彭蓉蓉

(江西省高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心， 江西 南昌 330036)

?

基于三維重構(gòu)的隧道圍巖穩(wěn)定性快速分析及動(dòng)態(tài)反饋

彭蓉蓉

(江西省高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心， 江西 南昌 330036)

節(jié)理的存在降低了巖體的完整性和連續(xù)性，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定具有重要影響，若支護(hù)不及時(shí)或強(qiáng)度不夠?qū)?huì)嚴(yán)重威脅施工安全。本文依托井岡山特長隧道，提出了基于三維重構(gòu)、塊體理論的隧道圍巖穩(wěn)定性快速分析方法，動(dòng)態(tài)反饋、指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工方案優(yōu)化。針對(duì)中風(fēng)化砂巖、Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段，通過地質(zhì)素描與統(tǒng)計(jì)分析，建立基于節(jié)理特征的三維重構(gòu)地層模型； 運(yùn)用塊體理論，分析隧道開挖時(shí)臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)； 提出圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)反饋方法，并對(duì)比分析不同支護(hù)方案。研究表明： 開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護(hù)措施，根據(jù)動(dòng)態(tài)反饋明確在實(shí)際施工時(shí)必須嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)方案施作錨桿支護(hù)。基于三維重構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性快速分析及動(dòng)態(tài)反饋，可以實(shí)現(xiàn)施工過程中地質(zhì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集、分析與反饋，及時(shí)依據(jù)實(shí)際開挖地層條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)體系，確保結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)安全性。

隧道； 節(jié)理特征； 三維重構(gòu)； 圍巖穩(wěn)定性； 快速分析； 動(dòng)態(tài)反饋

0 引言

受長期地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，巖體內(nèi)部廣泛分布著產(chǎn)狀不一的節(jié)理、層理等軟弱結(jié)構(gòu)面，不僅破壞了巖體原有的連續(xù)性和完整性，還導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)的顯著降低[1]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，裂隙巖體受隧道開挖擾動(dòng)影響較大，若支護(hù)不及時(shí)或巖體強(qiáng)度不足，圍巖會(huì)沿節(jié)理面滑動(dòng)，產(chǎn)生大變形甚至塌方。因此，考慮節(jié)理裂隙產(chǎn)狀設(shè)計(jì)施工與支護(hù)方案，對(duì)于保障施工安全尤為重要。然而，不同隧道區(qū)段的巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀差異較大，隧道開挖前難以獲取足夠精細(xì)的節(jié)理信息，僅憑工程類比的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法無法保障支護(hù)體系適應(yīng)圍巖實(shí)際情況。針對(duì)這一現(xiàn)狀，有必要開展隧道圍巖穩(wěn)定性的快速分析，隨著掌子面推進(jìn)，動(dòng)態(tài)地揭示與再現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)特征，分析現(xiàn)有施工與支護(hù)方案下的圍巖穩(wěn)定性，通過及時(shí)反饋，優(yōu)化施工方法與支護(hù)設(shè)計(jì)。

開展隧道圍巖穩(wěn)定性的快速分析，需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來預(yù)測(cè)前方優(yōu)勢(shì)節(jié)理分布特征； 然而，由于巖體結(jié)構(gòu)面分布的隨機(jī)性、多樣性和不均勻性，僅利用幾個(gè)統(tǒng)計(jì)量很難對(duì)結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)進(jìn)行確定性的測(cè)量； 因此，在巖體結(jié)構(gòu)描述方面需要采用更先進(jìn)的分析手段。目前，建立在概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)之上的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)得到了較大發(fā)展[2-5]。雷光偉[6]通過Monte-Carlo法，對(duì)巖體節(jié)理進(jìn)行三維網(wǎng)絡(luò)模擬，研究了裂隙巖體滲透張量的算法。譚淑紅[7]歸納了巖體結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬的基本原理，以概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)理論和Monte-Carlo模擬為基礎(chǔ)，研制了隨機(jī)結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng)。李若堯[8]以高放廢物地下處置為研究對(duì)象，建立了確定性與隨機(jī)性相結(jié)合的結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模型，并基于圖像處理技術(shù)，編制了巖體裂隙三維網(wǎng)絡(luò)模型的生成及可視化程序。李建勇等[9]對(duì)經(jīng)典塊體理論和典型發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，提出巖體結(jié)構(gòu)面是控制塊體穩(wěn)定性的主要因素。以上研究充分展示了三維網(wǎng)絡(luò)模擬的發(fā)展前景和巨大優(yōu)勢(shì)，其目前已成為巖體力學(xué)研究的一個(gè)重要手段，但在分析圍巖穩(wěn)定性時(shí)也多是從解析角度出發(fā)，缺乏快速簡(jiǎn)便的分析方法。

本文選取修建于裂隙巖體中的井岡山隧道，在中風(fēng)化砂巖、Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段進(jìn)行三維重構(gòu)，精細(xì)化描述開挖面節(jié)理裂隙的發(fā)育產(chǎn)狀，并基于塊體理論探索不同支護(hù)條件下的潛在不穩(wěn)定塊體，實(shí)現(xiàn)隧道穩(wěn)定性的快

速分析。該方法相比傳統(tǒng)的有限元、離散元等方法更易被工程人員掌握，從而可以方便地借助動(dòng)態(tài)反饋，輔助支護(hù)方案調(diào)整與現(xiàn)場(chǎng)安全管理，加快施工進(jìn)程。

1 節(jié)理特征描述與圍巖三維重構(gòu)

1.1 工程概況

井岡山隧道是分離式雙洞隧道，左洞起止樁號(hào)為ZK5+180～ZK12+4，隧道長度為6 824 m； 右洞起止樁號(hào)為YK5+163～YK12+4.624，隧道長度為6 841.624 m。隧道穿越丘陵區(qū)，隧址地層主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其他巖類相對(duì)較多，圍巖級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)。洞內(nèi)巖體破碎，裂隙水系發(fā)育，初期支護(hù)采用工字鋼鋼拱架和錨網(wǎng)噴，二次襯砌采用C20和C25鋼筋混凝土。

1.2 基于地質(zhì)素描的節(jié)理特征參數(shù)描述

依托井岡山特長隧道，分別對(duì)不同圍巖區(qū)段開展地質(zhì)素描工作，統(tǒng)計(jì)分析節(jié)理發(fā)育特征，以節(jié)理發(fā)育規(guī)律明顯的中風(fēng)化砂巖、Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段為例，描述節(jié)理特征參數(shù)。

圖1為井岡山隧道左線ZK5+381掌子面中心處的重繪CAD圖，綜合判定圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，若施工控制措施不當(dāng)，在隧道掌子面尤其拱部易引發(fā)掉塊甚至局部小范圍坍塌等較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)結(jié)構(gòu)面等密度圖獲得結(jié)構(gòu)面的分組，見表1。

圖1 隧道掌子面重繪圖

表1 節(jié)理發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)表

1.3 裂隙巖體三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

由設(shè)計(jì)資料可知，井崗山隧道開挖斷面寬12.1 m、高9.7 m，ZK5+381斷面處埋深約70 m。建模時(shí)，向上取至地表，隧道底部向下取1倍斷面高度，自隧道中軸線向兩側(cè)各取3倍斷面寬度，故地層模型高約89.4 m，寬約72.6 m，沿隧道軸線方向取30 m長，模型如圖2所示。

圖2 地層及隧道模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，選擇正態(tài)分布模型，在地層范圍內(nèi)通過控制走向、傾角等參數(shù)，插入優(yōu)勢(shì)節(jié)理群，參照實(shí)際工況，在開挖面附近對(duì)主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行修飾，使之與實(shí)際工況盡量吻合，如圖3所示。

圖3 三維網(wǎng)絡(luò)模擬示意圖

2 臨空面關(guān)鍵塊體檢索分析方法

2.1 赤平解析法簡(jiǎn)介

在常見分析方法中，塊體理論主要依據(jù)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息直接判斷相應(yīng)巖體的可動(dòng)性，計(jì)算結(jié)果完全是三維的且所得結(jié)果能直接用于工程需求，同時(shí)塊體理論也是非連續(xù)變形分析和數(shù)值流形方法等非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法發(fā)展的基礎(chǔ)； 因此，塊體理論在巖石力學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。塊體理論主要分析手段為矢量分析法、極射赤平投影圖和赤平解析法[10-12]，其中，赤平解析法尤為適合節(jié)理巖體隧道穩(wěn)定性的分析。

塊體理論赤平解析法的核心是通過幾何分析，排除所有的無限塊體和不可動(dòng)塊體，再通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找出工程作用力和自重作用下的所有可能失穩(wěn)塊體，然后根據(jù)滑動(dòng)面的物理力學(xué)特性，確定工程開挖面上所有的關(guān)鍵塊體，并計(jì)算出所需錨固力，制訂出相應(yīng)的錨固措施，消除潛在的連鎖反應(yīng)，確保隧道安全。

2.2 塊體失穩(wěn)模式判定

可動(dòng)塊體失穩(wěn)形式判斷矩陣為

D=LN。

式中L、N分別為加入開挖面后結(jié)構(gòu)面與開挖面的位置矩陣和空間參量矩陣。

根據(jù)判斷矩陣的結(jié)果對(duì)有限塊體的滑動(dòng)形式進(jìn)行判斷： 1)若判斷矩陣中各行元素均為0或1，表示結(jié)構(gòu)面最低點(diǎn)都在塊體投影區(qū)內(nèi)，塊體將垂直掉落。2)若判斷矩陣中有元素不全為0或1的行，則塊體為單面滑動(dòng)。若第i行中元素都為0或1，塊體沿結(jié)構(gòu)面Pi滑移。3)若判斷矩陣都不滿足以上條件，則為雙面滑動(dòng)。

2.3 塊體穩(wěn)定性判別

當(dāng)塊體重力沿下滑面的分力大于塊體在該面上所受的摩擦力和黏聚力之和時(shí)，塊體下滑；反之，塊體穩(wěn)定；若二者相等，則塊體處于極限平衡狀態(tài)。因此，可以通過計(jì)算二者的比值K來分析其穩(wěn)定性。

當(dāng)可動(dòng)塊體直接脫落時(shí)，安全系數(shù)K=0；

當(dāng)塊體沿滑動(dòng)面i單面滑動(dòng)時(shí),安全系數(shù)

(1)

當(dāng)塊體沿滑動(dòng)面i和j雙面滑動(dòng)時(shí),安全系數(shù)

(2)

式中：Q為塊體重力；Ci、φi和Cj、φj分別為滑動(dòng)面i和j上的黏聚力及內(nèi)摩擦角；Si和Sj分別為滑動(dòng)面i和j的面積；αi為滑動(dòng)面i的傾角；αij為滑動(dòng)面i和j交線棱的傾角；Ni和Nj為作用在2個(gè)滑動(dòng)面上的法向力。

2.4 塊體穩(wěn)定性分析流程

塊體穩(wěn)定性分析流程如圖4所示。

圖4 塊體穩(wěn)定性分析流程

3 隧道開挖圍巖穩(wěn)定性快速分析

基于得到的三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模型，借助塊體理論，研究無支護(hù)開挖條件下圍巖穩(wěn)定性，重點(diǎn)分析臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)。圖5示出無支護(hù)開挖條件下塊體檢索情況。

圖5 無支護(hù)開挖條件下關(guān)鍵塊體分布

由統(tǒng)計(jì)塊體計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)受節(jié)理切割影響，隧道開挖后臨空面共出現(xiàn)754塊可動(dòng)塊體，總體積為275 m3，其中關(guān)鍵塊體(安全系數(shù)不足1，紅色塊體表示)共150塊、可能失穩(wěn)塊體(安全系數(shù)不足2.4)共81塊、穩(wěn)定塊體(安全系數(shù)大于2.4)共523塊。不同安全系數(shù)的塊體體積比例如圖6所示。

圖6 不同類型塊體體積比例

檢索、列出體積較大的關(guān)鍵塊體，如圖7所示。

圖7 對(duì)施工安全影響顯著的關(guān)鍵塊體分布

Fig. 7 Distribution of key blocks affect construction safety significantly

依據(jù)失穩(wěn)類型，統(tǒng)計(jì)雙面滑動(dòng)、單面滑動(dòng)及垂直掉落塊體的數(shù)量并計(jì)算其所占比例，如圖8所示。其中： 單面滑動(dòng)塊體多達(dá)83塊，占比為58%； 雙面滑動(dòng)塊體占比為40%； 在軸向30 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)了3塊垂直掉落的關(guān)鍵塊體。

圖8 不同失穩(wěn)類型塊體比例

整體上，在無支護(hù)開挖條件下，臨空面關(guān)鍵塊體主要集中在右側(cè)拱頂部位，受優(yōu)勢(shì)節(jié)理Ⅱ產(chǎn)狀影響較為明顯；兩側(cè)拱腰部位分布少量關(guān)鍵塊體，受優(yōu)勢(shì)節(jié)理Ⅰ產(chǎn)狀影響較為明顯。從施工安全角度考慮，開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護(hù)措施，特別是施作錨桿支護(hù)。

4 支護(hù)參數(shù)合理性分析及施工安全動(dòng)態(tài)反饋

上述計(jì)算表明，對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的中風(fēng)化砂巖、Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段，必須施作支護(hù)措施。后續(xù)研究依據(jù)設(shè)計(jì)方案建立計(jì)算模型，分析系統(tǒng)錨桿對(duì)關(guān)鍵塊體的維護(hù)作用，同時(shí)通過削弱支護(hù)強(qiáng)度考慮設(shè)計(jì)方案的合理性，用于動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工過程中的方案組織。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值模擬，通過反分析不同強(qiáng)度參數(shù)下錨桿注漿前后結(jié)構(gòu)變形、受力的差異，可以認(rèn)為施作錨桿支護(hù)后，節(jié)理面黏聚力提高10%。

4.1 原設(shè)計(jì)方案下圍巖穩(wěn)定性快速分析

依據(jù)設(shè)計(jì)文件，Ⅳ級(jí)圍巖段采取“超前錨桿+錨噴支護(hù)+格柵拱架+二次襯砌”支護(hù)體系，全斷面210°范圍內(nèi)布設(shè)φ22水泥砂漿錨桿，桿長3.0 m，縱向間距×環(huán)向間距為100 cm×100 cm，梅花形布設(shè)。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)錨桿拉拔試驗(yàn)測(cè)得拉拔力為120 kN，由GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》計(jì)算錨桿軸向拉力和黏結(jié)力：

F拉=σ·A=335·103·π·0.0112=127 kN;

F黏=τ·π·D·l=2.4·103·π·0.022·1=150 kN。式中：σ為屈服強(qiáng)度，MPa；A為錨桿截面積，m2；τ為黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；D為錨桿直徑，m；l為單位長度，取1 m。

參考GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中“巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度”，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理產(chǎn)狀，確定結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和黏聚力，見表2。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，建立計(jì)算模型，如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)方案施作支護(hù)后，關(guān)鍵塊體(紅色區(qū)域)大大減少。

表2 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度

(a) 錨桿支護(hù)體系 (b) 塊體分布

Fig. 9 Support system of anchor bolt and distribution of blocks

對(duì)比分析支護(hù)前體積較大的關(guān)鍵塊體，以關(guān)鍵塊體1和關(guān)鍵塊體2為對(duì)象，分析支護(hù)前后差異，見圖10。支護(hù)前，2塊體分別表現(xiàn)為單面滑動(dòng)、雙面滑動(dòng)，安全系數(shù)不足1；施作錨桿支護(hù)后，在錨桿加固作用影響下，關(guān)鍵塊體1、2的安全系數(shù)調(diào)整為6.01、9.74，安全性大幅提升，滿足施工要求。

圖10 支護(hù)前后臨空面關(guān)鍵塊體分布差異

Fig. 10 Distributional difference of key blocks in free face before and after supporting

對(duì)現(xiàn)有安全系數(shù)小于1的關(guān)鍵塊體進(jìn)行分析，未出現(xiàn)雙面滑動(dòng)情況，3塊為垂直掉落，5塊為單面滑動(dòng)。通過分析塊體體積、重力，發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵塊體體積不足0.5 m3，對(duì)施工影響相對(duì)較小，開挖后應(yīng)及時(shí)清理這類圍巖并噴射混凝土、掛網(wǎng)，形成完整的支護(hù)體系。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，結(jié)果表明該區(qū)段在施工單位依據(jù)設(shè)計(jì)方案合理布設(shè)支護(hù)體系后，未發(fā)現(xiàn)較大掉塊或坍塌事故，驗(yàn)證了支護(hù)方案及計(jì)算結(jié)果的合理性。

4.2 支護(hù)參數(shù)合理性分析及動(dòng)態(tài)反饋

上述計(jì)算基于原設(shè)計(jì)方案開展，屬于“預(yù)分析”的范疇。實(shí)際施工過程中，不同區(qū)段節(jié)理裂隙產(chǎn)狀有所差異，應(yīng)合理開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，預(yù)測(cè)前方優(yōu)勢(shì)節(jié)理分布特征，并結(jié)合掌子面揭露情況，快速構(gòu)建考慮節(jié)理裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)模型，分析特定支護(hù)參數(shù)下的圍巖穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)反饋、指導(dǎo)施工方案組織，從而避免施工單位僅依據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)自行修改支護(hù)參數(shù)，誘發(fā)施工安全事故或造成較大經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)反饋流程如圖11所示。

圖11 基于三維重構(gòu)與超前預(yù)報(bào)的施工安全動(dòng)態(tài)反饋

以所建模型為例，鑒于原支護(hù)方案安全、可靠，未出現(xiàn)安全事故，考慮是否允許適當(dāng)削減支護(hù)強(qiáng)度，分析支護(hù)參數(shù)的合理性。將原設(shè)計(jì)方案的錨桿支護(hù)范圍、間距分別縮減為全斷面180°、環(huán)向1.2 m、軸向1.5 m，建立計(jì)算模型如圖12所示。

分析支護(hù)削弱后計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵塊體數(shù)量增加至13塊，總體積達(dá)到7.8 m3，其中6塊體積超過0.5 m3，對(duì)施工安全影響較大。基于分析結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋，在實(shí)際施工時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案施作錨桿支護(hù)，確保施工安全，不得擅自削弱支護(hù)強(qiáng)度。

圖12 錨桿支護(hù)削弱后網(wǎng)絡(luò)模型

5 結(jié)論與討論

本文依托井岡山隧道，建立了基于節(jié)理產(chǎn)狀的三維重構(gòu)模型，運(yùn)用塊體理論，進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性分析，提出了節(jié)理發(fā)育巖體隧道支護(hù)的動(dòng)態(tài)反饋方法，得出以下結(jié)論。

1)基于地質(zhì)素描與數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)節(jié)理特征進(jìn)行精細(xì)化描述，實(shí)現(xiàn)了裂隙巖體三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，結(jié)合赤平投影解析理論，可動(dòng)態(tài)分析不同支護(hù)方案下的圍巖穩(wěn)定性，為節(jié)理發(fā)育巖體隧道的建模與圍巖穩(wěn)定性的分析提供了新的有效手段。

2)基于三維重構(gòu)模型，采用塊體理論，分析了井岡山隧道在無支護(hù)、原支護(hù)方案下的臨空面關(guān)鍵塊體分布、失穩(wěn)形式及安全系數(shù)，結(jié)果表明開挖后圍巖穩(wěn)定性較差，必須采取相應(yīng)的支護(hù)措施；通過對(duì)比不同支護(hù)方案，明確實(shí)際施工應(yīng)嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)方案支護(hù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工跟蹤觀測(cè)，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于巖體三維網(wǎng)絡(luò)模擬是以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)進(jìn)行的，為了提高模擬結(jié)果的精度，有必要進(jìn)一步形成巖體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)。

[1] 朱成華. 節(jié)理巖體隧道分析方法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2012. ZHU Chenghua. Study of analysis methods of tunnel in jointed rock mass[D].Chongqing: Chongqing University, 2012.

[2] 索超峰, 石益東, 李軍. 節(jié)理特征對(duì)破碎圍巖穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)[J]. 公路交通科技, 2013, 30(4): 82-87. SUO Chaofeng, SHI Yidong， LI Jun. Model test of effect of joint characteristics on stability of broken rock mass [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013, 30(4): 82-87.

[3] 徐光黎，唐輝明，杜時(shí)貴，等. 巖體結(jié)構(gòu)模型與應(yīng)用[M].武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 1993.

XU Guangli，TANG Huiming，DU Shigui，et al. Modelling of rock mass structures and its applications [M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 1993.

[4] 陳征宙, 胡伏生, 方磊, 等. 巖體節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1998, 20(1): 22-25. CHEN Zhengzhou, HU Fusheng, FANG Lei, et al. Technique for simulating joint network of rock masses [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1998, 20(1): 22-25.

[5] 陳劍平. 巖體隨機(jī)不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬技術(shù)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2001, 23(4): 397-402. CHEN Jianping. 3D network numerical modeling technique for random discontinuities of rock mass [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(4): 397-402.

[6] 雷光偉. 巖體節(jié)理幾何特征研究及三維網(wǎng)絡(luò)模擬[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2015. LEI Guangwei. Study of rockmass joints geometric feature and three-dimensional network simulation [D]. Chongqing: Chongqing University, 2015.

[7] 譚淑紅. 隨機(jī)結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬方法及系統(tǒng)研制[D]. 北京: 中國地質(zhì)大學(xué), 2010. TAN Shuhong. The theory and developing of the program 3D network modeling for random discontinuities [D]. Beijing: China University of Geosciences, 2010.

[8] 李若堯. 確定性與隨機(jī)性相結(jié)合結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型及圍巖塊體穩(wěn)定性研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013. LI Ruoyao. 3D network modeling for stochastic discontinuities with deterministic information and rock block stability analysis of surrounding rock masses [D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2013.

[9] 李建勇, 肖俊, 王穎. 巖體穩(wěn)定性分析的塊體理論方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2010, 46(21): 4-8. LI Jianyong, XIAO Jun, WANG Ying. Simulation method of rock stability analysis based on block theory [J]. Computer Engineering and Applications, 2010, 46(21): 4-8.

[10] 張昱輝, 郭吉平, 孔凡林. 基于塊體理論的隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(1): 41-45. ZHANG Yuhui, GUO Jiping, KONG Fanlin. Analysis of stability of surrounding rock of tunnel based on block theory [J]. Tunnel Construction, 2015, 35(1): 41-45.

[11] 吳豪偉, 蔡美峰. 塊體理論赤平解析法的節(jié)理裂隙巖體破壞預(yù)測(cè)分析[J]. 中國礦業(yè), 2011, 20(3): 57-60. WU Haowei, CAI Meifeng. Analysis of prediction of failure of fractured rock mass by stereo-analytical method based on block theory [J]. China Mining Magazine, 2011, 20(3): 57-60.

[12] 張子新, 廖一蕾. 基于塊體理論赤平解析法的地下水封油庫圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(7): 1339-1347. ZHANG Zixin, LIAO Yilei. Stability analysis of surrounding rock mass of water-tight oil storage using block theory based on stereo-analytical method [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(7): 1339-1347.

Fast Analysis and Dynamic Feedback of Tunnel Surrounding Rock Stability Based on 3D Reconstruction

PENG Rongrong

(JiangxiExpresswayNetworkingManagementCenter,Nanchang330036,Jiangxi,China)

The integrity and continuity of rock mass will be reduced and the stability of surrounding rock will be affected due to fissure. The construction safety can not be guaranteed in case of delayed support or inadequate strength. A fast analysis method for the stability of tunnel surrounding rock based on 3D reconstruction and block theory is put forward relying on Jinggangshan Tunnel, so as to realize dynamic feedback and provide guidance for the design and optimization of construction scheme. The 3D reconstruction model based on the feature of fissures in the section with medium weathered sandstone and Grade Ⅳ surrounding rock is established in accordance with the geological sketch and statistical analysis. And then, the key block distribution, instability mode and safety factor in free face are analyzed by block theory. Finally, the dynamic feedback method for surrounding rock stability is proposed, and the different support schemes are comparatively analyzed. The study results show that: 1) The stability of surrounding rock is poor after excavation, and the corresponding supporting measures have to be taken; the anchor bolt support in original design scheme should be strictly carried out in accordance with dynamic feedback. 2) The dynamic acquisition, analysis and feedback of geological data during tunnel construction can be realized by fast analysis and dynamic feedback of surrounding rock stability based on 3D reconstruction; and in view of actual geological data, dynamic adjustment of support system and the economic benefits and safety of tunnel structure can be realized.

tunnel; characteristics of fissure; 3D reconstruction; stability of surrounding rock; fast analysis; dynamic feedback

2016-07-27;

2016-10-11

江西省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2011C0061)

彭蓉蓉(1981—)，女，江西南昌人，2007 年畢業(yè)于上海財(cái)經(jīng)大學(xué)，工程經(jīng)濟(jì)專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事高速公路橋隧工程建設(shè)管理工作。E-mail： Queenie13@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.007

U 45

A

1672-741X(2017)05-0565-06