結構面對硐室穩(wěn)定性的影響

李建強, 張 寧, 李承中, 孫天青

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222; 2.東北煤田地質局 一○三勘探隊,遼寧 遼陽 111000)

結構面對硐室穩(wěn)定性的影響

李建強1, 張 寧2, 李承中1, 孫天青1

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222; 2.東北煤田地質局 一○三勘探隊,遼寧 遼陽 111000)

結合實例工程,詮釋地下硐室隨機結構面的發(fā)育特征和結構面與硐室開挖后形成臨空面的空間組合關系,搜索典型塊體,分析塊體組合類型,運用極限平衡理論,計算可能失穩(wěn)塊體的安全系數F,量化塊體的失穩(wěn)特征,為地下硐室支護方案提供重要的數據資料。

結構面;硐室穩(wěn)定性;組合特征;失穩(wěn)模式;穩(wěn)定性計算

地下硐室的穩(wěn)定性對施工安全和工程進度有著決定性影響,影響硐室穩(wěn)定性的主要因子包括巖性、完整巖石強度、巖體結構、結構面類型、剪切帶或斷層、地下水條件、埋深、結構面充填等[1],其中結構面的發(fā)育特征和空間組合關系對硐室穩(wěn)定性起著重要作用。一般而言,巖體結構面是自然地質歷史進程的產物,不同的歷史條件下產生的結構面，其發(fā)育特征和組合關系各異。工程地質結合區(qū)域地質條件,綜合不同因素的影響,分析和計算結構面特征及組合關系對硐室穩(wěn)定性的影響取得了豐碩的成果[1-3],但對于地下硐室隨機結構面與硐室開挖后的臨空面組合形成的可能失穩(wěn)塊體特征的分析,目前多數為理論性評價,量化評價較少,本文運用極限平衡理論計算可能失穩(wěn)塊體的安全系數,量化可能失穩(wěn)塊體的失穩(wěn)特征,為硐室支護方案提供重要的數據資料。

1 工程概況

某工程地處喜馬拉雅山前緣,巖性主要為第三系上統粉砂巖和泥質粉砂巖,巖性較單一,工程地質條件較好,但四、五級結構面較發(fā)育,硐室開挖后進行精細編錄,結構面產狀分布特征圖及走向玫瑰花圖見圖1。

工程區(qū)結構面主要發(fā)育有8組,各組結構面的優(yōu)勢產狀見表1。統計結果表明,以陡傾角結構面為主,角度多在60°～70°之間;緩傾角結構面發(fā)育較少,角度多在20°～30°之間,但對硐室的穩(wěn)定性起著控制性作用,特別是與洞軸線平行發(fā)育的緩傾角結構面。各組結構面和硐室開挖后臨空面的空間組合關系,是影響硐室穩(wěn)定性的決定性因素。

圖1 工程區(qū)硐室結構面發(fā)育特征Fig.1 Development characteristics of structural plan of chamber in project area

表1 工程區(qū)發(fā)育結構面優(yōu)勢產狀

2 硐室塊體組合特征

2.1 塊體分類

結構面和臨空面組成的塊體分為多種類型,從整體上說,塊體可分為無限和有限兩種,有限塊體可分為不可動塊體和可動塊體,而可動塊體又分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關鍵塊體三種(圖2)。無限塊體、不可動塊體和穩(wěn)定塊體一般不會產生運動,巖體處于較穩(wěn)定狀態(tài);關鍵塊體是在工程作用力和自重作用力下就可以滑動的塊體,這類塊體必須采取必要的工程手段才能保證其穩(wěn)定性;可能失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性取決于結構面的抗剪強度,只有當結構面有足夠的抗剪強度時才能保持穩(wěn)定,給工程造成最為嚴重后果的就是可能失穩(wěn)塊體和關鍵塊體。

圖2 塊體類型二維示意圖Fig.2 Two-dimensional schematic diagram of block typea.無限塊體;b.倒楔塊體;c.穩(wěn)定塊體;d.可能穩(wěn)定塊體;e.關鍵塊體。

2.2 工程區(qū)硐室塊體組合特征

該工程硐室類型為城門洞型,該類型硐室開挖后可形成M1-M10共10個臨空面(圖3)。其中M1,M2和M8位于硐室底板位置,對工程的安全影響較小;M9與M10為硐室的掘進面和開挖面,其安全系數相對較高,一般不會存在較大的安全隱患;M3-M7為硐室應力集中、釋放區(qū),即硐室失穩(wěn)破壞的主要位置,分析巖體結構面與M3-M7的組合關系,成為評價和計算硐室穩(wěn)定性的關鍵所在。

將工程區(qū)發(fā)育的主要八組結構面展布至硐室上,與硐室臨空面組合形成4種塊體類型,其中可動塊體和關鍵塊體主要分布在硐室W4、W5和W6三個區(qū)域,塊體W3形成于底板位置,為穩(wěn)定塊體。塊體的空間分布位置及組合特征參見圖4。

圖3 城門洞型硐室臨空面模型Fig.3 Free face model of chamber of gate way-like structure

圖4 工程區(qū)硐室塊體組合類型Fig.4 Block combination type of chamber in project area

3 塊體的穩(wěn)定性計算及失穩(wěn)特征

運用極限平衡理論對關鍵塊體的穩(wěn)定性進行計算,分析塊體的失穩(wěn)模式和滑動方向,以雙滑面為例(圖5),其計算公式為:

圖5 塊體穩(wěn)定分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of block stability analysis

沿交棱線j向下作用的下滑力為S:

S=mw,jW+mv,jV+mt,jT

(1)

式中:W為塊體自重;V為拉裂縫的抗拉力和拉裂縫中水壓力總和;T為外力(本文中不涉及);mw,j為向量w和j的點積(其他類推)。

安全系數F的計算公式為下式:

(2)

式中:Nl為滑面A上的有效向反力;Nr為滑面A上的有效向反力;C為粘聚力;φ為摩擦角。

對工程區(qū)硐室發(fā)育的八組結構面與臨空面組合形成的關鍵塊體和可動塊體W4、W5和W6進行穩(wěn)定性分析和計算。塊體W3為不可動塊體;塊體W4為可動塊體,雙側滑面,滑面分別為第1組結構面和第2組結構面,塊體的滑動方向為SE144°,剪出角為8°,塊體自重為296.5×103kg,安全系數為7.436,處于穩(wěn)定狀態(tài),塊體各邊界條件參見表2;塊體W5沿第3組結構面滑動,滑動方向為NW293°,剪出角為21°,塊體的自重為415.1×103kg,安全系數1.385,為關鍵塊體,塊體各邊界條件參見表2,硐室開挖后,需加強支護;塊體W6沿第2組結構面滑動,滑動方向為SW230°,剪出角為64°,塊體自重0.259×103kg,安全系數為0.024,為失穩(wěn)塊體,塊體各邊界條件參見表2,塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主,由于塊體較小,建議硐室開挖后,采取剝落或相應的支護措施。

表2 塊體穩(wěn)定分析統計表

4 結論

巖體結構面是影響地下硐室穩(wěn)定性的主要因素。實例工程區(qū)地層巖性單一,工程地質條件較好,影響硐室穩(wěn)定性的主要因素為四五級隨機結構面,精細編錄統計結果表明,工程區(qū)發(fā)育多組結構面,以陡傾角結構面為主,結構面與硐室臨空面組合形成的可動和關鍵塊體主要在3個位置出露。運用極限平衡理論計算塊體的安全系數和分析塊體的失穩(wěn)特征,塊體W4為可動塊體,安全系數F為7.436,處于穩(wěn)定狀態(tài);塊體W5為關鍵塊體,安全系數F為1.385,在硐室開挖后,需加強相應的支護措施;塊體W6為失穩(wěn)塊體,安全系數為0.024,塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主,由于塊體較小,建議硐室開挖后,采取剝落或相應的支護措施。

[1] 巨能攀,趙建軍,黃潤秋,等.控制性結構面對地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響[J].成都理工大學學報(自然科學版),2010,37(2):188-194.

[2] 馮夏庭,馬平波.基于數據挖掘的地下硐室圍巖穩(wěn)定性判別[J].巖石力學與工程學報,2001,20(3):306-309.

[3] 陳祖煜.巖質邊坡穩(wěn)定分析[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

(責任編輯：陳姣霞)

Effect of Structure Plane on Chamber Stability

LI Jianqiang1, ZHANG Ning2, LI Chengzhong1, SUN Tianqing1

(1.ChinaWaterResourcesBeifangInvestigationDesign&ResearchCo.Ltd.,Tianjin300222;2.No.103ExplorationTeam,ChinaNortheasternCoalfieldGeologicalBureau,Niaoyang,Niaoning111000)

Combining with the engineering example,the paper interprets development characteristics andspace combination relations of structural plane and chamber,searches typical blocks,analyzes block combination type. By using the limit equilibrium theory,the safety factor F of the unstable block can be calculated,and the instability characteristics of the block can be quantified.It provides important data for underground chamber support.

structural plane; chamber stability; assemblage characteristics; instability mode; stability calculation

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

李建強(1982-),男,工程師,碩士研究生,地質工程專業(yè),從事地質勘察工作。E-mail:ljq112@126.com

TU457

A

1671-1211(2016)03-0543-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.067

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.012.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24