西秦岭隧道岩体精细化描述及关键块体研究

高文山

(中铁十八局集团有限公司兰渝铁路工程指挥部，甘肃武都 746041)

裂隙岩体节理面的滑移、张开是隧道失稳的关键科学问题，一直是工程界和学术界关注的焦点。随着我国客运专线的快速发展，隧道穿越地层更加复杂，不可避免穿越节理破碎的区域，节理裂隙的规模、产状、间距直接决定围岩稳定性，如果不能正确判断关键块体，无法有效和针对性的控制，往往会造成隧道坍塌和失稳问题。相关单位和专家、学者对节理岩体进行了一些研究，并取得了一定的研究成果［1- 2］。

郑颖人［3］结合模型试验与数值方法，研究了岩体的节理倾角、破裂面位置对隧道的破坏状态及其安全系数影响。豆海涛［4］利用数值模拟，研究了支护体系的渗透规律，探讨不同位置和地下水位条件下结构受力特点。王华牢［5］采用非连续分析方法，研究了断续节理扩展过程，提出了连拱隧道的受力特性，为隧道施工中的支护加固提供依据。邹飞［6］采用破坏性模型试验，研究岩体节理间距、倾角对TBM盘形滚刀破岩影响，重点分析了主裂纹扩展能量的发展规律。张志强和何本国［7］研究了节理岩体隧道围岩稳定性判定合理指标，探讨了细观结构机制和宏观力学行为。李军［8］采用离散元UDEC程序对隧道围岩节理特征进行分析，研究了节理组数、倾角、间距对围岩稳定性的影响。

参考国内外文献［9-10］，目前学者研究主要集中在研究节理的力学行为，而且往往都是假定的节理产状，而对工作面围岩信息精细化描述研究比较少，采用优势节理面的方法研究隧道的关键块体更少。以新建铁路兰渝线中段西秦岭隧道为依托，进行隧道工作面岩体精细化描述，确定优势节理面和关键块体，对节理岩体隧道的设计、动态施工具有重要科学意义和工程价值。

1 隧道工作面节理特征精细化描述

1.1 工程概况

西秦岭特长隧道位于新建铁路兰渝线中段，地处甘肃省陇南市武都区境内。隧道的高程主要在1000m到2 400m，最高处和最低处相差约1 400m，隧道的埋深最大处约为1 500m。隧道穿越地层主要为第四系全新统松散层、砂质千枚岩，泥盆系灰岩、下元古界变砂岩夹砂质千枚岩、砂质千枚岩。西秦岭隧道全长28.236 km，右线出口DIK423+352～DIK403+590，全长19.662 km，采用TBM施工，在罗家理预备洞地段DIK413+388设置双车道无轨运输斜井。

1.2 隧道工作面节理特征精细化描述

对隧道施工过程中工作面和侧壁等区域出露的岩体节理，按照国际岩石力学协会建议的描述标准对其节理信息进行逐一的采集、编录。以左线DIK35+505为例，分析走向、倾向、倾角的分布规律，然后根据节理分布密度，确定岩体结构优势节理面。

从现场观察看出，围岩级别为Ⅳ级(勘察报告为Ⅴ级)，以强风化灰岩为主，单块岩石抗压强度较高，属较坚硬岩，围岩节理裂隙发育，呈中、薄层状或碎裂状，节理类型以剪节理为主，具有共轭特征，节理面张开宽度较大，以泥质和砂质填充为主，结构面结合程度差，围岩自稳能力一般，若开挖后不及时支护易出现小掉块或局部小坍塌，地下水稍发育，围岩潮湿。

西秦岭隧道左线DIK35+505断面工作面素描，岩体延续性中等，节理信息如图1、表1所示。

图1 工作面岩体素描

表1 西秦岭隧道左线DIK35+505断面节理信息

从现场看，岩体属于碎裂结构，围岩变形是结构面与岩石变形共同作用的结果，结构面相嵌、张开、滑移等力学形态都影响结构的稳定性;碎裂结构隧道破坏形式多为局部破坏和较大坍塌。

1.3 优势节理面

天然岩体节理分布具有一定的规律性，但是有些节理具有控制岩体整体稳定性的作用。将现场实测的节理信息进行各种数据的处理。根据统计结果，节理产状的极点分布如图2所示。统计该圆内不同位置极点数目占极点总数的比例，得到极点密度(如图3所示)。

图2 节理产状极点分布示意

从图3可以看出，节理主要集中在三个区域，以此定义为隧道节理岩体的优势节理面，在利用优势节理面研究隧道掉块和坍塌的范围和趋势。依据节理产状等密度图，统计得到西秦岭隧道左线DIK35+505节理裂隙隧道三组优势节理面(如表2所示)。

根据表2中的产状，得到隧道轴线与优势节理面的关系，预测隧道围岩稳定性，并且为隧道有效支护提供科学依据。

2 围岩关键块体稳定性

由表2可得出各结构面的产状，可得出其法向矢量(如表3)。表中:x轴为E向，y轴为N向，z轴为竖直向上。分别表示相应结构面单位法向量。

表3 各结构面法向矢量坐标

根据式(1)、式(2)，得出ni(0，0，－1)时各运动方向坐标(如表4所示)。

表4 各运动方向矢量坐标

再根据运动方向坐标进行判别关键块体:脱离岩体运动为式(3)、沿单面滑动为式(4)、沿双面滑动为式(5)，求得其净滑力F

根据得到的各块体净滑力确定相应的关键块体，通过以上数据对该隧道围岩做赤平投影，得出岩层产状与关键块体关系(如图4所示)。

根据图4可画出关键块体的最大可动区域，如图5(a)所示。同时依据表2中的优势节理产状，结合UNWEDGE软件，建立了西秦岭隧道和围岩块体的三维模型，进行关键块体的识别，数值模拟结果为图5(b)。

图4 岩层产状与关键块体关系

图5 西秦岭隧道围岩关键块体分布

从图5可以看出:洞壁沿着节理面失稳，隧道拱腰左侧、拱顶处较容易坍塌，解析法和数值模拟结果一致，从而验证方法的正确性。针对失稳的关键块体，建议采用非对称支护结构进行局部加固，可以有效提高围岩稳定性。同时，加快进度，节约成本，缩短围岩裸露时间。

3 结论

在现场测量西秦岭隧道左线DIK35+505工作面围岩信息特征的基础上，绘制赤平投影，确定优势节理面，最终找出关键块体。

(1)对西秦岭隧道工作面节理面的自然特征进行精细化描述，测量规模、产状、间距、粗糙度等关键参数，获取岩体工程地质性质的节理特征。

(2)根据现场工作面岩体信息，绘制赤平投影、以及节理密度图，在此基础上，确定隧道工作面岩体的优势节理面(组数及倾向、倾角)。

(3)隧道在各结构面切割成块体的情况下，存在失稳坍塌的危险，通过几何分析和力学计算，使用块体理论中的赤平投影法对围岩进行稳定性分析，找出隧洞断面上的关键块体，解析法和数值模拟结果一致，从而验证方法的正确性。

(4)根据工作面节理发育情况对开挖时可能出现不稳定块体掉落的位置做出快速判断，并对其稳定性进行判别，做到提前预防。针对失稳的关键块体，建议采用非对称支护结构，进行局部加固，可以有效提高围岩稳定性;同时，加快进度，节约成本，缩短围岩裸露时间。

［1］陈志广．铁路隧道下穿公路受力分析研究［J］．铁道勘察，2013(3):4044

［2］周六生．隧道超前地质预报现状及常见认识误区浅析［J］．铁道勘察，2013(3):3839

［3］郑颖人，王永甫，王成，等．节理岩体隧道的稳定分析与破坏规律探讨——隧道稳定性分析讲座之一［J］．地下空间与工程学报，2011，7(4):649656

［4］豆海涛．基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析［J］．铁道勘察，2014(1):3638

［5］王华牢，许崇帮，夏才初．断续节理扩展算法在隧道围岩稳定分析中的应用［J］．岩土工程学报，2012，34(2):349354

［6］邹飞，李海波，周青春，等．岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究［J］．岩土力学，2012，33(6):16401646

［7］张志强，何本国，关宝树．节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究［J］．现代隧道技术，2012，49(1):1219

［8］李军，吴惠卿，王彦杰．节理特征和围岩支护对隧道变形的影响分析［J］．施工技术，2013，42(3):8286

［9］Jamal Idris，Marwan Al-Heib，Thierry Verdel．Numerical modelling of masonry joints degradation in built tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24(6):617626

［10］朱超．隧道开挖对坡体稳定性的影响研究［J］．铁道勘察，2013(1):4244