶，場區(qū)地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水。

2.2. 結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

根據(jù)洞室開挖地質(zhì)素描可知，場區(qū)主要存在三組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為① 275?∠30?、② 140?∠85?、③240?∠85?，其中以前兩組最為常見，節(jié)理張開度一般小于1 mm，節(jié)理面多平直、平滑。

① 275?∠30?，傾角較緩，在場區(qū)分布較為普遍，節(jié)理間距一般大于2 m，部分地段改組節(jié)理較密，節(jié)理面多平直、不規(guī)則或平滑，張開度一般小于1 mm，無充填，部分段改組節(jié)理張開度可達5～20 mm，粘土質(zhì)成分或風(fēng)化花崗巖碎塊充填。場區(qū)大多數(shù)巖脈產(chǎn)狀與該組節(jié)理相同。

② 140?∠85?，該組節(jié)理陡直展布，在場區(qū)分布最為普遍，節(jié)理間距一般大于1 m，部分地段改組節(jié)理較密，節(jié)理面多平直、平滑狀，張開度一般小于1 mm，無充填，部分段改組節(jié)理張開度可達5～20 mm，可見綠泥石或風(fēng)化花崗巖碎塊充填。該組節(jié)理透水性相對較好，水幕巷道中多數(shù)出水點與該組節(jié)理有關(guān)，深層風(fēng)化也多沿該組節(jié)理發(fā)育。場區(qū)大多數(shù)熱液蝕變帶和小型破碎帶產(chǎn)狀與該組節(jié)理相同。

③ 240?∠70?，該組節(jié)理在場區(qū)分布不如前兩組普遍，節(jié)理間距一般大于1 m，局部地段改組節(jié)理較密，節(jié)理面多平直、平滑狀，張開度一般小于1 mm，無充填，局部可見粘土或風(fēng)化花崗巖碎塊充填。場區(qū)只有少數(shù)巖脈、熱液蝕變帶和小型破碎帶產(chǎn)狀與該組節(jié)理相同。

2.3. 關(guān)鍵塊體軟件分析計算

2.3.1. Unwedge 程序簡介

Unwedge 軟件是E. HOEK 等人基于石根華塊體理論編制的地下洞室塊體穩(wěn)定性分析Unwedge 程序[9]。該程序是一種分析在堅硬巖體中開挖形成的塊體穩(wěn)定性的應(yīng)用分析軟件。它假定結(jié)構(gòu)面相切的塊體為四邊形，即由三組結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面組成，它僅考慮塊體的重力及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，并假定結(jié)構(gòu)面為平面，巖體的變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形，結(jié)構(gòu)體為剛體，結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下任意移動，開挖斷面沿軸向方向保持不變。

2.3.2. 關(guān)鍵塊體軟件分析計算

本文利用塊體數(shù)值模擬軟件Unwedge 作為分析計算工具，對某地下儲備庫儲油洞室的圍巖塊體進行數(shù)值模擬，對儲油洞室的圍巖穩(wěn)定性系數(shù)進行計算根據(jù)施工勘察地質(zhì)素描調(diào)查資料顯示，該場區(qū)洞室圍巖主要發(fā)育有三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，其主要參數(shù)見表1，輸入Unwedge 軟件結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)，得到可移動塊體相關(guān)計算結(jié)果見表2 及可移動塊體分布結(jié)果見圖1。

Table 1. Parameters of main structural planes表1. 主要結(jié)構(gòu)面參數(shù)表

Table 2. Calculation results of movable blocks表2. 可移動塊體計算結(jié)果

Figure 1. Distribution of movable blocks圖1. 可移動塊體分布圖

通過對計算結(jié)果進行分析，并結(jié)合可移動塊分析圖的相關(guān)內(nèi)容可以看出，2 號塊體以及4 號塊體均為穩(wěn)定塊體，其中4 號塊體穩(wěn)定性弱于2 號塊體，5 號、7 號以及8 號塊體的穩(wěn)定性系數(shù)依次為1.876、1.457，0，由于地下儲油洞室的施工過程中，圍巖塊體會受到工程爆破等人類工程活動的擾動，且擾動程度較為劇烈，加之地下儲油洞室對于塊體穩(wěn)定性有較高的要求，因此為確保在服役周期內(nèi)洞室的安全性，要求儲油洞室圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)需大于2.0，因此應(yīng)該采取支護措施對穩(wěn)定性系數(shù)小于2.0 的儲油洞室圍巖塊體進行加固。

2.3.3. 支護設(shè)計

受結(jié)構(gòu)面切割形成的可移動塊體，針對其發(fā)育的部位以及穩(wěn)定性系數(shù)而采用不同強度的錨噴支護設(shè)計，相關(guān)支護參數(shù)見表3，支護效果圖及支護前后穩(wěn)定性系數(shù)變化分別見圖2、表4。

Table 3. Spray anchor support parameter design表3. 噴錨支持參數(shù)設(shè)計

Figure 2. Three-dimensional view of spray anchor support圖2. 噴錨支護立體圖

Table 4. Changes of stability coefficient before and after support表4. 支護前后穩(wěn)定性系數(shù)變化表

通過比較支護前以及支護后圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)可以看出，在采取支護措施后，洞室圍巖塊體的穩(wěn)定性系數(shù)顯著提高。其中，對僅采取錨桿支護作為支護措施的圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)進行分析可以看出，5 號、7 號及8 號塊體在支護后，穩(wěn)定性系數(shù)均滿足工程要求，但其中5 號、7 號塊體的穩(wěn)定性系數(shù)仍低于8 號塊體；為進一步提高圍巖穩(wěn)定性，本文進一步計算了采取噴錨支護后圍巖塊體的穩(wěn)定性系數(shù)，計算得出7 號及8 號塊體的穩(wěn)定性系數(shù)依次由2.390、3.687 提高到4.268、22.203。通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，采取噴錨支護可以顯著提高洞室圍巖的穩(wěn)定性系數(shù)，考慮到噴錨支護具有工藝簡單，施工快速的優(yōu)點，因此在施工過推薦采用噴錨作為圍巖支護手段，可以對穩(wěn)定圍巖起到明顯而積極效果。

3. 結(jié)論

1) 本文根據(jù)勘察試驗資料給出了不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)指標(biāo)，具有一定代表性，但考慮到試驗結(jié)果的離散性較大，需要工程人員有足夠的經(jīng)驗來結(jié)合具體地質(zhì)條件確定相關(guān)參數(shù)，需要找到一種更好的方法來解決這個問題。

2) 在擬建地下水封洞庫中，洞室頂部的關(guān)鍵塊體所占比例最大，且優(yōu)勢明顯；左側(cè)邊墻穩(wěn)定性較差；右側(cè)邊墻穩(wěn)定性較好。應(yīng)重點防治洞室頂部和左側(cè)邊墻關(guān)鍵塊體失穩(wěn)。關(guān)鍵塊體主要以結(jié)構(gòu)面②、③面滑動，因此在洞庫開挖施工過程中，針對這②、③結(jié)構(gòu)面的出露處需加強監(jiān)測。

3) 本文通過Unwedge 軟件直接生成某地下水封儲庫三維的關(guān)鍵塊體圖形，展示了受結(jié)構(gòu)面切割形成的最大不穩(wěn)定塊體其大小和位置，并得出各關(guān)鍵塊體的破壞模式及穩(wěn)定性系數(shù)，通過采用針對性的噴錨支護設(shè)計使得關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性顯著提高。