西秦嶺隧道巖體精細化描述及關鍵塊體研究

高文山

(中鐵十八局集團有限公司蘭渝鐵路工程指揮部，甘肅武都 746041)

裂隙巖體節理面的滑移、張開是隧道失穩的關鍵科學問題，一直是工程界和學術界關注的焦點。隨著我國客運專線的快速發展，隧道穿越地層更加復雜，不可避免穿越節理破碎的區域，節理裂隙的規模、產狀、間距直接決定圍巖穩定性，如果不能正確判斷關鍵塊體，無法有效和針對性的控制，往往會造成隧道坍塌和失穩問題。相關單位和專家、學者對節理巖體進行了一些研究，并取得了一定的研究成果［1- 2］。

鄭穎人［3］結合模型試驗與數值方法，研究了巖體的節理傾角、破裂面位置對隧道的破壞狀態及其安全系數影響。豆海濤［4］利用數值模擬，研究了支護體系的滲透規律，探討不同位置和地下水位條件下結構受力特點。王華牢［5］采用非連續分析方法，研究了斷續節理擴展過程，提出了連拱隧道的受力特性，為隧道施工中的支護加固提供依據。鄒飛［6］采用破壞性模型試驗，研究巖體節理間距、傾角對TBM盤形滾刀破巖影響，重點分析了主裂紋擴展能量的發展規律。張志強和何本國［7］研究了節理巖體隧道圍巖穩定性判定合理指標，探討了細觀結構機制和宏觀力學行為。李軍［8］采用離散元UDEC程序對隧道圍巖節理特征進行分析，研究了節理組數、傾角、間距對圍巖穩定性的影響。

參考國內外文獻［9-10］，目前學者研究主要集中在研究節理的力學行為，而且往往都是假定的節理產狀，而對工作面圍巖信息精細化描述研究比較少，采用優勢節理面的方法研究隧道的關鍵塊體更少。以新建鐵路蘭渝線中段西秦嶺隧道為依托，進行隧道工作面巖體精細化描述，確定優勢節理面和關鍵塊體，對節理巖體隧道的設計、動態施工具有重要科學意義和工程價值。

1 隧道工作面節理特征精細化描述

1.1 工程概況

西秦嶺特長隧道位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區境內。隧道的高程主要在1000m到2 400m，最高處和最低處相差約1 400m，隧道的埋深最大處約為1 500m。隧道穿越地層主要為第四系全新統松散層、砂質千枚巖，泥盆系灰巖、下元古界變砂巖夾砂質千枚巖、砂質千枚巖。西秦嶺隧道全長28.236 km，右線出口DIK423+352～DIK403+590，全長19.662 km，采用TBM施工，在羅家理預備洞地段DIK413+388設置雙車道無軌運輸斜井。

1.2 隧道工作面節理特征精細化描述

對隧道施工過程中工作面和側壁等區域出露的巖體節理，按照國際巖石力學協會建議的描述標準對其節理信息進行逐一的采集、編錄。以左線DIK35+505為例，分析走向、傾向、傾角的分布規律，然后根據節理分布密度，確定巖體結構優勢節理面。

從現場觀察看出，圍巖級別為Ⅳ級(勘察報告為Ⅴ級)，以強風化灰巖為主，單塊巖石抗壓強度較高，屬較堅硬巖，圍巖節理裂隙發育，呈中、薄層狀或碎裂狀，節理類型以剪節理為主，具有共軛特征，節理面張開寬度較大，以泥質和砂質填充為主，結構面結合程度差，圍巖自穩能力一般，若開挖后不及時支護易出現小掉塊或局部小坍塌，地下水稍發育，圍巖潮濕。

西秦嶺隧道左線DIK35+505斷面工作面素描，巖體延續性中等，節理信息如圖1、表1所示。

圖1 工作面巖體素描

表1 西秦嶺隧道左線DIK35+505斷面節理信息

從現場看，巖體屬于碎裂結構，圍巖變形是結構面與巖石變形共同作用的結果，結構面相嵌、張開、滑移等力學形態都影響結構的穩定性;碎裂結構隧道破壞形式多為局部破壞和較大坍塌。

1.3 優勢節理面

天然巖體節理分布具有一定的規律性，但是有些節理具有控制巖體整體穩定性的作用。將現場實測的節理信息進行各種數據的處理。根據統計結果，節理產狀的極點分布如圖2所示。統計該圓內不同位置極點數目占極點總數的比例，得到極點密度(如圖3所示)。

圖2 節理產狀極點分布示意

從圖3可以看出，節理主要集中在三個區域，以此定義為隧道節理巖體的優勢節理面，在利用優勢節理面研究隧道掉塊和坍塌的范圍和趨勢。依據節理產狀等密度圖，統計得到西秦嶺隧道左線DIK35+505節理裂隙隧道三組優勢節理面(如表2所示)。

根據表2中的產狀，得到隧道軸線與優勢節理面的關系，預測隧道圍巖穩定性，并且為隧道有效支護提供科學依據。

2 圍巖關鍵塊體穩定性

由表2可得出各結構面的產狀，可得出其法向矢量(如表3)。表中:x軸為E向，y軸為N向，z軸為豎直向上。分別表示相應結構面單位法向量。

表3 各結構面法向矢量坐標

根據式(1)、式(2)，得出ni(0，0，－1)時各運動方向坐標(如表4所示)。

表4 各運動方向矢量坐標

再根據運動方向坐標進行判別關鍵塊體:脫離巖體運動為式(3)、沿單面滑動為式(4)、沿雙面滑動為式(5)，求得其凈滑力F

根據得到的各塊體凈滑力確定相應的關鍵塊體，通過以上數據對該隧道圍巖做赤平投影，得出巖層產狀與關鍵塊體關系(如圖4所示)。

根據圖4可畫出關鍵塊體的最大可動區域，如圖5(a)所示。同時依據表2中的優勢節理產狀，結合UNWEDGE軟件，建立了西秦嶺隧道和圍巖塊體的三維模型，進行關鍵塊體的識別，數值模擬結果為圖5(b)。

圖4 巖層產狀與關鍵塊體關系

圖5 西秦嶺隧道圍巖關鍵塊體分布

從圖5可以看出:洞壁沿著節理面失穩，隧道拱腰左側、拱頂處較容易坍塌，解析法和數值模擬結果一致，從而驗證方法的正確性。針對失穩的關鍵塊體，建議采用非對稱支護結構進行局部加固，可以有效提高圍巖穩定性。同時，加快進度，節約成本，縮短圍巖裸露時間。

3 結論

在現場測量西秦嶺隧道左線DIK35+505工作面圍巖信息特征的基礎上，繪制赤平投影，確定優勢節理面，最終找出關鍵塊體。

(1)對西秦嶺隧道工作面節理面的自然特征進行精細化描述，測量規模、產狀、間距、粗糙度等關鍵參數，獲取巖體工程地質性質的節理特征。

(2)根據現場工作面巖體信息，繪制赤平投影、以及節理密度圖，在此基礎上，確定隧道工作面巖體的優勢節理面(組數及傾向、傾角)。

(3)隧道在各結構面切割成塊體的情況下，存在失穩坍塌的危險，通過幾何分析和力學計算，使用塊體理論中的赤平投影法對圍巖進行穩定性分析，找出隧洞斷面上的關鍵塊體，解析法和數值模擬結果一致，從而驗證方法的正確性。

(4)根據工作面節理發育情況對開挖時可能出現不穩定塊體掉落的位置做出快速判斷，并對其穩定性進行判別，做到提前預防。針對失穩的關鍵塊體，建議采用非對稱支護結構，進行局部加固，可以有效提高圍巖穩定性;同時，加快進度，節約成本，縮短圍巖裸露時間。

［1］陳志廣．鐵路隧道下穿公路受力分析研究［J］．鐵道勘察，2013(3):4044

［2］周六生．隧道超前地質預報現狀及常見認識誤區淺析［J］．鐵道勘察，2013(3):3839

［3］鄭穎人，王永甫，王成，等．節理巖體隧道的穩定分析與破壞規律探討——隧道穩定性分析講座之一［J］．地下空間與工程學報，2011，7(4):649656

［4］豆海濤．基于滲漏水的隧道滲流場有限差分法分析［J］．鐵道勘察，2014(1):3638

［5］王華牢，許崇幫，夏才初．斷續節理擴展算法在隧道圍巖穩定分析中的應用［J］．巖土工程學報，2012，34(2):349354

［6］鄒飛，李海波，周青春，等．巖石節理傾角和間距對隧道掘進機破巖特性影響的試驗研究［J］．巖土力學，2012，33(6):16401646

［7］張志強，何本國，關寶樹．節理巖體隧道圍巖穩定性判定指標合理性研究［J］．現代隧道技術，2012，49(1):1219

［8］李軍，吳惠卿，王彥杰．節理特征和圍巖支護對隧道變形的影響分析［J］．施工技術，2013，42(3):8286

［9］Jamal Idris，Marwan Al-Heib，Thierry Verdel．Numerical modelling of masonry joints degradation in built tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24(6):617626

［10］朱超．隧道開挖對坡體穩定性的影響研究［J］．鐵道勘察，2013(1):4244