Unwedge软件在隧洞工程施工地质中的应用研究

丁 斌

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

0 引言

伴随着经济的发展，水电站、公路、铁路等基础设施工程项目日益增多，特别是水电站的建设，不可避免地需要进行地下洞室开挖。而地下洞室围岩稳定性对施工期地下洞室开挖难易程度及其处理措施和运营期的正常运营是至关重要的。

在隧洞工程施工过程中，施工地质尤为关键[1]，施工地质工作是对前期地质勘察工作的补充和完善。隧洞施工地质工作是根据现场实际地质情况进行地质编录、对隧洞围岩进行分类并提供相关地质参数，为地下洞室系统支护设计及优化提供详细的地质资料作为支撑；施工地质工作还可以在隧洞施工过程中进行地质预报。可见施工地质工作可以为隧洞开挖过程中设计优化及安全施工提供重要保障。

利用赤平投影方法对洞室的不稳定块体进行定性分析已被大多数工程人员所熟悉，若想利用赤平投影对洞室的稳定性进行定量分析，目前尚无成熟的计算程序，利用赤平投影绘制投影图计算相关参数时非常繁琐，不易掌握[2-4]。相比之下，Unwedge软件，界面简洁，使用方便，可进行交互式操作，分析围岩稳定性，功能强大[3-5]。

本文通过Unwedge软件，对隧洞中可能存在的不稳定块体进行分析预判，并对不稳定块体采取相应的工程处理措施，以方便在现场施工过程中及时提出不稳定块体可能存在的位置及其相应的支护建议，指导施工，保证施工过程中地下洞室围岩的稳定性。

1 Unwedge软件简介[5]

Unwedge软件是分析坚硬岩体中开挖后所形成块体稳定性的软件，可以根据多个不连续面相互组合出不同类型块体并进行稳定性分析，可以直观地显示出其空间几何形状，此外，还可以模拟对隧洞进行混凝土喷护及对不稳定块体施加锚杆支护，具有一定的工程应用价值。

Unwedge软件假定结构面相切形成的块体为四边形，即由三组结构面和开挖临空面组成，仅考虑块体的重力及结构面的力学性质，而不考虑地应力作用，另外假定结构体为刚体，结构面为平面，岩体的变形仅为结构面的变形；结构面贯穿研究区域，且在保持产状不变的情况下可任意移动；开挖断面沿轴线方向恒定不变；每次参与组合的结构面最多为三组。Unwedge软件会自动生成最大可能的楔形体，并计算出其安全系数。一般建议安全系数应大于1.5～2.0，其中临时性的隧洞应大于1.5，永久性隧洞则应大于2.0。满足不了上述要求的块体，就应对其进行支护加固。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

尼泊尔那苏瓦卡里(Rasuwagadhi)水电站工程位于尼泊尔中部那苏瓦区境内的垂树里河上，是一座径流式电站。电站装机容量111 MW，工程由首部枢纽、进水口、沉砂池、冲砂系统、引水隧洞、调压井、电站厂房、尾水洞以及配套交通设施组成，其中除首部枢纽、隧洞进水口以及交通配套设施外，其余均为地下工程。

本文以该电站调压井通风洞为例进行分析研究。调压井通风洞位于工程区南侧中山区，地面高程1790～1980 m，隧洞埋深5～155 m。

由于地形条件的限制，调压井通风洞开口段为弧线段，开口处洞轴线走向为SW219°，经弧线段洞轴线走向转为SW265°并进入直线段，弧线段总长26.0 m。隧洞开挖坡度为10.2%，形状为城门洞形隧洞，隧洞底宽为4 m，顶拱半径为2 m。

2.2 基本地质条件

该区域分布地层岩性以石英岩夹薄层片岩为主，局部呈互层状。岩层厚度以10～30 cm为主，局部段呈薄层状，裂隙发育—较发育，岩体完整程度为较破碎，呈弱风化状，围岩类别主要为Ⅲ类。地下水不发育，隧洞开挖后，洞内少见滴水现象，以干为主，部分段洞壁潮湿。岩层走向与洞轴线间交角约为70～80°，对隧洞的施工开挖非常有利。

现场隧洞施工过程中，施工地质人员通过地质巡视和地质编录在隧洞开口段量测了123条裂隙产状，大多数裂隙都闭合，偶有微张，大多数裂隙间无充填物，偶附微薄层泥沙，面覆锈膜，通过Dips软件统计分析可知，通风洞区域主要发育三组裂隙，裂隙特征如表1所示。

表1 调压井通风洞结构面几何特征统计

2.3 赤平投影分析

将隧洞中发育的三组主要结构面进行赤平投影分析，其中结构面的稳定摩擦角取30°绘制摩擦圆。为使岩体稳定性分析更加直观，本文中的赤平投影均采用下半球投影。

绘制的隧洞开口处及隧洞直线段的赤平投影如图1、图2所示，在图中标出了所有的滑塌形式。从图中可以看出，滑塌形式主要分为：直接坠落区G，单滑面投影区1、2、3，双滑面投影区12、13、23。

图1 隧洞开口处赤平投影图

从图1中分析可得，当隧洞走向为SW219°时，左侧边墙的不稳定体主要为单滑面切割锥g3及双滑面切割锥g23，右侧边墙的不稳定体主要为双滑面切割锥g12，掌子面处无不稳定块体；从图2中分析可得，当隧洞走向变为SW265°时，左侧边墙的不稳定体主要为单滑面切割锥g3，右侧边墙的不稳定体主要为双滑面切割锥g12，掌子面处不稳定体主要为单滑面切割锥g1。

图2 隧洞直线段赤平投影图

综上可知随着隧洞走向发生变化，边墙上的不稳定体g23逐渐趋于稳定，但掌子面处出现了不稳定块体。

将隧洞顶部近似看作一个水平面，由于采用下半球投影，洞顶出露的不稳定块体必然投影在赤平圆内，且不与赤平圆周相交，从图1、图2中可以看出，洞顶处的不稳定块体为直接坠落体G，其他切割锥的投影均与赤平圆周相交，故不会在洞顶形成不稳定块体。

水利水电工程隧洞施工过程中一般采用上述方法对隧洞围岩的稳定性进行定性分析，并根据现场实际地质情况作出地质预报。但实际工程中，岩体的完整程度、结构面的状态、填充物的情况、延伸长度、地下水的情况、洞室的尺寸及埋深等都对洞室围岩的稳定性有较大的影响，赤平投影分析中均未考虑上述因素，且得到的不稳定块体的稳定系数也不得而知，可见该方法属于隧洞围岩稳定性的初步分析。

2.4 Unwedge软件分析

(1)围岩稳定性分析

地下洞室岩体物理力学参数很难准确得到，根据现场的地质条件及相关工程经验，综合给出：岩石天然容重γ=26.5 kN/m3；结构面J1的抗剪强度建议值：c1=0.10 MPa，φ1=30°；结构面J2、J3的抗剪强度建议值：c2=0.10 MPa，φ2=32°。在 Unwedge中将安全系数设成1.5，当块体的安全系数大于1.5时视为稳定，小于1.5时需注意其稳定性。

由于弧线段洞轴线走向是变化的，以洞轴线走向每间隔10°对弧线段围岩稳定性进行分析。图3是隧洞走向为SW265°时由结构面切割形成的锲形体分布图。

图3 隧洞走向为SW265°时锲形体分布图

Unwedge软件首先将各个结构面相互切割形成的锲形体展示在隧洞模型上，并对各个块体的稳定性进行了分析，分析结果表明出露在隧洞左右边墙上的锲形体安全系数均大于1.5，是稳定的。不稳定块体出露在隧洞顶拱处，具体分析结果见表2。

表2 调压井通风洞弧线段所切块体分析

根据Unwedge软件对隧洞围岩稳定性的分析结果可知，隧洞顶拱处存在不稳定块体，尤其是洞口处需要及时加强支护。但不稳定块体的大小随着隧洞掘进的方向有逐渐减小的趋势。

(2)模拟隧洞支护设计

现利用Unwedge软件模拟对隧洞进行初步支护设计。假定在隧洞壁上喷护一层5 cm厚的混凝土，喷浆混凝土的抗剪强度为1.2 MPa。经过模拟计算，可以得出随着隧洞走向的变化顶拱处不稳定块体的安全系数分别为14.93、30.82、21.62、31.77、33.71、34.11，均大于1.5。可见对隧洞进行喷射混凝土处理后，不稳定块体的安全系数均得到了很大的提高，促使隧洞围岩的整体性趋于稳定。

上述安全系数为理想洞壁的理论计算值，对初步支护而言，实际操作中喷混厚度较难把握，但总体而言及时喷混对围岩稳定性的提高有明显效果。

2.5 赤平投影与Unwedge软件对比分析

通过上述结果对比可知：Unwedge软件比赤平投影可视化强，利用Unwedge软件可以清楚的看到隧洞中锲形体分布的位置及大小；Unwedge软件中能够根据各个结构面的状态设置对应的参数，并计算出各个锲形体的安全系数，分析的结果更具可靠性；Unwedge软件能够模拟喷混及锚杆支护，并计算出支护后结构面的稳定系数，根据结构面稳定系数的变化可为临时支护指导建议。

Unwedge软件的不足之处为只能模拟开挖方向是一条直线的隧洞，并不能真实整体的模拟轴线变化的隧洞，但可以采用上述分析方法，根据隧洞轴向的变化，多次分析，并综合现场实际地质情况，作出最终结论。

2.6 施工地质建议

现场施工地质工作主要为爆破后对隧洞内地质情况进行及时的编录，对可能存在的地质风险进行预判，并提出解决方案及预防措施。保证隧洞施工的安全。

根据Unwedge软件的分析，现场施工地质人员可提出如下建议：隧洞开挖过程中，顶拱处存在不稳定块体，需及时喷一层厚5 cm的混凝土，并根据需要局部打一些随机锚杆。弧线段成洞性较差，爆破效果不如直线段，且在裂隙切割及爆破作用下，存在较多危石，尤其是掌子面上部的危岩体将严重威胁到施工作业人员的人身安全，需要在进行下一道工序前及时机械排险，清除危石，以保证施工环境的绝对安全。

2.7 施工开挖情况

通风洞开挖后，由于裂隙相互切割，隧洞顶拱处超挖现象明显，成洞性差。该情况与Unwedge软件分析的结果一致。(见图4)

图4 通风洞实际开挖情况

隧洞开挖后为保证稳定性，对隧洞进行了混凝土喷护。喷护后的隧洞可在长时间内达到自稳。这也验证了Unwedge软件模拟支护设计的可靠性。

由于岩土参数是根据经验取用的，和实际值有一定差异。可通过软件模拟后再结合实际开挖情况进行修正。

3 结语

(1)施工地质在隧洞施工过程中至关重要，通过隧洞开挖的第一手资料，在隧洞开挖过程中给施工方提供地质建议，指导施工，并给设计人员提供隧洞准确的地质资料，从而对隧洞永久支护进行优化设计。

(2)利用赤平投影可以对隧洞中不稳定块体进行定性分析，按照理论研究，也可得出定量的计算结果，但计算和作图过程非常繁琐，目前也无成熟的计算软件，且赤平投影无法考虑影响围岩稳定性的诸多因素，很难运用到实际工程中。

(3)Unwedge软件具有很强的可视化效果，能够真实地模拟各个结构面的状态，可以定量地计算出不稳定块体的安全系数，还可以模拟各种支护形式对不稳定块体的作用。在现场施工地质过程中可以以此为参考，并综合现场具体情况，提出地质方面的建议，保证施工过程中地下洞室的安全稳定。

(4)Unwedge软件对洞室围岩进行稳定性分析时，假设整个洞室的围岩结构面参数是不变的，而洞室随着开挖的进行，围岩情况的变化可能很大，这就需要在现场施工过程中，地质人员根据洞室内地质情况的变化，对软件中一些计算参数做出相应的调整，从而才能更准确地进行分析预判。