基于地質(zhì)力學(xué)的某城門洞形引水隧洞進口段塊體穩(wěn)定分析

高 旭，晏鄂川，張世殊，卓琦斐，鄒 浩

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

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基于地質(zhì)力學(xué)的某城門洞形引水隧洞進口段塊體穩(wěn)定分析

高 旭1，晏鄂川1，張世殊2，卓琦斐1，鄒 浩1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

基于某城門洞形引水隧洞進口段詳細的地質(zhì)調(diào)查，通過地質(zhì)力學(xué)原理，分析巖體內(nèi)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面體系的形成與發(fā)育過程。運用塊體理論中矢量分析法，以平面逼近曲面洞壁方法，分析出該隧洞進口段的可動塊體，在滿足力學(xué)條件下判別出可動塊體中的關(guān)鍵塊體，計算出其凈滑動力和失穩(wěn)形式。結(jié)果表明，隧洞進口段結(jié)構(gòu)面主要為構(gòu)造面，關(guān)鍵塊體以結(jié)構(gòu)面①、②單面滑動為主，且主要分布于隧洞左、中頂面，具體位于隧洞頂偏左47.5 cm處。施工時，應(yīng)重點監(jiān)測關(guān)鍵塊體出露的位置，并采取有針對性的防治措施。

地質(zhì)力學(xué)；塊體理論；矢量分析；引水隧洞

0 引 言

引水隧洞進口段巖體質(zhì)量較差，開挖施工最易發(fā)生塌方事故。如何有效預(yù)測可能失穩(wěn)區(qū)及其失穩(wěn)形式，以便采取針對性的防治措施，成為工程施工中的重要問題。在結(jié)構(gòu)面發(fā)育的工程巖體中，塊體失穩(wěn)是常見的破壞形式。石根華[1- 2]提出了赤平投影法判斷失穩(wěn)塊體的方法，采用矢量法分析巖體的穩(wěn)定性；R.E.Goodman[3]與石根華合作創(chuàng)立了塊體理論；劉錦華[4]系統(tǒng)全面地將塊體理論介紹到國內(nèi)，使塊體理論在國內(nèi)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，成為巖體穩(wěn)定分析的一種有效方法[5- 8]；謝良甫[9]利用塊體理論矢量分析法分析某地下水封洞庫圍巖塊體的穩(wěn)定性；王迎超[10]應(yīng)用塊體理論分析某隧道不利節(jié)理組合，預(yù)測出不穩(wěn)定塊體的出露位置；李小昌[11]采用UNWEDGE程序分析地下洞室關(guān)鍵塊體等。以上研究沒有針對具有曲面洞壁的城門洞形地下洞室或隧洞中關(guān)鍵塊體判別的研究。此外，隧洞等地下工程勘察僅通過地表調(diào)查和普通的鉆探、坑槽探等，對巖體結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果都具有一定誤差，有必要對調(diào)查數(shù)據(jù)進行理論上的驗證，從而確保后續(xù)工作的可靠性。

本文從地質(zhì)力學(xué)原理出發(fā)，分析了某城門洞形引水隧洞進口段的巖體結(jié)構(gòu)，采用塊體理論中矢量分析方法，分析該隧洞進口段圍巖塊體的穩(wěn)定性。該方法以平面逼近曲面洞壁方法分析具有曲面洞壁的城門洞形隧洞的可能破壞塊體及其失穩(wěn)形式，以便開挖前采取針對性的防治措施，達到提前預(yù)測的目的。

1 工程概況

某城門洞形引水隧洞全長11.8 km，斷面為城門洞形，洞軸線矢量傾角α=89.943°(坡度i=1/1 000)，傾向β=51°(洞軸線走向為NE51°)。隧洞進口位于水庫北部庫岸上，所在斜坡總體走向北西，傾向南西，坡角下部50°～60°、上部40°～50°，總體上緩下陡，坡面上無深切溝谷發(fā)育。坡體為整體傾向北西的單斜巖層構(gòu)造，邊坡結(jié)構(gòu)類型為切向坡。隧洞進口全貌見圖1。

圖1 隧洞進口全貌

斜坡表層不連續(xù)覆蓋第四系土層，基巖為志留系紗帽組灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，局部夾泥質(zhì)粉砂巖。斜坡上未見斷裂，主要為傾向北西的單斜巖層構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為337°∠36°。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延伸較遠，平直光滑，節(jié)理面上偶見擦痕，等距排列，組成“X”形的共軛裂隙，其銳角平分線指示主壓應(yīng)力方向。構(gòu)造體系見圖2。傾向北西的單斜巖層構(gòu)造及“X”形的共軛剪節(jié)理正是在多期構(gòu)造應(yīng)力場作用下，具有成生聯(lián)系的構(gòu)造行跡的組合。可以認(rèn)為，控制隧洞開挖塊體穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面是層面和節(jié)理面。

圖2 構(gòu)造體系

類比同一工程區(qū)其他工程的巖體質(zhì)量，獲取了主控結(jié)構(gòu)面參數(shù)，見表1。為避免漏判可能破壞塊體，后續(xù)剩余下滑力計算中只考慮內(nèi)摩擦角，使其結(jié)果偏于安全。

表1 主控結(jié)構(gòu)面參數(shù)

結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀內(nèi)摩擦角/(°)平均間距/m①層面337°∠36°2705②節(jié)理1243°∠80°1804③節(jié)理2158°∠55°1805

2 關(guān)鍵塊體分析

2.1 判別無限裂隙錐

根據(jù)塊體理論，判別關(guān)鍵塊體首先應(yīng)找出已知結(jié)構(gòu)面條件下的所有無限裂隙錐，步驟如下：

2.2 確定可動塊體

若一塊體為可動性塊體，則其由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的裂隙錐為無限塊體(JP≠φ)。同時，由其結(jié)構(gòu)面和臨空面共同構(gòu)成的塊體為有限塊體，即BP=EP∩JP=φ。式中，EP表示僅以臨空面為界的巖體半空間所構(gòu)成的棱錐；BP表示由若干組結(jié)構(gòu)面和臨空面為界的巖體半空間所構(gòu)成的棱錐。

城門洞形隧洞上部為曲面洞壁，以平面逼近曲面洞壁方法將其劃分為3部分，最后得到5個臨空面，見圖3。基于無限裂隙錐判別，再考慮與各臨空面組合關(guān)系，對上述8個無限裂隙錐建立以下可動性判別矩陣

圖3 隧洞臨空面(單位：mm)

臨空面臨空面產(chǎn)狀塊體編號左邊墻320°∠90°111左頂面320°∠30°011中頂面0°∠0°101右頂面140°∠30°000右邊墻140°∠90°000

2.3 判別關(guān)鍵塊體

確定各臨空面可動塊體僅是純幾何學(xué)問題，還需要在已知結(jié)構(gòu)面組合和主動力合力之后，判別可動塊體的運動形式，再進一步根據(jù)結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)特性從可動塊體中判別出關(guān)鍵塊體(失穩(wěn)塊體)。

2.3.1 塊體運動形式判別

通過計算，判別出滿足上述條件相應(yīng)各運動形式的塊體(見表3)。

表3 判別結(jié)果

運動形式矢量坐標(biāo)(x，y，z)塊體編號脫離巖體運動r?(0，0，-1)111沿結(jié)構(gòu)面①滑動s?1(-03161，07447，-05878)011沿結(jié)構(gòu)面②方向滑動s?2(-01547，-00788，-09848)101沿結(jié)構(gòu)面③方向滑動s?3(02149，-05318，-08192)110沿結(jié)構(gòu)面①、②同時滑動s?12(-04580，06734，-05804)001沿結(jié)構(gòu)面①、③同時滑動s?13(-09249，-038，-00084)000沿結(jié)構(gòu)面②、③同時滑動s?23(01264，-05648，-08155)100

2.3.2 凈滑動力計算

計算出只考慮自重作用下的所有相應(yīng)可能失穩(wěn)的塊體后，計算凈滑動力F值。若F>0，則塊體為關(guān)鍵塊體。不同運動形式下的凈滑動力計算如下：

(1)當(dāng)塊體脫離巖體運動時

(2)當(dāng)塊體沿i面滑動時

式中，φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角。

(3)當(dāng)塊體沿i面和j面同時滑動時

只考慮自重W情況下，計算出各運動形式的凈滑動力值(見表4)。

表4 凈滑動力值

運動方式凈滑動力值r?Ws?101756Ws?209284Ws?306328Ws?1201425Ws?13-04391Ws?2305036W

對照表1、2、3，既滿足幾何條件下的可動塊體，又滿足力學(xué)條件下凈滑動力值F>0，從而找出關(guān)鍵塊體編號、運動方式及其所在臨空面。編號011關(guān)鍵塊體在隧洞左頂面位置沿結(jié)構(gòu)面①單面滑動；編號101關(guān)鍵塊體在隧洞中頂面位置沿結(jié)構(gòu)面②單面滑動。

3 數(shù)值模擬驗證

本文目的在于引水隧洞進口段塊體穩(wěn)定性評價。隧洞進口段與地表高差不大(約10 m)，必須考慮地形對隧洞的影響。同時，由于影響其塊體穩(wěn)定的是空間3組結(jié)構(gòu)面，第②組結(jié)構(gòu)面法線與洞軸線小角度相交，建立二維模型不能反映出這組結(jié)構(gòu)面的影響。綜上所述，基于3DEC，建立三維地質(zhì)模型。考慮到數(shù)值計算內(nèi)存容量以及研究問題集中在進口段隧洞塊體穩(wěn)定，模型中只在距洞口20 m范圍內(nèi)按表1中的3組結(jié)構(gòu)面進行劃分并賦值。只考慮自重應(yīng)力作用，底邊界固定約束，左右前后邊界分別固定x、y方向位移，計算10萬時步。關(guān)鍵塊體數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

圖4 關(guān)鍵塊體數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4可知，在3組結(jié)構(gòu)面切割下，隧洞進口段巖體不穩(wěn)定塊體(關(guān)鍵塊體)主要集中于隧洞左上部位，與采用矢量解析法計算結(jié)果一致，驗證了解析計算結(jié)果的正確性。為進一步獲取其具體位置，通過fish語言編制程序，獲得垂直位移最大的塊體位于隧洞頂偏左47.5 cm處。

4 結(jié) 語

本文從地質(zhì)力學(xué)原理出發(fā)，分析認(rèn)為某城門洞形引水隧洞開挖引起的塊體穩(wěn)定主要控制性結(jié)構(gòu)面是層面和節(jié)理面。編號011關(guān)鍵塊體在隧洞左頂面位置沿結(jié)構(gòu)面①單面滑動。編號101關(guān)鍵塊體在隧洞中頂面位置沿結(jié)構(gòu)面②單面滑動，根據(jù)各位置上可能破壞塊體的剩余下滑力值，在實際工程施工時采取針對性的防治措施。

平面逼近曲面洞壁的塊體理論矢量分析方法能夠較準(zhǔn)確地判別引水隧洞進口段可能失穩(wěn)塊體及失穩(wěn)形式，達到提前預(yù)測的目的。為解決矢量法不能求出關(guān)鍵塊體的具體位置這一弊端，可通過三維離散元數(shù)值模型獲取。

[1]石根華. 巖體穩(wěn)定分析的赤平投影方法[J]. 中國科學(xué)， 1977(3)： 269- 271．

[2]石根華. 巖體穩(wěn)定分析的幾何方法[J]. 中國科學(xué)， 1981(4)： 487- 495．

[3]GOODMAN R E， SHI G H. Block Theory and Its applications to Rock Engineering[M]. Englewood Cliffs： Prentice hall， 1985．

[4]劉錦華， 呂祖衍. 塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[M]. 北京： 水利水電出版社， 1988．

[5]朱華， 汪飛， 劉陽， 等. 塊體理論在地下水封石洞油庫圍巖穩(wěn)定性的分析與應(yīng)用[J]. 水利與建筑工程學(xué)報， 2012， 10(1)： 151- 154．

[6]張昱輝， 郭吉平， 孔凡林. 基于塊體理論的隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 隧道建設(shè)， 2015， 35(1)： 41- 45．

[7]陳孝湘， 夏才初， 繆圓冰. 基于關(guān)鍵塊體理論的隧道分部施工時空效應(yīng)[J]. 長安大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2011， 31(2)： 57- 62．

[8]張子新， 廖一蕾. 基于塊體理論赤平解析法的地下水封油庫圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2010， 29(7)： 1339- 1347．

[9]謝良甫， 晏鄂川， 季恵彬. 地下水封洞庫圍巖塊體失穩(wěn)矢量分析方法研究[J]. 長江科學(xué)院院報， 2012， 29(6)： 48- 51．

[10]王迎超， 李勇良， 李亞博， 等. 隧道中不穩(wěn)定塊體的預(yù)測模型[J]. 中國科技論文， 2015， 10(1)： 21- 25．

[11]李小昌， 袁振霞， 張志增. 塊體理論及UNWEDGE程序在地下洞室穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J]. 中原工學(xué)院學(xué)報， 2014， 25(3)： 38- 42．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Stability Analysis of Key Blocks in Entrance Section of a Gate Hole Diversion Tunnel Based on Geomechanics

GAO Xu1, YAN Echuan1, ZHANG Shishu2, ZHUO Qifei1, ZOU Hao1

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on detailed geological survey of a diversion tunnel entrance section, the stability of surrounding rock mass is evaluated by using vector analysis. The moveable blocks in entrance section of tunnel are determined by using plane approximate the circular upper wall method, the key blocks of moveable blocks are found out by mechanical analysis, and the driving forces and failure modes of key blocks are also calculated. The results show that this diversion tunnel entrance section is stable, the key blocks mainly slide by single structural surface ① and ② which mostly distributed on the left and the middle surfaces with exact location in left 47.5 cm to top. During construction period, the monitoring should be focused on key block area and appropriate control measures should be adopted．

geomechanics; block theory; vector analysis; diversion tunnel

2016- 04- 01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2011CB710605)；中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司(P225- 2014)

高旭(1990— )，男，四川廣元人，博士研究生，研究方向為巖土體穩(wěn)定性評價與利用．

TU457

A

0559- 9342(2016)09- 0033- 04