塊體理論在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

1、<p>　　塊體理論在隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：本文以山西陽(yáng)泉檀樹巖隧道為工程實(shí)體,應(yīng)用塊體理論原理,建立了隧道和結(jié)構(gòu)面的實(shí)體模型,詳細(xì)介紹了塊體理論的建模過程、塊體邊界條件的確定、塊體的幾何模型以及幾何參數(shù)的確定，進(jìn)而對(duì)塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià),得出了較有益的結(jié)果，對(duì)檀樹巖隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了較好的依據(jù)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：塊體理論 圍巖

2、 穩(wěn)定性分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)： U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　1、引言 </b></p><p>　　在堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬地層中，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下，這些空間塊體處于靜力平衡狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行隧道開挖時(shí)，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

3、塊體首先沿著結(jié)構(gòu)面滑移、失穩(wěn)，進(jìn)而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成整個(gè)隧道圍巖的破壞。本文利用塊體理論這一原理分析評(píng)價(jià)隧道圍巖的破壞機(jī)制，從而進(jìn)行隧道圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。 </p><p><b>　　2、工程概況 </b></p><p>　　檀樹巖隧道位于陽(yáng)泉市盂縣南婁鎮(zhèn)白家溝村～檀樹巖村～獅子坪村西。設(shè)計(jì)為分離式隧道，單洞寬度約13m，雙線隧道間距約為12 m，左線里程樁號(hào)為Z

4、K8+982～ZK12+824，長(zhǎng)3842m，右線里程樁號(hào)為K8+982～K12+787，長(zhǎng)3805m；屬特長(zhǎng)隧道，隧道總體走向?yàn)楸睎|-西南向。本次進(jìn)行評(píng)價(jià)的區(qū)段為進(jìn)口左線（樁號(hào)：ZK9+168～ZK9+198），根據(jù)隧址區(qū)域的勘察報(bào)告，結(jié)合野外工程地質(zhì)調(diào)查，該段不存在大的斷裂構(gòu)造和不良地質(zhì)體，隧道圍巖主要由二疊系上石盒子組(P2s1)和下石盒子組(P1x2)地層構(gòu)成，巖性主要為黃綠～紫紅色泥質(zhì)砂巖和灰白色粗粒砂巖構(gòu)成，該段巖層產(chǎn)狀為1

5、20°～145°∠5°～8°。地表部分區(qū)域?yàn)闅埰路e物覆蓋，厚度一般為1～2m，植被較發(fā)育，與基巖接觸面夾0～1.0m厚的風(fēng)化夾層，以下中～微風(fēng)化，通過掌子面的編錄，節(jié)理以平面共軛X節(jié)理組30°～35°∠72°～80°和160～165°∠59°～81°為主，其規(guī)模為5～10m，間距為0.3～0.57m。 </p>&

6、lt;p>　　3、隧道開挖圍巖穩(wěn)定性塊體理論分析 </p><p>　　采用石根華博士提出的塊體理論對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，通過驗(yàn)算結(jié)果的綜合分析，對(duì)隧道開挖圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)報(bào)。 </p><p><b>　　（1）模型的建立 </b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告及隧道開挖情況，建立進(jìn)口左線（樁號(hào)：ZK9+168～ZK9+198）隧道

7、輪廓模型，模型特征見表1。 </p><p>　　隧道進(jìn)口左線區(qū)域模型特征一覽表表1 </p><p>　　預(yù)報(bào)區(qū)域 輪廓寬度 輪廓高度 隧道走向 縱線坡度 區(qū)域巖層產(chǎn)狀 </p><p>　　進(jìn)口左線 12m 8.5m 180° 2.5% 192°∠3° </p><p>　　通過對(duì)隧道進(jìn)口左線對(duì)應(yīng)地表出露巖層

8、節(jié)理裂隙及掌子面地質(zhì)情況調(diào)查，于該區(qū)段收集了若干組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，其分布特征見表2。 </p><p>　　進(jìn)口左線層面及優(yōu)勢(shì)節(jié)理特征一覽表表2 </p><p>　?。?）關(guān)鍵塊體的生成 </p><p>　　通過表2所列的優(yōu)勢(shì)節(jié)理、巖層產(chǎn)狀及隧道開挖掌子面及臨空側(cè)壁之間的空間幾何組合關(guān)系，由3D-Unwedge程序生成對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定影響最大的關(guān)鍵塊體，其具體位置及形狀

9、見插圖1～插圖7。 </p><p>　　進(jìn)口左線（樁號(hào)：ZK9+168～ZK9+198）關(guān)鍵塊體位置及形狀 </p><p>　　插圖1 結(jié)構(gòu)面1、2、3組成的塊體1 插圖2 結(jié)構(gòu)面1、3、4組成的塊體2 </p><p>　　插圖3 結(jié)構(gòu)面1、3、4組成的塊體3插圖4結(jié)構(gòu)面1、3、5組成的塊體4 </p><p>　?。?）隧道圍巖穩(wěn)定性

10、評(píng)價(jià) </p><p>　?、俳Y(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的選取 </p><p>　　通過該段圍巖等級(jí)及工程經(jīng)驗(yàn)類比，確定各結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)見3。 </p><p>　　進(jìn)口左線各結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)一覽表 表3 </p><p>　?、谒淼绹鷰r穩(wěn)定性評(píng)價(jià) </p><p>　　根據(jù)表3所給的各結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)，通過3D-Unwedge程

11、序得出各關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定評(píng)價(jià)見表4。 </p><p>　　關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一覽表 表4 </p><p>　　（4）隧道穩(wěn)定性結(jié)果分析 </p><p>　　&#160;由表4可以得出： </p><p>　?、訇P(guān)鍵塊體主要分布在隧道拱頂和拱腰，邊幫則無關(guān)鍵塊體，說明在這些結(jié)構(gòu)面組合下，隧道拱頂和拱腰容易發(fā)生破壞，而邊幫比較穩(wěn)定；

12、</p><p>　?、谟山Y(jié)構(gòu)面1、2、3組成的拱頂關(guān)鍵塊體1和結(jié)構(gòu)面1、3、4組成的右拱腰關(guān)鍵塊體2，安全系數(shù)Fs均小于1.5，為不穩(wěn)定塊體，且體積較大，說明在隧道左線進(jìn)口開挖過程中，可以預(yù)測(cè)該區(qū)段拱頂容易發(fā)生垮塌破壞，右拱腰形成滑移破壞，規(guī)模均較大，在開挖過程中對(duì)這些部位的支護(hù)需引起注意，且加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，盡量縮短隧道開挖進(jìn)度和臨空面的暴露時(shí)間； </p><p>　?、塾山Y(jié)構(gòu)面1、3、

13、4組成的左拱腰關(guān)鍵塊體3和結(jié)構(gòu)面1、3、5組成的左拱腰關(guān)鍵塊體4，安全系數(shù)Fs均大于1.5，為穩(wěn)定塊體，且體積較小，對(duì)隧道開挖的穩(wěn)定不構(gòu)成危險(xiǎn)； </p><p>　?、茈m然當(dāng)前一些關(guān)鍵塊體為穩(wěn)定塊體，但當(dāng)關(guān)鍵塊體賦存環(huán)境發(fā)生改變，例如受地下水弱化影響、爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)影響等，其穩(wěn)定狀態(tài)可能會(huì)改變，所以應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)作業(yè)，監(jiān)測(cè)隧道圍巖的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化，在掘進(jìn)過程中應(yīng)貫徹“短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工理念，

14、做到“勤支護(hù)”，使隧道施工安全、順利地進(jìn)行； </p><p><b>　　4、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　?。?）由上述對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)可以看出，利用塊體理論進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在充分搜集隧道圍巖結(jié)構(gòu)面信息的情況下，建模直觀簡(jiǎn)單，通俗易懂，可以直接生成三維的關(guān)鍵塊體圖形，并能確定其大小和位置，得出各關(guān)鍵塊體的破壞模式及安全系數(shù)，可操作性強(qiáng)，便于設(shè)計(jì)、施工人員掌

15、握； </p><p>　?。?）通過對(duì)隧道與該區(qū)段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)的情況對(duì)比，由塊體理論得出的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果與它們的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，并且在隧道開挖過程中可以看出也比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，故該方法可以作為隧道圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)依據(jù)，成為其它穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的較有益的補(bǔ)充。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1

16、] 劉錦華，呂祖絎.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[M].水利水電出版社，1986． </p><p>　　[2] 懷超.關(guān)鍵塊體理論在高速公路連拱隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2005.6. </p><p>　　[3] 王延濤，李桂平等.利用塊體理論Unwedge程序分析隧洞圍巖穩(wěn)定性[J].山西水利科技，2000.11. </p><p

17、>　　[4] Unwedge Use’s Guide，3D visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavation and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges，1992～1999，Rocsci