岩体地下洞室块体稳定性分析及对策

杨继华，张 辉，崔 臻

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

1 概述

岩体是一种由结构面和结构体组成的复杂介质，结构面一般包括岩体中存在的断层面、节理面、层理面、片理面等。在地下洞室开挖中，由结构面的发育情况和结构体(岩石)的强度决定的岩体基本质量是岩体稳定的主要影响因素[1]。研究表明，在相同的岩石强度条件下，围岩的稳定主要由结构面的性质控制，如结构面的发育密度、产状、力学特性等。地下洞室开挖后，打破了围岩原有的静力平衡状态，当有临空面存在时，受结构面切割的岩石块体可能滑塌或掉落，造成围岩的失稳，影响地下洞室的施工安全、增加支护及衬砌的工程量[2-3]。

在地下洞室开挖过程中，根据岩体结构面的性质，选择合适的方法对围岩进行块体稳定性分析并提出处理措施对保障施工安全、降低施工成本具有重要的意义。针对此问题，国内外较多的学者及工程技术人员开展了相关问题的研究。文献[4]针对锦屏一级水电站泄洪洞，采用了赤平投影、统计分析等方法，对不稳定块体进行了分析预测，研究了不同节理组合条件下块体的破坏模式，提出了支护措施；文献[5]根据裂隙优势结构面组合，对阜康抽水蓄能电站地下厂房围岩进行了块体稳定性分析，结果表明，对于安全系数小于1.0的块体采用系统锚固或局部加强支护后，可保证块体的安全；文献[6]以大岗山水电部地下厂房为背景，统计分析了厂房的地质素描图，对随机块体进行了搜索并进行了稳定性评价，为支护提供了依据；文献[7]考虑岩体节理的随机特性，在块体理论中应用了概率分析方法，结合工程实例进行了洞室随机块体稳定性分析，得到了块体安全所需的锚固力。

不同地下工程的地质条件，如地层岩性特征、结构面发育特征等影响围岩块体稳定的因素均有较大的差别，某个工程的分析结果难以直接应用到其它工程，因此，需要具体问题具体分析，以便采取的措施具有针对性。本文以江门某地下实验站工程地下洞室为背景，采用块体稳定分析程序UNWEDGE，对施工斜井、竖井及超大跨度地下洞室进行块体稳定性分析，并提出支护、加固处理措施。

2 工程概况

江门市某地下实验站工程主要由斜井、竖井、实验厅及附属洞室等组成。其中斜井入口高程为64.27 m，末端高程为-460.00 m，斜长为1 340.60 m，水平长为1 233.79 m，坡度i=0.424 9，断面为城门洞型，宽为5.40 m，高为5.50 m；竖井入口高程为132.00 m，底部高程为-484.30 m，深为616.30 m，断面为圆形，直径为 5.50 m；实验厅最大埋深约700 m，55.25 m×48.00 m×27.00 m(长×宽×高)，为超大跨度地下洞室，实验厅下部水池内径为42.50 m，水池最大高度为42.50 m。

工程区的地层主要为燕山期第三期侵入花岗岩体(γ52(3))，岩性为灰白色中细粒白云母、黑云母二长花岗岩、中细粒二长花岗岩，微风化-新鲜，岩体以块状结构为主，局部次块状，微-新风化花岗岩饱和抗压强度一般为80～120 MPa，平均值约为97 MPa。

根据地表工程地质测绘及已开挖竖井、斜井揭露的地质情况，工程区主要发下以下5组节理：L1：170°～180°∠70°，节理面起伏粗糙，张开—紧闭，充填铁质、岩屑，间距为0.3～0.5 m，最大延伸长度为20 m；L2：190°～200°∠54°，节理面平直粗糙，张开，无充填，间距为0.2～0.3 m，最大延伸长度为 40 m；L3：10°～20°∠15°，节理面平直粗糙，紧闭，无充填，间距大于3 m，最大延伸长度为20 m；L4：180°～190°∠84°，节理面平直粗糙，张开，充填岩屑，间距为0.4～0.5 m，最大延伸长度为5～10 m；L5：220°～230°∠73°，节理面起伏粗糙，紧闭—微张，无充填，间距为0.5～1.0 m，最大延伸长度为40 m。

节理面的赤平投影见图1所示，据初步分析，缓倾角节理(L3)对大厅顶拱稳定不利，与其他4组节理组合，特别是走向相同的节理(L2)组合可能在顶拱局部产生不稳定块体。不同的节理组合形成不稳定块体的位置及规模需要进一步的分析。

图1 节理面赤平投影示意

3 UNWEDGE程序简介

UNWEDGE是加拿大的Rocscince公司针对地下洞室围岩块体稳定性开发的可视化分析软件，其理论基础为Goodman和Shi在1985年提出的块体理论[8-9]。通常情况下，块体被定义为四面体岩石，其中包括3条节理面及1个开挖临空面，当块体的位置确定后，块体的几何特征如体积、表面积及滑动方向即可确定[10]。块体的受力可分为主动力和被动力，主动力一般是指使块体失稳的滑动力，被动力是指块滑动的阻滑力。主动力和被动力是由每个滑面上各个力的矢量和组成。

主动力由式(1)计算：

A=W+C+X+U+E

(1)

式中A为块体主动力之和;W为块体重力;C为混凝土重力;X为块体的主动压力;U为地下水压力;E为地震力。

被动力由式(2)计算：

P=H+Y+B

(2)

式中P为被动力之和;H为喷射混凝土的抗剪力;Y被动压力;B为锚杆力。

以往评价因子的取值通常基于大量现场调研，再根据各学者自身经验和逻辑思维，对原有评价体系进行修改，各体系的评价因子存在些许的差异[8-12]。如邵甬从多元综合的角度对国家现行评价体系进行网状优化[12]，周铁军则从西南地方特色的角度对国家现行评价体系提出了调整[11]。这种从主观认知角度出发的评价因子取值方法，具有逻辑思辨上的可靠性，但从统计学的角度来说，缺乏针对行业专家群体观点的同异性分析。本文提出的大数据评价因子取值新方法，是采用专家论文文本挖掘技术，基于专家群体观点的统计学分析方法。

UNWEDGE程序采用安全系数F来定量评价块体的稳定性，其主要分析块体3种状态的安全系数：直接滑落块体安全系数Ff，无支护块体安全系数Fu及支护块体安全系数Fs。

安全系数F由式(3)定义：

(3)

1)直接滑落块体安全系数Ff

UNWEDGE程序在计算直接滑落块体安全系数时假定块体的阻滑力只包括被动支护力和拉力，一般不考虑节理面的剪切强度及滑动方向等影响因素。滑动力主要包括块体重力、混凝土重力、主动压力、地下水压力及地震力，滑动方向为各滑动力的矢量和的方向。其安全系数由下式计算：

(4)

Ti=σtiaisinθi

(5)

(6)

2)无支护块体安全系数Fu

UNWEDGE程序在计算无支护块体安全系数时假定块体阻滑力只有节理面的剪切力和抗拉力产生，不考虑被动支护力的作用。块体滑动力仍然为块体重力、混凝土重力、主动压力、地下水压力及地震力。滑动力只考虑由法向力产生的剪切力，不考虑阻滑力法向力产生的剪切力。

(7)

(8)

3)支护块体安全系数Fs

UNWEDGE程序在计算支护条件下的块体安全系数时假定块体的阻滑力由节再面的剪切力、抗拉力和支护力组成。块体滑动力仍然为块体重力、混凝土重力、主动压力、地下水压力及地震力。滑动方向为块体所受的各个滑动力矢量和方向。

(9)

4 块体稳定性分析

在江门地下实验站洞室开挖过程中，对揭露的节理裂隙进行了统计，发现洞室围岩以Ⅱ类为主，围岩整体基本稳定，但由洞室跨度大、边墙高，节理裂隙及开挖临空面组合，形成不稳定块体，局部会掉块和滑塌等破坏，需要进一步分析块体稳定性。

4.1 块体稳定性系数

采用UNWEDGE程序对不同节理组合条件下块体进行了稳定性分析。分析中采用的参数如下：节理摩擦角为30°，节理面凝聚力为0.08 MPa，节理面抗拉强度为0，花岗岩岩石密度为2.70 g/cm3，锚杆拉力为20.0 t，喷射混凝土剪切强度为2.0 MPa，混凝土密度为2.60 g/cm3。根据第2节的节理统计，5组节理可产生10组组合，不同节理组合条件下块体稳定性计算结果如表1及图2所示。实际开挖过程中，对分析的块体位置进行了现场复核，发现分析的位置与实际块体的出露位置基本符合，但分析中稳定性系数低于1.0的块体多数并未发生失稳破坏，其主要原因如下：UNWEDGE程序计算时，考虑的是块体的最大尺寸，即节理面的延伸长度是无限的，实际多数节理的延伸长度有限，当与其他节理未连通时，并不能形成不稳定块体，因此，不会发生破坏。但对于围岩内部的节理延伸情况、连通情况等很难查清，为安全起见，仍需要对分析的不稳定块体进行支护。

块体的安全系数一般认为大于1.5即可视为稳定。通过图2及表1可以看出，江门地下实验站洞室在不同节理组合条件共形成13处不稳定块体，需要进行支护加固，支护措施主要为锚杆及喷射混凝土，支护后13处不稳定块体的安全系数均大于2.5，说明支护措施有效，可保证块体的稳定性。

(L1、L3、L5)

(L1、L2、L5)

(L1、L4、L5)

4.2 节理面摩擦角与块体稳定性系数相关性分析

节理面参数对边坡及洞室围岩等的稳定性影响较大，如摩擦角与凝聚力等[11-12]，其中摩擦角影响最大，为分析摩擦角对块体稳定性的影响，以块体表1中的块体1为例，计算摩擦角取值范围25°～35°条件下块体的稳定性系数，计算结果如图3所示。由图3可以看出，随着节理面摩擦角取值的提高，块体稳定性系数基本上呈线性增加，可为块体的稳定支护措施提供另个一个思路，除了锚杆、喷混凝土等措施之外，可采用对节理裂隙进行固结灌浆的方法，以提高节理面的摩擦角，进而提高块体的稳定性系数。

表1 江门实验站地下洞室块体稳定性分析

图3 节理面摩擦角与块体稳定性关系示意

5 结语

江门地下实验站洞室跨度大，存在开挖过程中的不稳定块体的破坏问题，采用UNWEDGE程序对开挖过程中的顶拱及下部水井边墙的块体进行稳定性分析，发现多处稳定性系数小于1.0的块体，针对不同稳定性系数、位置、尺寸、重量的块体采用不同的锚杆、喷射混凝土支护后，能保证块体的稳定性要求。

UNWEDGE只能考虑四面体的块体，但在工程实际中，所遇到的块体不一定都是四面体，可能还有五面体，甚至六面体，虽然五面体、六面体可以拆分成若干四面体，但增加了分析难度。

UNWEDGE程序搜索的是3组节理组合出现的最大的不利块体组合，因此，需要随着开挖的进行，尽可能多地收集资料，及时根据新的资料利用节理发育(间距、延伸长度等)特点在程序中调整节理的实际延伸长度。