關鍵塊體法在某隧道圍巖穩定性評價中的應用

李森林 馬博恒 葛玉祥 侯占松

(中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司，河北 保定 071069)

關鍵塊體法在某隧道圍巖穩定性評價中的應用

李森林 馬博恒 葛玉祥 侯占松

(中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司，河北 保定 071069)

應用關鍵塊體法對山西某隧道圍巖的穩定性進行了評價及超前預測，并將其所得結果與掌子面編錄及野外踏勘結果相結合，得到了較滿意的分析結果，最后詳細闡述了關鍵塊體法在應用實踐中存在的優缺點，并提出了合理的建議，為以后類似的工程提供借鑒。

關鍵塊體法，隧道圍巖，穩定性，超前預測

隧道圍巖的穩定性取決于隧道賦存地質環境、后生改造效應規律及其工程地質特征，且在此基礎上，隧道施工擾動形成的圍巖應力與變形進一步作用，其覆巖穩定性會發生新的變化。鑒此，本文基于地質規律、工程地質條件和隧道空間幾何特征，采用關鍵塊體法對隧道圍巖的穩定性進行了力學驗算，基于資料的綜合分析，超前預測隧道的穩定性，為預防施治提供依據。

1 關鍵塊體法分析思路

關鍵塊體法解決地下洞室圍巖穩定性評價問題的基本思路是：在已知洞室形狀及洞室尺寸的條件下，任意選取3組優勢結構面作為構成四面體的邊界條件(構成四面體的另一面是開挖臨空面)，通過程序將搜索出給定結構面在洞室各個不同部位(如拱頂、拱腰、邊墻、洞底等)所能組合形成的關鍵塊體形狀大小，通過給定的形成關鍵塊體各結構面物理力學參數，計算出各個部位關鍵塊體的穩定性安全系數，從而對隧道圍巖的穩定性進行評價及超前預測。

2 工程應用實踐

2.1 工程概況

擬建某隧道設計為分離式隧道，單洞寬度約13 m，長約600 m，屬中型隧道。隧道總體走向為NNE-SSW向。根據地表地質調查和隧道開挖過程中的掌子面編錄揭示，隧道范圍內主要出露巖體巖性為砂巖、泥巖和二者過渡的巖石。主要發育8組優勢節理組及1組層面，其特征如表1所示。

2.2 各結構面力學參數的選取

各組結構面力學參數取值見表2。

2.3 不利結構面組合切割結構體(關鍵塊體)空間分布規律

8組優勢節理組和1組層面，這9組不利結構面的赤平極射投影見圖1。

通過Unwedge地下開挖程序軟件，對上述9組結構面進行組合分析，共形成84組組合關系，結合現場得到的數據綜合分析、篩選，去除一些不符合現場實際情況的組合，得到整個隧道區域可能出現的關鍵塊體具體空間位置，并計算出了各關鍵塊體的穩定性安全系數。由于篇幅限制，只列出隧道里程號ZK5+174～ZK5+276區段存在的4組優勢節理組組合形成的關鍵塊體的安全系數及塊體空間幾何形態，見表3和圖2，圖3。

表1 層面及優勢節理特征一覽表

2.4 隧道圍巖穩定性超前預測

表2 各結構面強度參數一覽表

表3 關鍵塊體空間幾何形態及穩定性安全系數一覽表

根據圖2，圖3及表3，結合隧道開挖過程現場掌子面編錄及野外踏勘資料，現對隧道里程號ZK5+174～ZK5+276段隧道圍巖穩定性進行超前預測，其穩定性分析結果如下：

1)該隧道里程號ZK5+174～ZK5+276段，開挖過程掌子面出露砂巖和泥巖，拱頂和拱腰部位主要出露砂巖，發育優勢節理組主要為J1，J2，J3，J9，其組合形成的關鍵塊體為1號和2號，其在隧道圍巖中具體空間分布見圖2，圖3，各關鍵塊體的穩定性安全系數見表3。

2)關鍵塊體均出現在右上拱腰部位，其中J1，J3，J9組合形成的1號關鍵塊體體積為59.321 m3,規模較大，安全系數為0.94，J2，J3，J9組合形成的10號關鍵塊體安全系數為1.266。根據表1優勢節理特征一覽表，J1，J3，J9出現的頻度均較高，規模較大，而J2出現頻度低，規模小。故1號關鍵塊體為該區段出現的主要關鍵塊體，且其安全系數小于1.0，極容易出現失穩現象，該關鍵塊體一旦失穩滑塌，將可能導致隧道圍巖發生連鎖反應，引起隧道右拱腰部位整體坍塌。故可預測本區段不穩定區域主要在右上拱腰部位，其他部位穩定性狀態較好。因此，在隧道開挖過程中需密切關注該區段右上拱腰部位，及時進行噴錨支護，防止該部位發生滑塌破壞，危及安全生產。

3 關鍵塊體法應用的優缺點及建議

1)根據第2節對隧道圍巖穩定性的超前預測結果可以看出：

a.關鍵塊體法應用于隧道圍巖穩定性的預測，其意義明確，簡單明了；

b.其結果與現場踏勘及隧道開挖實際情況相結合，具有一定的可靠性，特別是在塊狀或層狀塊狀及塊裂結構巖體中開挖隧道時，可對隧道圍巖穩定性進行半定量的分析評價及預測，在一定程度上可以指導隧道開挖施工；

c.容易被廣大工程人員接受并掌握，具有較大的推廣意義。故本文中該方法的應用實踐為以后類似工程提供了較好的借鑒。

2)同樣，該方法也存在著局限性：

a.其只能應用于塊狀或層狀塊狀及塊裂結構巖體中，對層狀碎裂結構及散體結構巖體并不適用；

b.其得出的關鍵塊體的空間分布情況不具體、不明確，如本文中位于隧道右拱腰部位。并且其所得出的塊體是形成的最大塊體，而在實際中不太可能形成規模達到幾十立方米或者更大的塊體滑塌，大部分先是規模比較小的塊體滑塌，然后形成較大的破壞；

c.其穩定性判據依賴于形成各關鍵塊體的結構面的物理力學性質，而結構面物理力學性質隨賦存環境的變化而變化，即使是同一組節理，賦存的部位不同，其物理力學性質也不同，這對結構面的物理力學參數的選取造成相當大的困難，從而影響隧道圍巖穩定性判定的準確性。

3)綜合上述分析，結合筆者多年對該方法的應用實踐情況，建議在應用該法時注意以下問題：

a.在進行優勢節理組統計時，應盡量選取待評價區段露頭進行統計，使得結果更具針對性。其次，應詳細記錄結構面產狀、規模及力學特征，且必要時應取樣進行室內試驗，以取得較為可靠的結構面物理力學參數，這為后續評價提供可靠的依據；

b.在搜索關鍵塊體時，應盡量使用實體比例投影法，使得其生成的塊體空間分布更具體、準確，能夠反映塊體實際空間部位及幾何形狀，但由于該方法較為繁瑣，建議在初始預判時進行簡化，得出關鍵塊體的大概部位后，再針對該部位采用該方法進行深入的分析，以減少工作量；

c.應結合野外踏勘、掌子面編錄及超前地質預報和隧道圍巖監控量測等手段，綜合分析隧道圍巖的穩定性情況，從而才能對隧道圍巖的穩定性作出較為全面、準確的評價及預測。

[1] 懷 超.關鍵塊體理論在高速公路連拱隧道圍巖穩定性分析中的應用[D].西安：長安大學碩士論文，2005.

[2] 王延濤，李桂平.利用塊體理論Unwedge程序分析隧洞圍巖穩定性[J].山西水利科技，2000(11)：88.

[3] 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，Rocscience，Inc．1992-1999.

[4] 中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司.陽泉西環高速公路第LJ3合同段檀樹巖隧道超前地質預報與監控量測報告[R].2011.

[5] 中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司.陽泉西環高速公路南婁隧道穩定性研究報告[R].2014.

Application of critical masonry method in the tunnel surrounding rock stability assessment

LI Sen-lin MA Bo-heng GE Yu-xiang HOU Zhan-song

(ChinaSurveyMetallurgySurveyDesignAcademyCo.,Ltd,Baoding071069,China)

The thesis carries out stability evaluation and advanced prediction of the tunnel surrounding rock in Shanxi province by applying critical masonry method, integrates achieved results and bearing surface catalog with outdoor survey results, achieves satisfied results. In the end, it specifically describes its application merits and defects, puts forward rational suggestions, which has provided some guidance for similar engineering.

critical masonry method, tunnel surrounding rock, stability, advanced prediction

1009-6825(2014)34-0168-02

2014-09-23

李森林(1982- )，男，碩士，工程師，注冊巖土工程師； 馬博恒(1953- )，男，教授級高級工程師； 葛玉祥(1979- )，男，工程師，注冊巖土工程師； 侯占松(1985- )，男，助理工程師

U452.12

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