張發(fā)明　余成　胡夢蛟　胡大可　李學(xué)政

摘要：組成地下洞室的圍巖存在不同尺度結(jié)構(gòu)面所切割形成的不同尺度、不同形態(tài)結(jié)構(gòu)體。這些結(jié)構(gòu)體是導(dǎo)致施工期圍巖失穩(wěn)的主要因素，而且在洞室開挖前無法確定其具體位置，給圍巖加固設(shè)計帶來了困難。由勘探平洞地質(zhì)調(diào)查獲得的結(jié)構(gòu)面資料，依據(jù)不同尺度結(jié)構(gòu)面的成因、規(guī)模，預(yù)測其在開挖面上的出露位置十分重要。從結(jié)構(gòu)面成因角度考慮，運用幾何力學(xué)耦合模擬方法，建立大跨度地下洞室圍巖巖體結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)斷層機制，運用力學(xué)成因擬合規(guī)模較大的斷層、破碎帶、層面，而基于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面調(diào)查統(tǒng)計的結(jié)果，應(yīng)用隨機模擬方法并結(jié)合結(jié)構(gòu)面連通率特征擬合隨機結(jié)構(gòu)面。采用正交試驗及塊體理論，確定由結(jié)構(gòu)面組合形成塊體的幾何形態(tài)，搜索多尺度塊體的分布，確定特定塊體、半特定塊體與隨機塊體的分布。進一步采用極限平衡理論，分析可能發(fā)生破壞的塊體，得出洞室開挖面上需要加固的塊體。最后，開發(fā)了基于幾何力學(xué)成因的多尺度結(jié)構(gòu)面組合穩(wěn)定性分析程序UNDGD20。以某在建抽水蓄能電站工程為例，搜索洞室不同開挖面上的塊體組合類型與規(guī)模，分析由結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成局部塊體的穩(wěn)定性，為地下洞室開挖方案的確定及設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)，開挖結(jié)果表明本文研究成果是合理的。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜巖體；幾何力學(xué)耦合；結(jié)構(gòu)面；塊體；穩(wěn)定性分析；地質(zhì)成因；地下洞室

中圖分類號：P642.3；TU457文獻標志碼：A

Multiscale Block Stability Prediction Methods of Large Span

Underground Cavern Group Surrounding RockZHANG Faming1， YU Cheng1， HU Mengjiao2， HU Dake2， LI Xuezheng2

（1. School of Earth Science and Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China；

2. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited， Changsha 410014， Hunan， China）Abstract： The surrounding rock of underground cavern is a structure with different scales and forms carved by structural surface in different scales. These structures are the main factors causing the instability of surrounding rock during the construction period， and the specific location is uncertain before the excavation of underground cavern， so that it is difficult to reinforce the surrounding rock. It is important to predict the outcrop position of structure surface on the excavation surface based on the genesis and scale of structural surface with different scales， according to the structure surface data investigated by exploration cavern. From the genesis of structural surface， structure model of surrounding rocks of large span underground cavern was built by geometrymechanics coupling simulation method. The fitting of large scale fault， fracture zone and bedding surface was calculated according to the mechanical genesis and fault mechanism. The fitting of random structural surface was calculated with random simulation method by the characteristics of joint persistence ratio of structural surface according to the statistical results of field structural surface. Geometric forms of blocks composed by structural surfaces were confirmed based on orthogonal test and block theory， the distribution of multiscale blocks was searched， and the distributions of special， semispecial and random blocks were found. Further， the blocks， which might be destroyed， were found and reinforced on the excavation surface of cavern by ultimate balance theory. Finally， the program UNDGD2.0 was developed to analyze the stability of multiscale structural surface combination based on the geometrymechanics genesis. A pumped storage power station under construction was taken as an example， the types and scales of block combination on different excavation surfaces in underground cavern were searched， and the stability of partial blocks composed by structural surfaces was analyzed in order to confirm and design optimally the excavation scheme of underground cavern. The results show that the research findings are rational.

Key words： complex rock mass； geometrymechanics coupling； structural surface； block； stability analysis； geological mechanism； underground cavern

0引言

近年來，在水利水電、地下鐵路、國防及大型地下油氣儲存等領(lǐng)域，處于復(fù)雜地質(zhì)條件下開挖的地下洞室規(guī)模越來越大，涉及圍巖穩(wěn)定性的研究也越來越引起工程師與理論工作者的高度重視[15]。一般來說，地下洞室圍巖穩(wěn)定性研究包含由不同尺度結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體穩(wěn)定性及由于開挖引起的應(yīng)力重分布導(dǎo)致的圍巖彈塑性變形研究兩方面[6]。不同尺度結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體易在施工期導(dǎo)致瞬時破壞，同時，局部不穩(wěn)定塊體的分布位置與體積對支護壓力的確定、圍巖支護設(shè)計及大斷面開挖施工工序有重要影響[79]。在地下廠房、隧道等巖體工程施工中，巖石塌方不僅影響施工進度，而且威脅施工人員生命安全，并使工程造成巨大浪費，因此，在詳細工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)原理，研究裂隙、層面、斷層等主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀分布及其與臨空面的相互切割關(guān)系，分析預(yù)測塌方體范圍、規(guī)模、位置，對地下工程的加固設(shè)計、節(jié)約工程投資具有重要的工程意義。特別是層狀巖體中的地下洞室群，由于層狀巖體層間的結(jié)合力較小，在其中修建大型地下洞室，圍巖穩(wěn)定是關(guān)鍵問題，尤其是頂拱的穩(wěn)定問題更為突出，其受結(jié)構(gòu)面與臨空面的組合，往往形成一些特定的塊體，嚴重影響地下洞室的施工及運行期的安全。國內(nèi)一些地下廠房施工中就出現(xiàn)過斷層與結(jié)構(gòu)面組合形成的大型楔體失穩(wěn)現(xiàn)象。前人對緩傾層狀巖體中開挖的地下洞室群（如西龍池抽水蓄能電站等）圍巖塊體穩(wěn)定性做過研究，為節(jié)約工程投資，保證施工期的穩(wěn)定，優(yōu)化加固措施等提供了重要依據(jù)，取得了良好效果。

國內(nèi)外研究表明，對于由結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體穩(wěn)定性評價方法，大多采用石根華與Goodman等提出的關(guān)鍵塊體理論進行塊體的穩(wěn)定性分析，同時，應(yīng)用數(shù)學(xué)及一些新方法在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)圍巖塊體識別、穩(wěn)定性分析中也得到了廣泛應(yīng)用[1027]。這些方法對于地下洞室開挖揭露的結(jié)構(gòu)面組合塊體穩(wěn)定性分析具有重要的工程意義，但是地下工程開挖前，圍巖中結(jié)構(gòu)面的分布位置、產(chǎn)狀及組合形成的塊體是未知的，需要由勘探平洞揭示的結(jié)構(gòu)面去推測，因此，這就需要有較為合理與一定精度的結(jié)構(gòu)面推測方法。本文提出的基于幾何力學(xué)耦合模型，可以較好地預(yù)測不同尺度結(jié)構(gòu)面在空間的展布特征，從而預(yù)測開挖面塊體的分布特征。

1結(jié)構(gòu)面幾何力學(xué)耦合模擬方法

結(jié)構(gòu)面成因、規(guī)模均是多元的。通常對于層狀結(jié)構(gòu)受多期構(gòu)造應(yīng)力場作用下的巖體，結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)模不一，結(jié)構(gòu)體形態(tài)多樣化。這類巖體作為地下洞室的圍巖，塊體的組合形式十分復(fù)雜。

1.1基于力學(xué)成因的大尺度結(jié)構(gòu)面信息采集

1.1.1勘探洞內(nèi)調(diào)查測定斷裂長度

勘探洞所揭露的斷裂發(fā)育情況最真實地反映了斷裂的現(xiàn)實特征。為了能夠較好地掌握地下洞室群內(nèi)主要斷裂的長度，需要以勘探洞揭露的情況為最根本的依據(jù)，在實地逐條測定寬度、跡長或長度。

1.1.2斷層成因分析

針對實測的大尺度結(jié)構(gòu)面，根據(jù)斷層成因，分析其是否屬于張性結(jié)構(gòu)面、壓性結(jié)構(gòu)面及扭性結(jié)構(gòu)面，初步確定斷層在走向上的延伸規(guī)模。

1.1.3基于斷層力學(xué)成因確定寬度與長度的相關(guān)關(guān)系

方法一：依據(jù)斷裂的力學(xué)成因機制，在同一個區(qū)域內(nèi)，一次構(gòu)造運動作用斷裂的發(fā)育特征有一定的相似性，從斷裂寬度和長度的角度來說就是在這個特定的區(qū)域里，斷裂寬度和長度有一定的相關(guān)關(guān)系。利用大量現(xiàn)場完全揭露的斷裂露頭，通過結(jié)構(gòu)面序次的劃分，將不同時期構(gòu)造運動形成的結(jié)構(gòu)面進行分類，并精確測量每一序次結(jié)構(gòu)面的寬度和長度，建立研究區(qū)內(nèi)斷裂寬度和長度的關(guān)系式。再根據(jù)勘探平洞中所揭示的斷裂力學(xué)屬性、實際揭露的寬度，反算出不同序次的斷裂長度[28]。斷裂寬度和長度的關(guān)系式為L=kB+B0（1）式中：L為斷裂長度；B為勘探平洞實際揭露的寬度；k為長度與寬度的比例系數(shù)；B0為擬合長度系數(shù)。

方法二：針對現(xiàn)場實際露頭未能精確測量斷裂寬度和長度的情形，一旦無法直接建立結(jié)構(gòu)面長度與寬度的關(guān)系，就需要運用斷裂力學(xué)理論與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)結(jié)構(gòu)面力學(xué)分析機制，推斷出一次構(gòu)造應(yīng)力場作用形成的主干斷裂及巖石強度特征，模擬出研究區(qū)域宏觀長大結(jié)構(gòu)面，并與勘探平洞中所反映的斷裂規(guī)模進行比較，推斷出所有影響地下廠房圍巖穩(wěn)定性大型斷裂的長度，建立斷裂空間展布方程和空間展布圖形，確定斷裂在地下廠房圍巖中的展布位置。

1.2基于鉆孔及產(chǎn)狀數(shù)據(jù)的斷層及層面幾何建模方法

1.2.1斷層模擬

假設(shè)斷層傾向α、傾角β的平面方程為ax+by+cz+d=0（2）式中：a=sin αsin β；b=sin αcos β；c=cos α；d為常數(shù)項；x為洞室長軸長度；y為斷裂通過點距地下洞室頂拱中心線的距離；z為斷裂通過點距頂拱中心線的距離。

已知的3點坐標分別為（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），如這3點不在一條直線上，則平面方程中的各系數(shù)為

a=（y1-y0）（z2-z0）-（z1-z0）（y2-y0）

b=（z1-z0）（x2-x0）-（x1-x0）（z2-z0）

c=（x1-x0）（y2-y0）-（y1-y0）（x2-x0）

d=-（ax0+by0+cz0）

通過野外地質(zhì)調(diào)查、鉆探等手段，得出斷層產(chǎn)狀及幾何要素。利用上述已知平面上不共線3點坐標求解該平面方程的方法，可得出斷層的平面方程。

1.2.2將一定高程勘探平洞中實際揭露的斷層延伸至地下洞室設(shè)計頂拱位置

在計算中，首先依據(jù)一定高程勘探平洞實際揭露的斷層位置，按斷層平面假設(shè)，建立斷層的空間平面方程；再依據(jù)斷層平面與地下洞室中軸面方程求出交線，確定出斷層在地下洞室設(shè)計頂拱最高處中心線上的出露位置，并用于程序計算。其具體算法如下：

（1）將一定高程勘探平洞中實際揭露斷裂的位置按結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，將其轉(zhuǎn)換到空間直角坐標系下，即將局部坐標系中的斷裂通過點的坐標轉(zhuǎn)換為大地坐標系下的點坐標。

（2）根據(jù)一定高程勘探平洞中實際揭露斷裂的位置、產(chǎn)狀建立斷裂平面方程，對于影響洞室圍巖的所有斷裂不考慮其長度，按地下洞室上方所對應(yīng)的斷裂分別建立斷裂方程。

（3）建立地下洞室中心面的平面方程。

（4）將斷裂平面方程與地下洞室中心面的平面方程求交線，獲得斷裂在地下廠房或主變室頂拱處的交點，即x值。

1.2.3層面模擬

層面按照一定的規(guī)則展布于巖體中。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計巖層厚度，就可以得到層面間距，并運用平面假定及平行算法，即根據(jù)層面產(chǎn)狀先確定一個層面的具體位置，后按平行算法確定層面的分布，并將其延伸到開挖面。

1.3基于幾何統(tǒng)計特征的小尺度結(jié)構(gòu)面模擬方法

對于Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面，由于其延伸較短，從勘探平洞中統(tǒng)計分析結(jié)構(gòu)面的概率分布特征，尤其對斷裂周邊的結(jié)構(gòu)面、背斜、向斜等構(gòu)造部位的結(jié)構(gòu)面，依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果采用隨機模擬方法建立結(jié)構(gòu)面的分布，具體算法見文獻[29]。

1.4幾何力學(xué)耦合圍巖巖體結(jié)構(gòu)面模擬方法

地殼各部分所發(fā)生的一切變形和破裂，都是應(yīng)力場作用的結(jié)果；換而言之，每個地區(qū)的構(gòu)造體系和構(gòu)造形式都反映著形成那種構(gòu)造體系和構(gòu)造型式的應(yīng)力分布規(guī)律。從大量試驗成果來看，庫倫摩爾強度理論在地質(zhì)上還是較為合理的；另外，脆性強度破裂理論也是可行的，說明斷裂結(jié)構(gòu)面只能由剪應(yīng)力或拉應(yīng)力產(chǎn)生，即為剪切破裂面和張性破裂面。其中，剪切破裂面是主要的，而且是數(shù)量最多的。

在巖體結(jié)構(gòu)模擬中，首先運用三點法確定大尺度結(jié)構(gòu)面在模擬范圍內(nèi)的全空間展布，其次根據(jù)構(gòu)造部位，運用結(jié)構(gòu)面的力學(xué)成因產(chǎn)生小尺度結(jié)構(gòu)面，形成模擬體內(nèi)的各級結(jié)構(gòu)面。

2塊體穩(wěn)定性分析方法及程序開發(fā)

2.1大、中尺度塊體穩(wěn)定性分析方法

由斷層、層面及長大破碎帶相互組合形成的塊體稱為大、中尺度塊體。其穩(wěn)定性分析步驟如下[10]：

（1）塊體的向量運算判別。采用向量分析判別塊體：①設(shè)有n組結(jié)構(gòu)面，由各組結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀求出向上的單位法線向量；②求出各結(jié)構(gòu)面的交線即棱向量；③對結(jié)構(gòu)面各種可能的相交組合，計算其各棱是否為該棱錐的真實棱。

（2）塊體可動性的向量運算及判別。

（3）關(guān)鍵塊體的判別。在已知結(jié)構(gòu)面組合和主動力合力后，根據(jù)結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)特性判斷哪些可動塊體是真正的關(guān)鍵塊體或可能失穩(wěn)的塊體及沿雙滑面滑動的塊體。

2.2小尺度塊體穩(wěn)定性分析方法

由Ⅳ、Ⅴ級結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體，由于體積相對較小，被稱為小尺度塊體。其穩(wěn)定性分析的主要步驟是：①根據(jù)已有裂隙調(diào)查資料進行統(tǒng)計分析，求得各組裂隙產(chǎn)狀、跡長、間距的平均值與標準差，并確定每一組裂隙的分布概型；②根據(jù)正交設(shè)計理論，將統(tǒng)計得到的各組裂隙與開挖面進行塊體組合分析；③根據(jù)統(tǒng)計得到的裂隙，進行裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)模擬；④根據(jù)裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果，在開挖面上研究小尺度塊體的分布特征，并進一步運用塊體理論，計算塊體的體積、穩(wěn)定系數(shù)等；⑤對計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以確定小尺度塊體體積、穩(wěn)定系數(shù)的統(tǒng)計值，為系統(tǒng)錨桿的設(shè)計提供依據(jù)。

2.3計算程序開發(fā)簡介

基于Visual C++平臺，根據(jù)石根華所創(chuàng)立的塊體理論（Block Theory）自行開發(fā)了UNDGD20版地下洞室圍巖多尺度塊體穩(wěn)定性分析程序。UNDGD20版程序經(jīng)過多個典型算例的考核，已在西龍池等大型水利水電工程地下廠房圍巖塊體穩(wěn)定性研究中得到應(yīng)用。該程序適用于由3、4個結(jié)構(gòu)面組合形成的塊體穩(wěn)定計算，可以求解四面體、五面體等塊體的穩(wěn)定性。程序建立的開挖模型如圖1。

圖1地下廠房實體模型

Fig.1Model of Underground Plants計算程序的功能及輸入資料的格式如下：

（1）結(jié)構(gòu)面資料的準備。由于大、中尺度結(jié)構(gòu)面是在一定高程勘探平洞中所揭露的，且通常位于地下洞室頂拱開挖面以上，與實際將要開挖的地下洞室的邊墻不在同一位置。為了使不同開挖面上的計算結(jié)果更加合理，首先根據(jù)主要結(jié)構(gòu)面在勘探平洞中的實際出露位置及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀通過平面延伸的方法，求得主要結(jié)構(gòu)面與地下洞室平洞開挖面相交的位置，然后再運行程序，得到地下洞室開挖面上的塊體位置、規(guī)模、滑動方向。具體計算步驟為：①根據(jù)勘探平洞中揭露的結(jié)構(gòu)面位置，得出結(jié)構(gòu)面的平面方程（假定結(jié)構(gòu)面無限延伸）ax+by+cz=d；②建立地下洞室端墻、頂拱（假設(shè)為平面）、邊墻的平面方程，并使x值不大于地下洞室邊墻長度，y值不大于地下洞室邊墻高度，z值不大于地下洞室頂拱寬度；③求得結(jié)構(gòu)面與開挖面的交線，即結(jié)構(gòu)面在開挖面上的跡線；④整理開挖面上結(jié)構(gòu)面的具體位置，進行樁號編錄，用于分析計算。

（2）UNDGD2.0版程序數(shù)據(jù)輸入與運行：①數(shù)據(jù)輸入。輸入斷層（或有確定位置的長大裂隙）在某一開挖面上的位置（樁號）、各裂隙產(chǎn)狀、黏聚力及內(nèi)摩擦角；②根據(jù)塊體理論計算相應(yīng)于各種運動形式的JP編號；③找出洞室各部位的可動塊體；④根據(jù)洞室開挖面上的結(jié)構(gòu)面分布圖，確定關(guān)鍵塊體的具體位置；⑤計算各關(guān)鍵塊體的體積、質(zhì)量和凈滑動力，在給定穩(wěn)定系數(shù)值后，求出所需的錨固力值。

3工程實例

3.1工程概況

某在建抽水蓄能電站裝機容量150×104 kW，發(fā)電最大水頭292 m。工程主要由上水庫、下水庫和輸水發(fā)電系統(tǒng)三大部分組成。地下廠房樞紐主要洞室包括主廠房、主變洞、母線洞。主廠房與主變洞平行布置，地下廠房開挖尺寸為219.9 m×23.5 m×55.05 m，拱頂開挖高程為-16.05 m，巖錨梁以上開挖跨度為25 m。主變洞開挖尺寸為193.16 m×19.7 m×22.05 m，拱頂開挖高程為-20.5 m。地下廠房垂直埋深為240～290 m，主變洞埋深220～270 m，洞室圍巖由S313m中厚—巨厚層巖屑石英砂巖夾少量泥質(zhì)粉砂巖組成，局部有少量安山斑巖巖脈。

工程區(qū)構(gòu)造體系復(fù)雜，主要特征為：

（1）EW向構(gòu)造是工程區(qū)重要的構(gòu)造體系之一，并以一系列走向EW或近EW向的褶皺、壓性斷裂及其伴生或派生的構(gòu)造形跡組成。工程區(qū)普遍發(fā)育EW向構(gòu)造體系的一對平面“X”節(jié)理：一組為NNW走向；另一組為NNE走向，傾角較陡，平均76°。兩種節(jié)理互相交切，共軛發(fā)育，常常呈菱形展布。

（2）新華夏系是工程區(qū)內(nèi)（特別是地下洞室群區(qū)）最發(fā)育的構(gòu)造體系，主要構(gòu)造帶總體走向為NNE向（15°～20°）；場區(qū)內(nèi)自西向東發(fā)育一系列斷褶帶或復(fù)式背斜、復(fù)式向斜及斷裂構(gòu)造，它們互相制約，基本控制了場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的格局。

3.2邊界條件及材料參數(shù)

塊體穩(wěn)定性不僅與塊體的形態(tài)特征有關(guān)（主要是各類斷裂與洞室臨空面的組合形式），而且各類結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)特性也是影響塊體穩(wěn)定性的重要因素。依據(jù)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征、規(guī)模等，根據(jù)對試驗成果的分析，同時結(jié)合其他工程經(jīng)驗，在分析計算中對結(jié)構(gòu)面參數(shù)做如下限定：①斷層黏聚力取001～003 MPa，內(nèi)摩擦角取15°～22°；②對貫通性較好的長大裂隙（尤其是有滴水、滲水的情況），均按斷層參數(shù)選?。虎蹖τ谟幸欢z結(jié)程度的一般性裂隙，黏聚力取01～02 MPa，內(nèi)摩擦角取25°～30°。

3.3廠房拱頂斷裂展布特征三維模擬

在本次分析中，考慮到8 m高程灌漿、排水洞與廠房頂拱的距離只有24 m，初步認為8 m高程灌漿與排水洞中的斷層能夠延伸到廠房頂拱，并依據(jù)廠房頂拱的7②、7③兩個廊道內(nèi)所揭露的斷層進行廠房各開挖面上的塊體計算與分析，共計16條斷層（表1）。

根據(jù)幾何力學(xué)耦合模擬方法建立的地下廠房區(qū)主要斷裂三維模型見圖2。

3.4主廠房圍巖大、中尺度塊體穩(wěn)定性分析

依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量結(jié)果，考慮斷層與層面、破碎帶組合形成的大、中尺度塊體，計算采用的結(jié)構(gòu)面為17條斷層，層面按間距1.0 m、平面全空間延伸，長大結(jié)構(gòu)面為5條，破碎帶為3條。計算表明，地下

表1廠房開挖面塊體計算時采用的斷層

Tab.1Faults for Calculating Excavation Surface

Block of Plants斷層序號傾角傾向樁號斷層內(nèi)摩擦角080°214°28.11F15620°170°20°25.17F16120°285°348°89.88F15520°363°155°118.70F8620°485°345°114.59F16220°545°125°147.56F8320°671°322°143.99F5420°780°60°128.18F17010°878°45°193.40F5720°985°280°205.89F17520°1070°145°255.36F17220°1146°115°281.14F17620°1270°330°241.71F9020°1366°168°265.11F17320°1445°95°336.81F17120°1570°5°50.64F15720°圖2地下廠房區(qū)斷層三維空間展布

Fig.2Threedimensional Distribution of Faults in

Underground Plants廠房圍巖不存在由斷層組合的大尺度塊體。

各開挖面上的大、中尺度塊體共有79個。其中，下游邊墻共有12個，上游邊墻共有41個，北端墻為4個，頂拱為22個，但這些塊體部分互相嵌套（圖3）。實際塊體的數(shù)量小于79個。以頂拱為例，計算結(jié)果見表2。

3.5主廠房圍巖小尺度隨機塊體穩(wěn)定性分析

根據(jù)野外實測結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分布規(guī)律，對主廠房區(qū)巖體的小尺度結(jié)構(gòu)面進行三維隨機模擬。由于F54斷層上、下盤V級隨機結(jié)構(gòu)面的分布特征不同，本次計算中，考慮Ⅲ級張性斷層上、下盤派生結(jié)構(gòu)面

圖3廠房頂拱大、中尺度塊體分布

Fig.3Distribution of Largemiddle Scale Blocks

Located in Arc of Underground Plants表2廠房頂拱大、中尺度塊體在開挖面上出露的位置

Tab.2Outcrop Positions of Excavation Surface of Largemiddle

Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants塊體號交點1交點2交點3樁號距中心線

距離/m樁號距中心線

距離/m樁號距中心線

距離/m1642126.50.391.09.888.7-6.42288126.50.3120.22.0120.4-0.82290109.0-2.8119.86.3120.4-0.82297129.90.9119.59.6120.4-0.82898126.50.3114.63.5114.1-1.92900109.0-2.8114.51.8114.1-1.93340116.03.1114.51.8114.63.53485150.54.5145.19.1148.64.24589193.07.1194.212.2186.510.94598207.3-1.1191.911.8186.510.94964116.03.1109.0-2.8126.50.34994121.67.8129.90.9109.0-2.84995124.19.9134.01.6109.0-2.84996126.612.0138.22.3109.0-2.85006134.75.2138.22.3134.51.75067213.6-4.8206.36.8199.33.55069207.4-1.2215.811.2199.33.55074207.3-1.1200.94.2199.33.55508215.7-8.2200.94.2206.36.85938193.710.2207.3-1.1193.07.15948209.51.8207.4-1.2213.6-4.81642126.50.391.09.888.7-6.4的分布特征及構(gòu)造體系的宏觀特征，對F54斷層上、下盤分別進行結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬；在此基礎(chǔ)上，對地下廠房各開挖面上的隨機塊體進行穩(wěn)定性分析；計算時，考慮結(jié)構(gòu)面連通率對穩(wěn)定性的影響（表3），得到結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)圖（圖4）。

表3結(jié)構(gòu)面連通率的取值

Tab.3Results of Joint Persistence Ratio of Structural Surface計算面積/m29100400900滑動面連通率/%100959080切割面連通率/%100908060圖4小尺度塊體結(jié)構(gòu)面分布

Fig.4Distribution of Structural Surfaces of

Small Scale Blocks4塊體穩(wěn)定性分析對確定開挖與支護方案的意義4.1圍巖大尺度塊體分布對開挖方案的影響

以地下廠房頂拱為例，在確定頂拱開挖方式時，主要考慮兩方面的因素：其一是保證開挖過程中頂拱圍巖的穩(wěn)定性，主要從塊體分布位置比較開挖方案，對于大型地下洞室的開挖，通常采取中導(dǎo)洞或邊導(dǎo)洞的施工方案；其二需要考慮施工方便，根據(jù)地下廠房中巖層層面的實際出露位置與巖層厚度，考慮由確定性斷層與層面、斷層與破碎帶及斷層與破碎帶組合形成大尺度塊體的穩(wěn)定性。

根據(jù)塊體理論計算得到各塊體在頂拱上的出露位置（表1）。塊體分布主要集中在頂拱開挖面中心軸兩側(cè)，因此，為了保證施工中的穩(wěn)定，擬以中導(dǎo)洞開挖為優(yōu)，便于及時支護相關(guān)的不穩(wěn)定塊體。

4.2圍巖大中尺度塊體特征對錨固的影響

仍以某在建抽水蓄能電站工程為例，按表1計算可以得出如下結(jié)論：①地下廠房頂拱上的關(guān)鍵塊體分布范圍廣，在洞室頂上的出露面積大，而且塊體深度基本在25 m內(nèi)，有利于錨索布置；②單個塊體的凈滑動力最大為14 7481 kN；③單位面積上的凈滑動力小，由于塊體在開挖面上出露面積大，所以絕大部分塊體內(nèi)均有足夠范圍用于布置預(yù)應(yīng)力錨索及系統(tǒng)錨桿；④大尺度塊體以F170、F175兩條斷層與其他結(jié)構(gòu)面組合為主。

在地下廠房頂拱位置，以拱中心線為對稱軸，分別在距中心線2.4、7.2 m處的NE、SW向兩側(cè)布置有長度25.69、25.08 m的1 000 kN級（Ⅲ類圍巖）或1 500 kN級（Ⅳ類圍巖）預(yù)應(yīng)力對穿錨索一排，以及分別在距中心線12.0 m處的 NE、SW向兩側(cè)布置有長度20 m的1 000 kN級（Ⅲ類圍巖）或1 500 kN級（Ⅳ類圍巖）預(yù)應(yīng)力端頭錨索一排。按F170斷層延伸長度超過200 m及不超過頂拱樁號128 m兩種情況對頂拱所有塊體進行復(fù)核，結(jié)果見表4。表4廠房頂拱部位大、中尺度塊體錨固穩(wěn)定性的復(fù)核結(jié)果

Tab.4Rechecked Results of Anchoring Stability of Largemiddle Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants塊體號塊體分布中心樁號樁號距中心線/m塊體出露

面積/m2凈滑力/kN塊體內(nèi)需要錨索

與錨桿數(shù)量錨固深度/m錨固后

穩(wěn)定性尚需補充錨索

與錨桿數(shù)量164288.7～126.5-6.4～9.8298.810 152.87根錨索20.0～27.7穩(wěn)定02288120.2～126.5-0.8～2.08.738.42根錨桿6.0穩(wěn)定02290109.0～120.4-2.8～6.340.91 162.81根錨索20.0～27.7穩(wěn)定02297119.5～129.9-0.8～9.650.03 342.63根錨索20.0～27.7穩(wěn)定02898114.1～126.5-1.9～3.532.8364.71根錨索20.0穩(wěn)定02900109.0～114.5-2.8～1.89.4143.91根錨索20.0穩(wěn)定03340114.5～116.01.8～3.51.20.51根錨桿6.0穩(wěn)定03485145.1～150.54.2～9.15.5128.27根錨桿9.0穩(wěn)定04589186.5～194.27.1～12.218.7844.51根錨索20.0～27.7穩(wěn)定04598186.5～207.3-1.1～11.841.81 103.92根錨索20.0～27.7穩(wěn)定04964109.0～126.5-2.8～3.141.0496.81根錨索20.0～27.7穩(wěn)定04994109.0～129.9-2.8～7.887.73 599.23根錨索20.0～27.7穩(wěn)定04995109.0～134.0-2.8～9.9125.76 182.45根錨索20.0～27.7穩(wěn)定04996109.0～138.2-2.8～12.0170.69 775.67根錨索20.0～27.7穩(wěn)定05006134.5～138.21.7～5.26.359.54根錨桿6.0～9.0穩(wěn)定05067199.3～213.6-4.8～6.852.71 467.02根錨索20.0～27.7穩(wěn)定05069199.3～215.8-1.2～11.270.514 748.110根錨索26.1～27.7不穩(wěn)定6束錨索5074199.3～207.3-1.1～4.26.768.34根錨桿6.0穩(wěn)定05508200.9～215.7-8.2～6.853.01 097.32根錨索20.0～27.7穩(wěn)定05938193.0～207.3-1.1～10.225.3222.81根錨索20.0～27.7穩(wěn)定05948207.4～213.6-4.8～1.812.8159.21根錨索6.0穩(wěn)定09914207.4～215.7-8.2～1.819.8240.313根錨桿6.0穩(wěn)定0計算與復(fù)核結(jié)果表明，對照現(xiàn)有錨固設(shè)計方案，地下廠房頂拱部位的所有大尺度塊體，僅5069號塊體不能滿足安全要求， 5069號塊體需要增加1 500 kN隨機錨索6束。

5結(jié)語

（1）運用基于塊體理論開發(fā)的UNDGRD2.0版程序，可以對廠房區(qū)開挖圍巖的邊墻、端墻與頂拱分別計算大尺度塊體的位置及穩(wěn)定性，程序可以解決塊體的具體分布位置，通過工程實例驗證表明該程序可以推廣應(yīng)用。

（2）針對某工程復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的圍巖特征，采用多種途徑解決了勘探平洞所揭示斷裂構(gòu)造分布局限性，特別是采用幾何力學(xué)耦合模擬方法，較好地處理了斷裂在有限勘探資料中難以描述的缺點，為其應(yīng)用提供了一條途徑。

（3）工程實踐表明，塊體分析精度不僅可以解決開挖方案的優(yōu)化問題，也可以解決大型地下洞室開挖中永久圍巖支護的隨機錨固問題。參考文獻：

References：[1]MANDAL A，CHAKRAVARTHY C P，NANDA A，et al.Analysis and Design Approach for Large Storage Caverns[J].International Journal of Geomechanics，2013，13（1）：6975.

[2]張發(fā)明，龐正江，郭丙躍，等.層狀巖體開挖洞室圍巖塊體穩(wěn)定分析及錨固方法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，32（5）：3943.

ZHANG Faming，PANG Zhengjiang，GUO Bingyue，et al.Stability Analysis and Anchor Methods for Blocks of Underground Layered Rock Mass in Cavern Excavation[J].Hydrology and Engineering Geology，2005，32（5）：3943.

[3]謝良甫，晏鄂川，季惠彬.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）：4851.

XIE Liangfu，YAN Echuan，JI Huibin.Vector Analysis on the Block Failure in Surrounding Rock Mass of Underground Watertight Caverns[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29（6）：4851.

[4]李鵬飛，張頂立，趙勇.滲流作用下海底隧道開挖面圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國公路學(xué)報，2013，26（3）：130136.

LI Pengfei，ZHANG Dingli，ZHAO Yong.Stability Analysis of Subsea Tunnel Face Considering Seepage[J].China Journal of Highway and Transport，2013，26（3）：130136.

[5]徐建國，王復(fù)明，蔡迎春.隧道收斂變形監(jiān)測及圍巖特性參數(shù)反演[J].中國公路學(xué)報，2008，21（3）：8185.

XU Jianguo，WANG Fuming，CAI Yingchun.Convergence Deformation Monitoring of Tunnel and Characteristic Parameter Back Analysis of Surrounding Rock[J].China Journal of Highway and Transport，2008，21（3）：8185.

[6]黃秋香，汪家林，鄧建輝.地下廠房頂拱圍巖變形機制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（增2）：35203526.

HUANG Qiuxiang，WANG Jialin，DENG Jianhui.Deformation Mechanism Analysis of Surrounding Rock at Arch Crown in Underground Powerhouse[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（S2）：35203526.

[7] PRASEAD V V R，DWIVEDI R R D，SWARUP A.Determination of Support Pressure for Tunnels and Caverns Using Block Theory[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2013，37（1）：5561.

[8]ZHANG Q H，WU A Q，ZHANG L J.Statistical Analysis of Stochastic Blocks and Its Application to Rock Support[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2014，43：426439.

[9]巨能攀，黃潤秋，許模，等.某水電站地下洞室隨機塊體穩(wěn)定性評價及系統(tǒng)錨固設(shè)計[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2002，12（2）：208214.

JU Nengpan，HUANG Runqiu，XU Mo，et al.Stability Evaluation of Random Blocks and Design of Systematic Anchoring for the Underground Caverns in Ahydropower Station[J].Journal of Engineering Geology，2002，12（2）：208214.

[10]劉錦華，呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，1988.

LIU Jinhua，LU Zuheng.Block Theory and Its Application to Stability Analysis of Engineering Rock Mass[M].Beijing：China Water and Power Press，1988.

[11]LI J Y，XUE J，XIAO J，et al.Block Theory on the Complex Combinations of Free Planes[J].Computers and Geotechnics，2012，40（1）：127134.

[12]張瑞新，李澤荃，趙紅澤，等.節(jié)理巖體關(guān)鍵塊體穩(wěn)定的概率分析[J].巖土力學(xué)，2014，35（5）：13991405.

ZHANG Ruixin，LI Zequan，ZHAO Hongze，et al.A Probabilistic Analysis of Key Block Stability in Jointed Rock Masses[J].Rock and Soil Mechanics，2014，35（5）：13991405.

[13]李紅旭，盛謙，張勇慧，等.某水電站地下廠房關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性分析[J].人民長江，2011，42（1）：4246.

LI Hongxu，SHENG Qian，ZHANG Yonghui，et al.Analysis on Stability of Key Block of an Underground Powerhouse[J].Yangtze River，2011，42（1）：4246.

[14]張發(fā)明.多尺度三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何模擬及其工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

ZHANG Faming.Multiscale Threedimensional Geological Structure Simulation and Its Application[M].Beijing：Science Press，2007.

[15]王喜華，趙志明，尹建勛，等.雅魯藏布江峽谷段盆因拉隧道巖爆預(yù)測[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2013，35（2）：115119.

WANG Xihua，ZHAO Zhiming，YIN Jianxun，et al.Rockburst Prediction of Penyinla Tunnel in Brahmaputra Valley Section[J].Journal of Earth Sciences and Environment，2013，35（2）：115119.

[16]張發(fā)明，趙維炳，劉寧，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預(yù)測模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（1）：3843.

ZHANG Faming，ZHAO Weibing，LIU Ning，et al.Longterm Performance and Load Prediction Model of Prestressed Cables[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（1）：3843.

[17]張發(fā)明，汪小剛，賈志欣，等.三維結(jié)構(gòu)面連通率的隨機模擬計算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（9）：14861490.

ZHANG Faming，WANG Xiaogang，JIA Zhixin，et al.3D Joint Persistence Calculation Through Random Simulation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（9）：14861490.

[18]張發(fā)明，劉寧，陳祖煜，等.影響大噸位預(yù)應(yīng)力長錨索錨固力損失的因素分析[J].巖土力學(xué)，2003，24（2）：194197.

ZHANG Faming，LIU Ning，CHEN Zuyu，et al.Analysis of Factors Affected on Load Losses of High Capacity and Long Rock Anchors[J].Rock and Soil Mechanics，2003，24（2）：194197.

[19]張發(fā)明，劉寧，趙維炳，等.巖質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固的優(yōu)化設(shè)計方法[J].巖土力學(xué)，2002，23（2）：187190.

ZHANG Faming，LIU Ning，ZHAO Weibing，et al.Optimizing Design Method of Prestressed Cables in Reinforcing Rock Slope[J].Rock and Soil Mechanics，2002，23（2）：187190.

[20]張發(fā)明，陳祖煜，劉寧.巖體與錨固體間粘結(jié)強度的確定[J].巖土力學(xué)，2001，22（4）：470473.

ZHANG Faming，CHEN Zuyu，LIU ning.Determination of Cohesive Strength Between Rock Mass and Anchors[J].Rock and Soil Mechanics，2001，22（4）：470473.

[21]郝杰，侍克斌，陳功民，等.有限長跡線塊體理論及其在圍巖塊體滑落概率分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（7）：14711478.

HAO Jie，SHI Kebin，CHEN Gongmin，et al.Block Theory of Limited Trace Lengths and Its Application to Probability Analysis of Block Sliding of Surrounding Rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（7）：14711478.

[22]ZHANG Y T，XIAO M，DING X L，et al.Improvement of Methodology for Block Identification Using Mesh Gridding Technique[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2012，30：217229.

[23]LI M C，ASCE A M，LIU J，et al.Method for Identifing and Analyzing 3D Surface Blocks of Rock Mass Structure[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2013，139（10）：17561764.

[24]韓彥青，李明超，周紅波.復(fù)雜斷層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地下洞室群三維地質(zhì)分析與應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2014，35（11）：33033309.

HAN Yanqing，LI Mingchao，ZHOU Hongbo.3D Geological Analysis and Application of Underground Caverns Under Environment of Complicated Faults Network Structure[J].Rock and Soil Mechanics，2014，35（11）：33033309.

[25]肖詩榮.三峽工程地下廠房圍巖關(guān)鍵塊體研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005，32（3）：118.

XIAO Shirong.Research on Key Blocks in the Surrounding Rock Mass of Underground Powerhouse，the Three Gorges Project[J].Hydrology and Engineering Geology，2005，32（3）：118.

[26]鄧聲君，陸曉敏，黃曉陽.地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法簡述[J].地質(zhì)與勘探，2013，49（3）：541547.

DENG Shengjun，LU Xiaomin，HUANG Xiaoyang.A Brief Summary of Analysis Methods for the Stability of Underground Surrounding Rock Masses[J].Geology and Exploration，2013，49（3）：541547.

[27]王曉明，李會中，王吉亮，等.烏東德水電站右岸地下廠房隨機塊體特征研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2013，27（2）：475481.

WANG Xiaoming，LI Huizhong，WANG Jiliang，et al.Characteristics of Stochastic Blocks in Underground Powerhouse on the Right Bank of Wudongde Hydropower Station[J].Geoscience，2013，27（2）：475481.

[28]崔銀祥，聶德新，陳強，等.大跨度地下洞室圍巖結(jié)構(gòu)面空間展布的確定性研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，32（4）：351355.

CUI Yinxiang，NIE Dexin，CHEN Qiang，et al.Determinacy of Spatial Distribution and Positioning of the Main Fractures in a Huge Underground Powerhouse[J].Journal of Chengdu University of Technology：Science and Technology Edition，2005，32（4）：351355.

[29]汪小剛，賈志欣，張發(fā)明，等.巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬原理及其工程應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

WANG Xiaogang，JIA Zhixin，ZHANG Faming，et al.The Simulation of Rock Joint Network and Its Application[M].Beijing：China Water and Power Press，2010.第37卷第2期2015年3月地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報Journal of Earth Sciences and EnvironmentVol37No2Mar. 2015