基于块体理论的隧道围岩稳定性分析

张昱辉，郭吉平，孔凡林

(1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092;2.贵州独平高速公路有限公司，贵州 贵阳 550001;3.重庆市建筑科学研究院，重庆 400020)

0 引言

伴随着隧道建设的快速发展，隧道所穿越的地层条件越来越复杂，尤其是在节理发育区段，由于地质条件的特殊性，容易在隧道施工期间产生掉块甚至大规模塌方，造成施工困难。在地下工程的设计和施工中，围岩的稳定性应当重点研究，而作为其重要内容的块体稳定性研究则应成为重中之重。

目前关于岩体稳定性分析已进行了大量的研究工作，数值模拟方法也随之得到了较快发展。有学者采用有限元软件对隧道断层破碎带围岩的开挖和支护措施进行了数值模拟，总结了围岩受力变形规律［1－2］;有学者利用岩石破裂过程分析软件研究了结构面倾角对隧道围岩稳定性的影响［3］;有学者以弹性理论为基础，利用Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则，推导了隧道围岩的安全系数，建立了基于单元的安全系数法［4－5］;有学者采用UDEC软件进行了节理岩体隧道围岩稳定性研究，认为节理岩体稳定性受优势结构面控制，节理面极大地削弱了岩体力学性质及其稳定性，节理面变形与强度性质往往对工程岩体稳定性起着关键控制作用［6］;还有学者基于块体理论对围岩稳定性进行了解析方法的相关研究，认为结构面是控制块体稳定性的关键，并将成果应用到实际工程中［7－9］。总之，目前研究人员主要是从隧道围岩的应力、应变角度展开研究，考虑节理特征对围岩稳定性影响的研究也多是从解析方法的角度展开，较难被工程人员所掌握。

通过以上认识，结合某在建公路隧道，根据地质素描及三维重构技术，基于块体理论的围岩稳定性分析方法，采用数值软件对隧道围岩稳定性进行分析，以期为地下工程的设计和施工提供借鉴与参考。

1 块体理论赤平解析法

块体理论［10］根据结构面的产状信息判断岩体的可动性，计算结果三维且能直接用于工程需求，主要分析手段中的赤平解析法尤其适合节理岩体隧道稳定性的分析。

赤平解析法的基本假定为:1)结构面为平面;2)结构面贯穿所研究的岩体，即不考虑岩石块体本身的强度破坏;3)结构体为刚体，不计块体自身变形和结构面的压缩变形;4)岩体的失稳指岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移。

岩体被各类结构面和开挖面(如边坡面、洞室的顶和边等)切割后，形成形状各异的镶嵌块体。从表面上看，这些块体似乎是杂乱无章的，但如果从岩体工程稳定性的观点出发，块体可分为有限块体和无限块体2大类。有限块体可分为不可动块体和可动块体，而可动块体又可分为稳定块体、可能失稳块体和关键块体。块体类型如图1所示。

图1 块体类型示意图Fig.1 Diagram of block type

块体理论的核心就是通过几何分析，排除所有的无限块体和不可动块体，再通过运动学分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失稳块体;然后，根据滑动面的物理力学特性，确定工程开挖面上所有的关键部位块体，并计算出所需锚固力，制订相应的锚固措施，消除潜在的连锁反应，确保隧洞安全。

2 工程概况

某在建公路隧道设计长度2 400 m，位于台背斜与台向斜接壤处，采用新奥法原理进行施工，隧址范围内为硬质岩，以灰岩为主，中等风化，局部节理裂隙发育。隧址区勘探深度内未见地下水，围岩富水性弱，产生突水的可能性较小。

根据地勘报告提供的各种岩组的物理力学参数、岩体结构和结构面发育特征，将隧道围岩划分为Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ 3种围岩级别。其中，Ⅴ级围岩所占比例为50%以上，节理裂隙较发育，裂隙间有充填泥质物。在隧道开挖扰动下，围岩可能会沿着节理面滑动，造成大变形甚至塌方，对工程的安全、经济效益产生不良影响，需要对隧道围岩进行支护。

3 三维重构模型

根据现场地质素描结果，运用数理统计的手段，实现节理的精细化描述，并在软件中实现三维重构，进行隧道围岩的稳定性分析。

3.1 基于地质素描的节理特征描述

地勘资料表明，工程隧址区段除陡倾节理较为发育外，还存在大量的水平或缓倾层理。现场地质素描时，研究人员将节理和层理均列为统计对象，但仅凭现场地质素描结果，难以建立精细化的地层网络模型。故本文拟在划分优势节理的基础上，运用数理统计手段，拟合节理发育特征的概率分布参数，实现节理特征的精细化描述。

依照现场隧道围岩节理的编录结果，在整条隧道内，前后有多个断面存在着相同产状的优势节理组，对隧道的变形起到控制作用，因此，将连续多个掌子面的节理产状进行统计，得到贯通整条隧道的优势节理产状，为进一步分析隧道稳定性奠定基础。优势节理面的分组是将节理面的产状及其法向极点投影至等面积的施耐特图上，根据极点的等密度图来确定，从等密度图上可以发现节理面主要集中在某几个区域，这些区域就是优势节理面。隧道节理分组极点图和等密度图如图2所示。

图2 隧道节理分组极点图和等密度图Fig.2 Pole and isodensity diagram of joint group

经统计，可得统计区段各隧道围岩结构面发育的优势节理面产状，如表1所示。

表1 优势节理划分结果Table 1 Result of advantage joint (°)

根据节理的优势产状分组，将节理产状特征进行概率分布拟合，每一组中计算各自分布频率，拟合分布函数的形式与相关参数，并进行检验。拟合结果表明，统计区段的结构面产状均可视为呈正态分布规律。

3.2 三维重构模型的建立

参考设计资料，隧道断面高9.31 m，宽12.62 m。为消除模型尺寸对分析结果的影响，可沿隧道横向两侧各取2倍洞宽，节理沿隧道轴向延展性较差，均不超过10 m，故轴向长度取10 m。隧道底部的可动块体对隧道围岩稳定性影响不大，底部尺寸可取约1倍洞高(即10 m)。故利用FracMan软件建立三维可视化模型时，地层模型可取高约45 m，宽约65 m，轴线方向地层取10 m。地层及隧道模型示意图如图3所示。

图3 地层及隧道模型示意图Fig.3 Model of strata and tunnel

参照优势节理划分结果，选择竖直节理和水平层理的分布模式，通过控制倾向、倾角、走向等参数，在地层中插入若干节理群。围岩参数取值为:围岩容重取2 400 kg/m3，结构面抗剪强度指标c=0.1 MPa，φ =25.5°。为了使模型尽量与实际工况一致，对主要结构面进行修饰，建好的模型如图4所示。

4 计算结果与分析

根据块体理论，对隧道典型断面关键块体进行判断计算及隧道典型断面的稳定性分析，并分析不同锚杆支护强度下的地层稳定性。

4.1 无支护工况下围岩稳定性分析

根据优势节理划分结果，利用FracMan软件进行三维重构，并计算在不加支护情况下隧道出口段右线典型断面的所有有限块体，并判断其可动性和稳定性，计算结果如图5所示(其中，2，9，10，11号块体体积过小，在图中并未显示)。结果表明，隧道临空面上共形成13个有限块体，其中红色折线所绘块体表示安全系数小于1的块体。

图4 隧道计算模型Fig.4 Calculation model of tunnel

图5 无支护条件下有限块体分布图Fig.5 Distribution of finite rock block under non-support condition

为方便分析，统计各有限块体的体积、质量、周界面积、安全系数和滑动形式，如表2所示。

表2 有限块体参数统计表Table 2 Statistical data of finite rock block

由表2可以看出:该类型的断面开挖时，临空面关键块体较多，安全系数低于1的有9个之多;左侧拱腰处8号块体体积最大，呈单面滑动，安全系数仅为0.15，对施工影响最大;此外，拱顶处亦存在3处体积较大的块体，影响施工与人员安全，其中，6号和7号块体垂直下落，安全系数为0，而5号块体单面滑动，安全系数仅为0.12。

因此，该段隧道施工时，应特别注意拱腰、拱顶位置，及时采取措施，如超前锚杆、小导管等措施，避免险情的发生，保证施工的正常进行。

4.2 原设计支护工况下围岩稳定性分析

原设计中，根据前期的勘探资料，确定通过锚杆对地层进行加固，原设计锚杆间距为0.8 m×1.0 m(横×纵)，锚杆长度为3.5 m，锚杆分布示意图如图6所示。

图6 锚杆分布示意图Fig.6 Distribution diagram of bolt

再次进行块体的稳定性计算，观察有限块体在锚杆作用下的稳定性。为方便观察，只显示计算后的块体分布，并输出块体的体积、表面积和安全系数滑动形式，计算结果如图7和表3所示。

图7 有支护条件下有限块体分布图Fig.7 Distribution of finite rock block under support condition

表3 有限块体参数统计表Table 3 Statistical data of finite rock block

从图7和表3中可以看出，按原设计布设锚杆后，隧道临空面上只剩下4个有限块体的安全系数小于1。其中，10号块体由于锚杆的影响，安全系数略有减小，但因体积过小，对隧道施工中的人员安全影响并不是很大。所以，按原设计打入锚杆之后的临空面稳定性是可以得到保证的。

4.3 支护优化工况下围岩稳定性分析

削弱原支护强度，增大锚杆间距为1.4 m×1.6 m(横×纵)，锚杆长度仍为3.5 m，不考虑其他支护参数的影响，锚杆布置如图8所示。

图8 优化后锚杆分布示意图Fig.8 Distribution diagram of bolt after optimization

削弱支护强度后再进行计算分析，计算结果如图9所示，块体参数如表4所示。

图9 优化后有限块体分布图Fig.9 Distribution of finite rock block under support condition after optimization

表4 有限块体参数统计表Table 4 Statistical data of finite rock block

从图9和表4中不难看出，削弱支护强度后，隧道临空面上关键块体的所有参数均未发生变化，说明锚杆支护削弱之后，仍可以保证开挖面的稳定性。

5 结论与讨论

依托某在建公路隧道，采用基于块体理论的围岩稳定性分析方法，在软件中进行节理产状的三维重构，分析隧道围岩的稳定性，可以得出以下结论。

1)基于地质素描，将块体理论应用于隧道稳定性评价，得到一种围岩稳定性分析及支护优化的分析流程，即地质素描—节理特征的精细化描述—三维网络模型建立与修正—块体理论—稳定性分析及支护方案优化，为实际工程应用提供了指导。

2)基于块体理论进行了隧道围岩稳定性分析，准确找到临空面潜在的关键部位块体，并分析滑移形式和安全系数，对指导现场施工具有一定的参考价值。

3)根据地质素描及节理特征的数理统计可知，工程区段内优势节理面主要有近水平层理和近陡倾节理。由稳定性分析结果可知，隧道临空面上将产生数量较多的关键块体，应特别注意拱顶及拱腰的围岩加固，原设计锚杆支护可以保证临空面的稳定性且支护强度有富余，适当削弱支护强度后仍能确保隧道的稳定。

但在隧道稳定性分析中只考虑了岩体的自重、摩擦角和黏聚力，这与实际工况有一定差距，因此，有必要在进一步的研究中全面考虑影响围岩稳定性的因素。

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