结构面对硐室稳定性的影响

李建强, 张 宁, 李承中, 孙天青

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222; 2.东北煤田地质局 一○三勘探队,辽宁 辽阳 111000)

结构面对硐室稳定性的影响

李建强1, 张 宁2, 李承中1, 孙天青1

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222; 2.东北煤田地质局 一○三勘探队,辽宁 辽阳 111000)

结合实例工程,诠释地下硐室随机结构面的发育特征和结构面与硐室开挖后形成临空面的空间组合关系,搜索典型块体,分析块体组合类型,运用极限平衡理论,计算可能失稳块体的安全系数F,量化块体的失稳特征,为地下硐室支护方案提供重要的数据资料。

结构面;硐室稳定性;组合特征;失稳模式;稳定性计算

地下硐室的稳定性对施工安全和工程进度有着决定性影响,影响硐室稳定性的主要因子包括岩性、完整岩石强度、岩体结构、结构面类型、剪切带或断层、地下水条件、埋深、结构面充填等[1],其中结构面的发育特征和空间组合关系对硐室稳定性起着重要作用。一般而言,岩体结构面是自然地质历史进程的产物,不同的历史条件下产生的结构面，其发育特征和组合关系各异。工程地质结合区域地质条件,综合不同因素的影响,分析和计算结构面特征及组合关系对硐室稳定性的影响取得了丰硕的成果[1-3],但对于地下硐室随机结构面与硐室开挖后的临空面组合形成的可能失稳块体特征的分析,目前多数为理论性评价,量化评价较少,本文运用极限平衡理论计算可能失稳块体的安全系数,量化可能失稳块体的失稳特征,为硐室支护方案提供重要的数据资料。

1 工程概况

某工程地处喜马拉雅山前缘,岩性主要为第三系上统粉砂岩和泥质粉砂岩,岩性较单一,工程地质条件较好,但四、五级结构面较发育,硐室开挖后进行精细编录,结构面产状分布特征图及走向玫瑰花图见图1。

工程区结构面主要发育有8组,各组结构面的优势产状见表1。统计结果表明,以陡倾角结构面为主,角度多在60°～70°之间;缓倾角结构面发育较少,角度多在20°～30°之间,但对硐室的稳定性起着控制性作用,特别是与洞轴线平行发育的缓倾角结构面。各组结构面和硐室开挖后临空面的空间组合关系,是影响硐室稳定性的决定性因素。

图1 工程区硐室结构面发育特征Fig.1 Development characteristics of structural plan of chamber in project area

表1 工程区发育结构面优势产状

2 硐室块体组合特征

2.1 块体分类

结构面和临空面组成的块体分为多种类型,从整体上说,块体可分为无限和有限两种,有限块体可分为不可动块体和可动块体,而可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体和关键块体三种(图2)。无限块体、不可动块体和稳定块体一般不会产生运动,岩体处于较稳定状态;关键块体是在工程作用力和自重作用力下就可以滑动的块体,这类块体必须采取必要的工程手段才能保证其稳定性;可能失稳块体的稳定性取决于结构面的抗剪强度,只有当结构面有足够的抗剪强度时才能保持稳定,给工程造成最为严重后果的就是可能失稳块体和关键块体。

图2 块体类型二维示意图Fig.2 Two-dimensional schematic diagram of block typea.无限块体;b.倒楔块体;c.稳定块体;d.可能稳定块体;e.关键块体。

2.2 工程区硐室块体组合特征

该工程硐室类型为城门洞型,该类型硐室开挖后可形成M1-M10共10个临空面(图3)。其中M1,M2和M8位于硐室底板位置,对工程的安全影响较小;M9与M10为硐室的掘进面和开挖面,其安全系数相对较高,一般不会存在较大的安全隐患;M3-M7为硐室应力集中、释放区,即硐室失稳破坏的主要位置,分析岩体结构面与M3-M7的组合关系,成为评价和计算硐室稳定性的关键所在。

将工程区发育的主要八组结构面展布至硐室上,与硐室临空面组合形成4种块体类型,其中可动块体和关键块体主要分布在硐室W4、W5和W6三个区域,块体W3形成于底板位置,为稳定块体。块体的空间分布位置及组合特征参见图4。

图3 城门洞型硐室临空面模型Fig.3 Free face model of chamber of gate way-like structure

图4 工程区硐室块体组合类型Fig.4 Block combination type of chamber in project area

3 块体的稳定性计算及失稳特征

运用极限平衡理论对关键块体的稳定性进行计算,分析块体的失稳模式和滑动方向,以双滑面为例(图5),其计算公式为:

图5 块体稳定分析示意图Fig.5 Schematic diagram of block stability analysis

沿交棱线j向下作用的下滑力为S:

S=mw,jW+mv,jV+mt,jT

(1)

式中:W为块体自重;V为拉裂缝的抗拉力和拉裂缝中水压力总和;T为外力(本文中不涉及);mw,j为向量w和j的点积(其他类推)。

安全系数F的计算公式为下式:

(2)

式中:Nl为滑面A上的有效向反力;Nr为滑面A上的有效向反力;C为粘聚力;φ为摩擦角。

对工程区硐室发育的八组结构面与临空面组合形成的关键块体和可动块体W4、W5和W6进行稳定性分析和计算。块体W3为不可动块体;块体W4为可动块体,双侧滑面,滑面分别为第1组结构面和第2组结构面,块体的滑动方向为SE144°,剪出角为8°,块体自重为296.5×103kg,安全系数为7.436,处于稳定状态,块体各边界条件参见表2;块体W5沿第3组结构面滑动,滑动方向为NW293°,剪出角为21°,块体的自重为415.1×103kg,安全系数1.385,为关键块体,块体各边界条件参见表2,硐室开挖后,需加强支护;块体W6沿第2组结构面滑动,滑动方向为SW230°,剪出角为64°,块体自重0.259×103kg,安全系数为0.024,为失稳块体,块体各边界条件参见表2,块体失稳主要以崩塌模式为主,由于块体较小,建议硐室开挖后,采取剥落或相应的支护措施。

表2 块体稳定分析统计表

4 结论

岩体结构面是影响地下硐室稳定性的主要因素。实例工程区地层岩性单一,工程地质条件较好,影响硐室稳定性的主要因素为四五级随机结构面,精细编录统计结果表明,工程区发育多组结构面,以陡倾角结构面为主,结构面与硐室临空面组合形成的可动和关键块体主要在3个位置出露。运用极限平衡理论计算块体的安全系数和分析块体的失稳特征,块体W4为可动块体,安全系数F为7.436,处于稳定状态;块体W5为关键块体,安全系数F为1.385,在硐室开挖后,需加强相应的支护措施;块体W6为失稳块体,安全系数为0.024,块体失稳主要以崩塌模式为主,由于块体较小,建议硐室开挖后,采取剥落或相应的支护措施。

[1] 巨能攀,赵建军,黄润秋,等.控制性结构面对地下洞室围岩稳定性的影响[J].成都理工大学学报(自然科学版),2010,37(2):188-194.

[2] 冯夏庭,马平波.基于数据挖掘的地下硐室围岩稳定性判别[J].岩石力学与工程学报,2001,20(3):306-309.

[3] 陈祖煜.岩质边坡稳定分析[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

(责任编辑：陈姣霞)

Effect of Structure Plane on Chamber Stability

LI Jianqiang1, ZHANG Ning2, LI Chengzhong1, SUN Tianqing1

(1.ChinaWaterResourcesBeifangInvestigationDesign&ResearchCo.Ltd.,Tianjin300222;2.No.103ExplorationTeam,ChinaNortheasternCoalfieldGeologicalBureau,Niaoyang,Niaoning111000)

Combining with the engineering example,the paper interprets development characteristics andspace combination relations of structural plane and chamber,searches typical blocks,analyzes block combination type. By using the limit equilibrium theory,the safety factor F of the unstable block can be calculated,and the instability characteristics of the block can be quantified.It provides important data for underground chamber support.

structural plane; chamber stability; assemblage characteristics; instability mode; stability calculation

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

李建强(1982-),男,工程师,硕士研究生,地质工程专业,从事地质勘察工作。E-mail:ljq112@126.com

TU457

A

1671-1211(2016)03-0543-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.067

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.012.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24