李建強(qiáng) 張 寧 李承中

結(jié)構(gòu)面對洞室穩(wěn)定性的影響

李建強(qiáng) 張 寧 李承中

結(jié)合實(shí)例工程，詮釋了地下洞室隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和結(jié)構(gòu)面與洞室開挖后形成臨空面的空間組合關(guān)系，搜索典型塊體，分析塊體組合類型，運(yùn)用極限平衡理論，計(jì)算可能失穩(wěn)塊體的安全系數(shù)F，量化塊體的失穩(wěn)特征，為地下洞室支護(hù)方案提供重要的數(shù)據(jù)資料。

結(jié)構(gòu)面 洞室穩(wěn)定性 組合特征 失穩(wěn)模式 穩(wěn)定性計(jì)算

地下洞室圍巖的穩(wěn)定性對施工安全和進(jìn)度有著決定性影響，影響洞室圍巖穩(wěn)定性的主要因子包括巖性、巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面類型、剪切帶或斷層、地下水狀況、埋深和結(jié)構(gòu)面充填等[1]，其中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和空間組合關(guān)系對洞室穩(wěn)定性起著重要作用。一般而言，巖體結(jié)構(gòu)面是自然地質(zhì)歷史進(jìn)程的產(chǎn)物，不同的歷史條件，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和組合關(guān)系而各異。工程地質(zhì)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，綜合不同因素的影響，分析和計(jì)算結(jié)構(gòu)面特征及組合關(guān)系對洞室穩(wěn)定性的影響取得了豐碩的成果[1~3]，但地下洞室隨機(jī)結(jié)構(gòu)面與洞室開挖后的臨空面組合形成的可能失穩(wěn)塊體特征的分析，目前多數(shù)為理論性評價(jià)，量化評價(jià)較少，本文運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算可能失穩(wěn)塊體的安全系數(shù)，量化可能失穩(wěn)塊體的失穩(wěn)特征，為洞室支護(hù)方案提供重要的數(shù)據(jù)資料。

1 工程概況

某工程地處喜馬拉雅山前緣，巖性主要為第三系上統(tǒng)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，巖性較單一，工程地質(zhì)條件較好，但四、五級結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，洞室開挖后進(jìn)行精細(xì)編錄，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布特征圖及走向玫瑰花圖見圖1。

工程區(qū)結(jié)構(gòu)面主要發(fā)育有8組，各組結(jié)構(gòu)面的優(yōu)勢產(chǎn)狀見表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主，角度多在60°~70°之間；緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育較少，角度多在20°~30°之間，但對洞室圍巖的穩(wěn)定性起著控制性作用，特別是與洞軸線平行發(fā)育的緩傾角結(jié)構(gòu)面。各組結(jié)構(gòu)面和洞室開挖后臨空面的空間組合關(guān)系，是影響洞室圍巖穩(wěn)定性的決定性因素。

圖1 工程區(qū)洞室結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

2 洞室圍巖塊體組合特征

2.1 塊體分類

結(jié)構(gòu)面和臨空面組成的塊體分為多種類型，從整體上說，塊體可分為無限和有限2種，有限塊體可分為不可動(dòng)塊體和可動(dòng)塊體，而可動(dòng)塊體又分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體3種(圖2)。無限塊體、不可動(dòng)塊體和穩(wěn)定塊體一般不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，巖體處于較穩(wěn)定狀態(tài)；關(guān)鍵塊體是在工程作用力和自重作用力下就可以滑動(dòng)的塊體，這類塊體必須采取工程措施才能保證其穩(wěn)定性；可能失穩(wěn)塊體的穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面有足夠的抗剪強(qiáng)度下才能保持穩(wěn)定，給工程造成后果最為嚴(yán)重的就是可能失穩(wěn)塊體和關(guān)鍵塊體。

表1 工程區(qū)發(fā)育結(jié)構(gòu)面優(yōu)勢產(chǎn)狀

圖2 塊體類型二維示意圖

2.2 工程區(qū)洞室塊體組合特征

該工程洞室類型為城門洞型，該類型洞室開挖后可形成M1~M10共10個(gè)臨空面 （圖3）。其中M1，M2和M8位于洞室底板位置，對工程的安全影響較?。籑9與M10為洞室的掘進(jìn)面和開挖面，其安全系數(shù)相對較高，一般不會(huì)存在較大的安全隱患；M3~M7為洞室應(yīng)力集中、釋放區(qū)，既洞室圍巖失穩(wěn)破壞的主要位置，分析巖體結(jié)構(gòu)面與M3~M7的組合關(guān)系，成為評價(jià)和計(jì)算洞室穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。

圖3 城門洞型洞室臨空面模型

將工程區(qū)發(fā)育的主要8組結(jié)構(gòu)面展布至洞室上，與洞室臨空面組合形成4種塊體類型，其中可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體主要分布在洞室W4、W5和 W6三個(gè)區(qū)域，塊體W3形成于底板位置，為穩(wěn)定塊體。塊體的空間分布位置及組合特征參見圖4。

圖4 工程區(qū)洞室塊體組合類型

3 塊體的穩(wěn)定性計(jì)算及失穩(wěn)特征

運(yùn)用極限平衡理論對關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，分析塊體的失穩(wěn)模式和滑動(dòng)方向，以雙滑面為例 （圖5），其計(jì)算公式為：

沿交棱線j向下作用的下滑力為S：

式中 W——塊體自重；

V——拉裂縫的抗拉力和拉裂縫中水壓力總和；

T——外力 （本文中不涉及）；

mw,j——向量w和j的點(diǎn)積 （其他類推）。

安全系數(shù)F的計(jì)算公式為下式：

圖5 塊體穩(wěn)定分析示意圖

式中 Nl——滑面A上的有效向反力；

Nr——滑面A上的有效向反力；

c——黏聚力；

φ——摩擦角。

對工程區(qū)洞室發(fā)育的8組結(jié)構(gòu)面與臨空面組合形成的關(guān)鍵塊體和可動(dòng)塊體W4、W5和W6進(jìn)行穩(wěn)定性分析和計(jì)算。塊體W3為不可動(dòng)塊體；塊體W4為可動(dòng)塊體，雙側(cè)滑面，滑面分別為第1組結(jié)構(gòu)面和第2組結(jié)構(gòu)面，塊體的滑動(dòng)方向?yàn)镾E144°，剪出角為 8°，塊體質(zhì)量為296.5 t，安全系數(shù)為7.436，處于穩(wěn)定狀態(tài)，塊體各邊界條件參見表2；塊體W5沿第3組結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，滑動(dòng)方向?yàn)镹W293°，剪出角為21°，塊體的質(zhì)量為415.1 t，安全系數(shù)1.385，為關(guān)鍵塊體，塊體各邊界條件參見表2，洞室開挖后，需加強(qiáng)支護(hù)；塊體W6沿第2組結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，滑動(dòng)方向?yàn)镾W230°，剪出角為64°，塊體質(zhì)量0.259 t，安全系數(shù)為0.024，為失穩(wěn)塊體，塊體各邊界條件參見表2，塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主，由于塊體較小，建議洞室開挖后，采取剝落或相應(yīng)的支護(hù)措施。

表2 塊體穩(wěn)定分析統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

巖體結(jié)構(gòu)面是影響地下洞室穩(wěn)定性的主要因素。實(shí)例工程區(qū)地層巖性單一，工程地質(zhì)條件較好，影響洞室穩(wěn)定性的主要因素為四、五級隨機(jī)結(jié)構(gòu)面，精細(xì)編錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，工程區(qū)發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面，以陡傾角結(jié)構(gòu)面為主，結(jié)構(gòu)面與洞室臨空面組合形成的可動(dòng)和關(guān)鍵塊體主要在3個(gè)位置出露。運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算塊體的安全系數(shù)和分析塊體的失穩(wěn)特征，塊體W4為可動(dòng)塊體，安全系數(shù)為7.436，處于穩(wěn)定狀態(tài)；塊體W5為關(guān)鍵塊體，安全系數(shù)為1.385，在洞室開挖后，需加強(qiáng)相應(yīng)的支護(hù)措施；塊體W6為失穩(wěn)塊體，安全系數(shù)為0.024，塊體失穩(wěn)主要以崩塌模式為主，由于塊體較小，建議洞室開挖后，采取剝落或相應(yīng)的支護(hù)措施。

[1]巨能攀，趙建軍，黃潤秋，等.控制性結(jié)構(gòu)面對地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響 [J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010，37 (2)：188-194.

[2]馮夏庭，馬平波.基于數(shù)據(jù)挖掘的地下硐室圍巖穩(wěn)定性判別 [J].中國科技論文在線.

[3]陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析 [M].北京：中國水利水電出版社，2005.

李建強(qiáng) 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

張 寧 女 工程師 東北煤田地質(zhì)局一0三勘探隊(duì)遼寧遼陽 111000

李承中 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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（2016-03-22）