地下洞室塊體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用的研究

石廣斌，王明疆，趙靖偉

(1.西安建筑科技大學(xué)，西安 710054；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下洞室工程在水電水利工程、礦業(yè)工程、交通工程、能源工程等領(lǐng)域是普遍存在的，如水電水利工程中的地下發(fā)電廠房，礦業(yè)工程中的破碎洞室，交通工程中的大跨度隧道，能源工程中的地下石油儲備庫等。地下洞室在開挖過程中，圍巖會涉及到開挖卸荷穩(wěn)定問題。圍巖的破壞受巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等多種因素的綜合影響，所表現(xiàn)出的破壞模式也多種多樣，其中由巖體結(jié)構(gòu)面與洞室開挖面形成的塊體穩(wěn)定一直是地下洞室施工過程需要關(guān)注的重點(diǎn)問題[1-9]。

塊體理論起源于20世紀(jì)70年代的四川白龍江上碧口水電站調(diào)壓井[9-10]，它在巖石工程中取得了非常大的成功，特別是在當(dāng)代的中國[11-14]。盡管塊體理論在大型地下洞室圍巖穩(wěn)定和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析中已得到廣泛應(yīng)用，其分析方法已基本完善，如塊體切割、赤平投影、矢量分析法、非連續(xù)變形法等[15]，但國內(nèi)外對塊體的穩(wěn)定評價(jià)還沒有一個系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。從已查閱到的文獻(xiàn)來看，如中國的《地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和美國陸軍師團(tuán)編制的 《巖體隧洞和豎井設(shè)計(jì)》等對地下洞室塊體穩(wěn)定計(jì)算的安全系數(shù)取值有一個粗略的范圍，不象DL/T 5353-2006《水電邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》等按建筑物等級、計(jì)算方法、計(jì)算工況等對穩(wěn)定安全系數(shù)取值有一個系統(tǒng)的規(guī)定。不同的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算出圍巖錨固量的差異是較明顯的；地應(yīng)力考慮與否，怎么取值，對計(jì)算塊體錨固設(shè)計(jì)措施量的影響也是比較大的[5-6]。這些因素都給用此理論做圍巖穩(wěn)定分析評價(jià)和錨固設(shè)計(jì)帶來不少困難。筆者曾多次參加地下洞室圍巖分析專題研討會，與會的專家呼吁在這方面應(yīng)該有一個系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為了解決大型地下洞室圍巖塊體穩(wěn)定分析有一個合適的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)問題，課題組結(jié)合實(shí)際工程，開展了一系列的專題研究，如工程規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)值和已建工程塊體穩(wěn)定分析采用安全系數(shù)值的統(tǒng)計(jì)與分析、塊體類別及其穩(wěn)定性分析工況的研究和塊體安全系數(shù)的影響因素分析等。通過專題研究成果，提出了一個系統(tǒng)的地下洞室塊體穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)，并以拉西瓦大型地下發(fā)電洞室工程為依托，進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究，驗(yàn)證其合理性，并成功地應(yīng)用于功果橋、魯?shù)乩⒐痰蔚鹊叵掳l(fā)電洞室工程。

1 安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.1 塊體穩(wěn)定評價(jià)方法的選擇

目前評價(jià)建筑物的抗滑穩(wěn)定主要有2種方法：一種是安全系數(shù)法，如GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、DL/T 5353-2006《水電邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等對邊坡的穩(wěn)定采用安全系數(shù)；另外一種就是可靠度法，說是可靠度，其實(shí)是以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠度指標(biāo)度量建筑物可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如DL/T 5176-2003《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 》等。

自20世紀(jì)50年代以來，可靠度理論得到很大的發(fā)展，并在工程分析中得到廣泛應(yīng)用。水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，已將可靠度設(shè)計(jì)納入國家標(biāo)準(zhǔn)。近10多年可靠度理論應(yīng)用于塊體穩(wěn)定性分析中也有一些研究，從近年來發(fā)表出現(xiàn)的一些文獻(xiàn)來看，主要特點(diǎn)是：研究工作主要集中在考慮結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨機(jī)分布的可靠度分析，也進(jìn)行了塊體大小的隨機(jī)分布研究，以及不同大小的塊體出現(xiàn)概率分析。結(jié)構(gòu)面幾何特征與力學(xué)強(qiáng)度均表現(xiàn)為隨機(jī)分布的特點(diǎn)[16]，如結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、長度、間距等，以及摩擦系數(shù)、黏聚力等參數(shù)，因此塊體的大小、形態(tài)(同一種類型的塊體，如結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀隨機(jī)變化時，其形態(tài)不一樣)等表現(xiàn)出隨機(jī)分布特點(diǎn)；同時，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨機(jī)變化時，塊體的穩(wěn)定性也將表現(xiàn)出隨機(jī)變化的特點(diǎn)，理論上不是確定性的安全系數(shù)。20世紀(jì)70年代，Mcmahou就倡導(dǎo) “用破壞概率取代安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)”；陳祖煜等在《巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析--原理.方法.程序》中也談到“邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)”和“可靠度分析及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”[17]；何滿潮等建立“塊狀巖體的穩(wěn)定可靠性分析模型”[18]；趙文、孫樹林等對關(guān)鍵塊體進(jìn)行了概率和可靠度分析[19-20]。但是，目前可靠度法在巖質(zhì)邊坡、地下洞室工程中應(yīng)用還很不成熟，巖土參數(shù)隨機(jī)性和差異性，給這種方法能在工程設(shè)計(jì)上廣泛應(yīng)用帶來很大困難，并且長期以來，工程界廣泛使用安全系數(shù)指標(biāo)來評價(jià)邊坡建筑物抗滑穩(wěn)定性。因此，本課題研究塊體穩(wěn)定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍然采用安全系數(shù)法。

1.2 安全系數(shù)值分布分析

課題組查閱中國的水電水利工程、鐵路工程、公路工程、礦業(yè)工程等20多種設(shè)計(jì)規(guī)范對邊坡滑動安全系數(shù)取值的規(guī)定，日本的《VSL錨固工法設(shè)計(jì)施工規(guī)范》和香港地區(qū)對邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取值的規(guī)定，中國的《地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和美國陸軍師團(tuán)編制的 《巖體隧洞和豎井設(shè)計(jì)》等對塊體穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)取值的范圍要求等，另外還調(diào)查了100多個已建邊坡工程抗滑穩(wěn)定以及地下洞室工程和邊坡工程塊體穩(wěn)定評價(jià)所采用的安全系數(shù)值。經(jīng)過詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)和分析，得出安全系數(shù)的規(guī)定主要涉及到以下4要素：

(1) 工程的等級即重要性。如《水電邊坡工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，同一荷載工況，工程的等級不同，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值也不同，對持久工況，工程的等級為Ⅰ級，安全系數(shù)值為1.30～1.25；Ⅱ級的安全系數(shù)值為1.25～1.15；Ⅲ級的安全系數(shù)值為1.15～1.05。

(2) 荷載組合或運(yùn)行狀況。如DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》，不同的荷載組合，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)是不同的，邊坡級別為Ⅰ級的，基本組合(正常運(yùn)用) 安全系數(shù)為1.30～1.25；特殊組合Ⅰ(非常運(yùn)用)的安全系數(shù)值為1.20～1.15；特殊組合Ⅱ(非常運(yùn)用)的安全系數(shù)值為1.10～1.05。

(3) 計(jì)算方法。如GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和JTGD30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》均有類似的規(guī)定。GB 50330-2002對一級邊坡采用平面滑動法和折線滑動法，安全系數(shù)值為1.35；采用圓弧滑動法的安全系數(shù)值為1.30。

(4) 力學(xué)參數(shù)。如JTGD30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對計(jì)算采用的地基平均固結(jié)度及強(qiáng)度指標(biāo)不同，安全系數(shù)也不同，同樣是簡化Bishop法，地基土采用直剪的固結(jié)快剪或三軸剪的固結(jié)不排水剪指標(biāo)的安全系數(shù)為1.20；按實(shí)際固結(jié)度，采用直剪的固結(jié)快剪或三軸剪的固結(jié)不排水剪指標(biāo)的安全系數(shù)為1.40。

規(guī)范規(guī)定的邊坡和建筑物的安全系數(shù)值小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程絕大多數(shù)巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)值小于等于1.3。已建工程設(shè)計(jì)采用的塊體穩(wěn)定允許安全系數(shù)值小于等于1.3，占62%；安全系數(shù)值大于1.5的只占18%。

2 塊體安全級別

GB 50153-2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》對工程結(jié)構(gòu)安全等級有如下的規(guī)定：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果(如危及人的生命、造成經(jīng)濟(jì)損失、對社會或環(huán)境產(chǎn)生影響等)的嚴(yán)重性，采用不同的安全等級。工程結(jié)構(gòu)安全等級的劃分應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 工程結(jié)構(gòu)的安全等級表

同樣，《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)水工建筑物的重要性及其破壞可能產(chǎn)生的后果的嚴(yán)重性，把水工建筑物安全級別的劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》按其所屬樞紐工程等級、建筑物級別、邊坡所處位置、邊坡重要性和失事后的危害程度，把邊坡安全級別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級。

在大型地下洞室圍巖中，塊體所處的位置不同，其安全風(fēng)險(xiǎn)是不同的，失穩(wěn)所造成的危害性、后果顯然也是不一樣的。對于大型地下發(fā)電洞室頂拱圍巖中的塊體一般離發(fā)電層樓板高度在 20.0～30.0 m，破壞后的沖擊力和破壞力明顯要大于邊墻上的塊體。因此，根據(jù)地下洞室混凝土結(jié)構(gòu)布置以及塊體失穩(wěn)后沖擊力和破壞力，可將圍巖中的塊體分成4個區(qū)域，如圖1。A區(qū)為洞室的頂拱部位，塊體失穩(wěn)后沖擊力和破壞力最大；B區(qū)為洞室的高邊墻且無框架混凝土結(jié)構(gòu)；C區(qū)為洞室的高邊墻且后期有框架混凝土結(jié)構(gòu)；D區(qū)為洞室的高邊墻且后期有大體積混凝土。塊體所處的位置區(qū)以滑出口為基準(zhǔn)。塊體的安全等級劃分見表2。

表2 塊體的安全等級表

圖1 塊體分區(qū)示意圖

3 地應(yīng)力量值取值原則

3.1 地應(yīng)力對塊體穩(wěn)定的影響

圖2是拉西瓦水電站廠房頂拱21號定位塊體示意圖，21號定位塊體的失穩(wěn)模式為單面滑動，滑動面為節(jié)理L35組[21]，穩(wěn)定分析結(jié)果見表3。

從表3中可以清楚看出，地應(yīng)力對塊體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值的影響是非常明顯的，地應(yīng)力取得途徑不同，同樣也明顯影響塊體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值。

圖2 21號塊體三維示意圖

自重/kN摩擦系數(shù)凝聚力/MPa錨固力/kN法向地應(yīng)力σn/MPa切向地應(yīng)力τn/MPa安全系數(shù)K備注74100.600.05 0.77 74100.600.054000 1.37 74100.600.05400011.80-1.8074.64由實(shí)測地應(yīng)力換算σn74100.600.0540001.740.2014.46由自重地應(yīng)力換算σn74100.600.0540003.000.1042.1由數(shù)值計(jì)算應(yīng)力換算σn

3.2 地應(yīng)力量值取值原則

文獻(xiàn)[6]給出地下洞室開挖前后的圍巖應(yīng)力變化是非常明顯的,開挖前圍巖第1主應(yīng)力為25.0 MPa左右，開挖后洞壁附近圍巖的第1主應(yīng)力變?yōu)?.0～10.0 MPa左右。本課題組結(jié)合地下洞室開挖現(xiàn)場觀察和計(jì)算分析認(rèn)為，在塊體穩(wěn)定分析中，要準(zhǔn)確計(jì)入應(yīng)力是很難的，這主要是巖體本身復(fù)雜性所造成的。通常塊體穩(wěn)定分析所采用的地應(yīng)力可來源于3個方面：一是由巖體初始應(yīng)力場，用數(shù)值方法模擬洞室開挖建造過程所得到的塊體周圍的應(yīng)力場；二是在洞室開挖建造過程中，用監(jiān)測圍巖變形來反演洞室開挖建造過程中的圍巖應(yīng)力；三是在洞室開挖過程中，用測量的措施得到應(yīng)力。其中第3種方法一般不會實(shí)施，原因是成本太高，也不能做到事前預(yù)估計(jì)；第2種方法的主要困難是在洞室開挖之前，監(jiān)測儀器很難事先埋置；因此，最常用的還是第1種方法。筆者認(rèn)為把前2種方法相互結(jié)合使用是比較理想的，既做到事前估計(jì)，又做到應(yīng)力取值的復(fù)核和準(zhǔn)確度的提高。

地下洞室在開挖卸荷的過程中，圍巖在離洞壁一定范圍內(nèi)可能產(chǎn)生松弛，結(jié)構(gòu)面張開(見圖3)，圍巖淺層塊體會發(fā)生爆破過后，短時間內(nèi)會發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 圍巖破壞圖

通過現(xiàn)場觀察、數(shù)值分析等綜合考慮，提出塊體接觸面上地應(yīng)力取值原則是：塊體結(jié)構(gòu)面地應(yīng)力的取值要以初始地應(yīng)力為基礎(chǔ)，并通過數(shù)值分析、圍巖松弛范圍分析等綜合分析確定；圍巖松動區(qū)范圍以內(nèi)的結(jié)構(gòu)面上法向應(yīng)力應(yīng)取為0，以外的上限值不得高于巖體自重應(yīng)力的30%；切向應(yīng)力若為阻滑力，則取為0；若為滑動力，則按實(shí)際值取值。

4 塊體安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

大型地下洞室圍巖破壞主要受2個方面的控制：一是巖體結(jié)構(gòu)面；另一個是地應(yīng)力。巖體結(jié)構(gòu)面與洞室開挖面相互組合切割會在巖壁上形成若干個塊體，這些塊體有的是穩(wěn)定的，有的是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定就需要支護(hù)，而支護(hù)就需要一個評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即塊體的安全系數(shù)達(dá)到什么樣的數(shù)值才算滿足穩(wěn)定要求，低了會存在安全隱患，過高了又會增加工程投資，造成不必要的浪費(fèi)。課題組通過工程設(shè)計(jì)規(guī)范和工程實(shí)例的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析，并結(jié)合塊體穩(wěn)定在大型地下洞室中的重要性以及塊體本身特性和影響地下洞室塊體穩(wěn)定因素等，提出一個合理可行塊體安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表4、5。表4的塊體安全系數(shù)不考慮地應(yīng)力，表5的塊體安全系數(shù)考慮地應(yīng)力。

在這里還要鄭重說明一下：考慮地應(yīng)力下的大型地下洞室圍巖塊體穩(wěn)定分析時，除滿足表5中相應(yīng)的安全系數(shù)外，還要滿足在不考慮地應(yīng)力情況下，持久狀況的塊體的安全系數(shù)不能小于1.10。為什么要附加這個條件，主要是考慮到地應(yīng)力分布的復(fù)雜性和地下洞室塊體失穩(wěn)的后果性。

表4 不考慮地應(yīng)力下的塊體穩(wěn)定全系數(shù)表

表5 考慮地應(yīng)力下的塊體穩(wěn)定安全系數(shù)表

5 案例分析

功果橋水電站于2009年開工建設(shè)，地下廠房開挖尺寸為175 m×27.4 m×74.45 m(L×B×H)，主變洞尺寸134.8 m×16.5 m×46.6 m，尾水調(diào)壓室130 m×25 m×67 m。電站工程規(guī)模為Ⅱ等大(2)型工程，課題組根據(jù)地下廠房開挖地質(zhì)編錄圖，按本課題研究提出的塊體安全評價(jià)體系，用塊體理論對地下廠房上下游邊墻和頂拱的局部關(guān)鍵塊體進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本次共計(jì)算廠房主要塊體30塊，其中上游邊墻有7塊、頂拱有16塊、下游邊墻有7塊。地下洞室建筑物等級為2級，計(jì)算時不考慮地應(yīng)力，因此計(jì)算塊體的允許安全系數(shù)取值按表4中的地下洞室級別Ⅱ級取。表6是地下廠房墻B區(qū)的定位塊體的計(jì)算結(jié)果，塊體B06屬于淺部塊體，計(jì)算時不考慮凝聚力。

表6 塊體B06穩(wěn)定分析及錨固設(shè)計(jì)表

通過塊體穩(wěn)定的系統(tǒng)計(jì)算分析，得到的結(jié)果表明：功果橋水電站地下廠房大部分關(guān)鍵塊體在自然狀態(tài)下或在系統(tǒng)錨固措施下的安全系數(shù)能夠滿足要求，只有個別塊體需要增加隨機(jī)或局部加強(qiáng)錨固措施。在確保工程施工安全的同時，對圍巖的支護(hù)措施進(jìn)行了科學(xué)的、可行的優(yōu)化。地下洞室在施工期階段和運(yùn)行期均沒有發(fā)生局部圍巖跨塌事件或二次局部補(bǔ)強(qiáng)事件(功果橋水電站已于2011年11月9日首臺機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電)，得到了現(xiàn)場建設(shè)方的認(rèn)可。這些都說明了，本課題提出的塊體安全評價(jià)體系是合適的。

6 結(jié) 語

(1) 安全系數(shù)的確定主要涉及到工程的等級、荷載組合或運(yùn)用狀況、計(jì)算方法、力學(xué)參數(shù)等四要素；規(guī)范規(guī)定的邊坡和建筑物的安全系數(shù)小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程絕大多數(shù)巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)小于等于1.3；具體工程設(shè)計(jì)采用的塊體穩(wěn)定允許安全系數(shù)小于等于1.3，占62%；安全系數(shù)大于1.5的只占18%。

(2) 根據(jù)地下洞室混凝土結(jié)構(gòu)布置以及塊體失穩(wěn)后沖擊力和破壞力，將圍巖中的塊體分成3個安全等級。

(3) 地應(yīng)力對塊體穩(wěn)定影響非常明顯，可以使塊體穩(wěn)定安全系數(shù)提高到10～20倍，頂拱圍巖受地應(yīng)力作用會產(chǎn)生明顯的拱效應(yīng)和夾制作用；塊體結(jié)構(gòu)面的地應(yīng)力取值要以初始地應(yīng)力為基礎(chǔ)，并通過數(shù)值分析、圍巖松弛范圍分析等綜合分析確定；圍巖松動區(qū)范圍以內(nèi)的結(jié)構(gòu)面上法向應(yīng)力應(yīng)取為0，以外的上限值不得高于巖體自重應(yīng)力的30%；切向應(yīng)力若為阻滑力，則取為0；若為滑動力，則按實(shí)際值取值。

(4) 通過工程設(shè)計(jì)規(guī)范和工程實(shí)例的安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析，并結(jié)合塊體穩(wěn)定在大型地下洞室中的重要性以及塊體本身特性等，提出了一套系統(tǒng)塊體安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并通過具體工程案例分析論證了該評價(jià)體系是合適的。對規(guī)范在此方面的修訂具有重要的參考價(jià)值(本文成果已得到中國電建集團(tuán)專家組的審查和認(rèn)可)。