基于地质力学的某城门洞形引水隧洞进口段块体稳定分析

高 旭，晏鄂川，张世殊，卓琦斐，邹 浩

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)



基于地质力学的某城门洞形引水隧洞进口段块体稳定分析

高 旭1，晏鄂川1，张世殊2，卓琦斐1，邹 浩1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

基于某城门洞形引水隧洞进口段详细的地质调查，通过地质力学原理，分析岩体内构造结构面体系的形成与发育过程。运用块体理论中矢量分析法，以平面逼近曲面洞壁方法，分析出该隧洞进口段的可动块体，在满足力学条件下判别出可动块体中的关键块体，计算出其净滑动力和失稳形式。结果表明，隧洞进口段结构面主要为构造面，关键块体以结构面①、②单面滑动为主，且主要分布于隧洞左、中顶面，具体位于隧洞顶偏左47.5 cm处。施工时，应重点监测关键块体出露的位置，并采取有针对性的防治措施。

地质力学；块体理论；矢量分析；引水隧洞

0 引 言

引水隧洞进口段岩体质量较差，开挖施工最易发生塌方事故。如何有效预测可能失稳区及其失稳形式，以便采取针对性的防治措施，成为工程施工中的重要问题。在结构面发育的工程岩体中，块体失稳是常见的破坏形式。石根华[1- 2]提出了赤平投影法判断失稳块体的方法，采用矢量法分析岩体的稳定性；R.E.Goodman[3]与石根华合作创立了块体理论；刘锦华[4]系统全面地将块体理论介绍到国内，使块体理论在国内得到迅速发展和应用，成为岩体稳定分析的一种有效方法[5- 8]；谢良甫[9]利用块体理论矢量分析法分析某地下水封洞库围岩块体的稳定性；王迎超[10]应用块体理论分析某隧道不利节理组合，预测出不稳定块体的出露位置；李小昌[11]采用UNWEDGE程序分析地下洞室关键块体等。以上研究没有针对具有曲面洞壁的城门洞形地下洞室或隧洞中关键块体判别的研究。此外，隧洞等地下工程勘察仅通过地表调查和普通的钻探、坑槽探等，对岩体结构的调查结果都具有一定误差，有必要对调查数据进行理论上的验证，从而确保后续工作的可靠性。

本文从地质力学原理出发，分析了某城门洞形引水隧洞进口段的岩体结构，采用块体理论中矢量分析方法，分析该隧洞进口段围岩块体的稳定性。该方法以平面逼近曲面洞壁方法分析具有曲面洞壁的城门洞形隧洞的可能破坏块体及其失稳形式，以便开挖前采取针对性的防治措施，达到提前预测的目的。

1 工程概况

某城门洞形引水隧洞全长11.8 km，断面为城门洞形，洞轴线矢量倾角α=89.943°(坡度i=1/1 000)，倾向β=51°(洞轴线走向为NE51°)。隧洞进口位于水库北部库岸上，所在斜坡总体走向北西，倾向南西，坡角下部50°～60°、上部40°～50°，总体上缓下陡，坡面上无深切沟谷发育。坡体为整体倾向北西的单斜岩层构造，边坡结构类型为切向坡。隧洞进口全貌见图1。

图1 隧洞进口全貌

斜坡表层不连续覆盖第四系土层，基岩为志留系纱帽组灰绿色粉砂质泥岩，局部夹泥质粉砂岩。斜坡上未见断裂，主要为倾向北西的单斜岩层构造，岩层产状为337°∠36°。区内主要发育2组节理裂隙，产状稳定，延伸较远，平直光滑，节理面上偶见擦痕，等距排列，组成“X”形的共轭裂隙，其锐角平分线指示主压应力方向。构造体系见图2。倾向北西的单斜岩层构造及“X”形的共轭剪节理正是在多期构造应力场作用下，具有成生联系的构造行迹的组合。可以认为，控制隧洞开挖块体稳定的主要结构面是层面和节理面。

图2 构造体系

类比同一工程区其他工程的岩体质量，获取了主控结构面参数，见表1。为避免漏判可能破坏块体，后续剩余下滑力计算中只考虑内摩擦角，使其结果偏于安全。

表1 主控结构面参数

结构面优势产状内摩擦角/(°)平均间距/m①层面337°∠36°2705②节理1243°∠80°1804③节理2158°∠55°1805

2 关键块体分析

2.1 判别无限裂隙锥

根据块体理论，判别关键块体首先应找出已知结构面条件下的所有无限裂隙锥，步骤如下：

2.2 确定可动块体

若一块体为可动性块体，则其由结构面构成的裂隙锥为无限块体(JP≠φ)。同时，由其结构面和临空面共同构成的块体为有限块体，即BP=EP∩JP=φ。式中，EP表示仅以临空面为界的岩体半空间所构成的棱锥；BP表示由若干组结构面和临空面为界的岩体半空间所构成的棱锥。

城门洞形隧洞上部为曲面洞壁，以平面逼近曲面洞壁方法将其划分为3部分，最后得到5个临空面，见图3。基于无限裂隙锥判别，再考虑与各临空面组合关系，对上述8个无限裂隙锥建立以下可动性判别矩阵

图3 隧洞临空面(单位：mm)

临空面临空面产状块体编号左边墙320°∠90°111左顶面320°∠30°011中顶面0°∠0°101右顶面140°∠30°000右边墙140°∠90°000

2.3 判别关键块体

确定各临空面可动块体仅是纯几何学问题，还需要在已知结构面组合和主动力合力之后，判别可动块体的运动形式，再进一步根据结构面物理力学特性从可动块体中判别出关键块体(失稳块体)。

2.3.1 块体运动形式判别

通过计算，判别出满足上述条件相应各运动形式的块体(见表3)。

表3 判别结果

运动形式矢量坐标(x，y，z)块体编号脱离岩体运动r⇀(0，0，-1)111沿结构面①滑动s⇀1(-03161，07447，-05878)011沿结构面②方向滑动s⇀2(-01547，-00788，-09848)101沿结构面③方向滑动s⇀3(02149，-05318，-08192)110沿结构面①、②同时滑动s⇀12(-04580，06734，-05804)001沿结构面①、③同时滑动s⇀13(-09249，-038，-00084)000沿结构面②、③同时滑动s⇀23(01264，-05648，-08155)100

2.3.2 净滑动力计算

计算出只考虑自重作用下的所有相应可能失稳的块体后，计算净滑动力F值。若F>0，则块体为关键块体。不同运动形式下的净滑动力计算如下：

(1)当块体脱离岩体运动时

(2)当块体沿i面滑动时

式中，φ为结构面内摩擦角。

(3)当块体沿i面和j面同时滑动时

只考虑自重W情况下，计算出各运动形式的净滑动力值(见表4)。

表4 净滑动力值

运动方式净滑动力值r⇀Ws⇀101756Ws⇀209284Ws⇀306328Ws⇀1201425Ws⇀13-04391Ws⇀2305036W

对照表1、2、3，既满足几何条件下的可动块体，又满足力学条件下净滑动力值F>0，从而找出关键块体编号、运动方式及其所在临空面。编号011关键块体在隧洞左顶面位置沿结构面①单面滑动；编号101关键块体在隧洞中顶面位置沿结构面②单面滑动。

3 数值模拟验证

本文目的在于引水隧洞进口段块体稳定性评价。隧洞进口段与地表高差不大(约10 m)，必须考虑地形对隧洞的影响。同时，由于影响其块体稳定的是空间3组结构面，第②组结构面法线与洞轴线小角度相交，建立二维模型不能反映出这组结构面的影响。综上所述，基于3DEC，建立三维地质模型。考虑到数值计算内存容量以及研究问题集中在进口段隧洞块体稳定，模型中只在距洞口20 m范围内按表1中的3组结构面进行划分并赋值。只考虑自重应力作用，底边界固定约束，左右前后边界分别固定x、y方向位移，计算10万时步。关键块体数值模拟结果见图4。

图4 关键块体数值模拟结果

由图4可知，在3组结构面切割下，隧洞进口段岩体不稳定块体(关键块体)主要集中于隧洞左上部位，与采用矢量解析法计算结果一致，验证了解析计算结果的正确性。为进一步获取其具体位置，通过fish语言编制程序，获得垂直位移最大的块体位于隧洞顶偏左47.5 cm处。

4 结 语

本文从地质力学原理出发，分析认为某城门洞形引水隧洞开挖引起的块体稳定主要控制性结构面是层面和节理面。编号011关键块体在隧洞左顶面位置沿结构面①单面滑动。编号101关键块体在隧洞中顶面位置沿结构面②单面滑动，根据各位置上可能破坏块体的剩余下滑力值，在实际工程施工时采取针对性的防治措施。

平面逼近曲面洞壁的块体理论矢量分析方法能够较准确地判别引水隧洞进口段可能失稳块体及失稳形式，达到提前预测的目的。为解决矢量法不能求出关键块体的具体位置这一弊端，可通过三维离散元数值模型获取。

[1]石根华. 岩体稳定分析的赤平投影方法[J]. 中国科学， 1977(3)： 269- 271．

[2]石根华. 岩体稳定分析的几何方法[J]. 中国科学， 1981(4)： 487- 495．

[3]GOODMAN R E， SHI G H. Block Theory and Its applications to Rock Engineering[M]. Englewood Cliffs： Prentice hall， 1985．

[4]刘锦华， 吕祖衍. 块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M]. 北京： 水利水电出版社， 1988．

[5]朱华， 汪飞， 刘阳， 等. 块体理论在地下水封石洞油库围岩稳定性的分析与应用[J]. 水利与建筑工程学报， 2012， 10(1)： 151- 154．

[6]张昱辉， 郭吉平， 孔凡林. 基于块体理论的隧道围岩稳定性分析[J]. 隧道建设， 2015， 35(1)： 41- 45．

[7]陈孝湘， 夏才初， 缪圆冰. 基于关键块体理论的隧道分部施工时空效应[J]. 长安大学学报： 自然科学版， 2011， 31(2)： 57- 62．

[8]张子新， 廖一蕾. 基于块体理论赤平解析法的地下水封油库围岩稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2010， 29(7)： 1339- 1347．

[9]谢良甫， 晏鄂川， 季恵彬. 地下水封洞库围岩块体失稳矢量分析方法研究[J]. 长江科学院院报， 2012， 29(6)： 48- 51．

[10]王迎超， 李勇良， 李亚博， 等. 隧道中不稳定块体的预测模型[J]. 中国科技论文， 2015， 10(1)： 21- 25．

[11]李小昌， 袁振霞， 张志增. 块体理论及UNWEDGE程序在地下洞室稳定分析中的应用[J]. 中原工学院学报， 2014， 25(3)： 38- 42．

(责任编辑 杨 健)

Stability Analysis of Key Blocks in Entrance Section of a Gate Hole Diversion Tunnel Based on Geomechanics

GAO Xu1, YAN Echuan1, ZHANG Shishu2, ZHUO Qifei1, ZOU Hao1

(1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China; 2. PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Based on detailed geological survey of a diversion tunnel entrance section, the stability of surrounding rock mass is evaluated by using vector analysis. The moveable blocks in entrance section of tunnel are determined by using plane approximate the circular upper wall method, the key blocks of moveable blocks are found out by mechanical analysis, and the driving forces and failure modes of key blocks are also calculated. The results show that this diversion tunnel entrance section is stable, the key blocks mainly slide by single structural surface ① and ② which mostly distributed on the left and the middle surfaces with exact location in left 47.5 cm to top. During construction period, the monitoring should be focused on key block area and appropriate control measures should be adopted．

geomechanics; block theory; vector analysis; diversion tunnel

2016- 04- 01

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2011CB710605)；中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司(P225- 2014)

高旭(1990— )，男，四川广元人，博士研究生，研究方向为岩土体稳定性评价与利用．

TU457

A

0559- 9342(2016)09- 0033- 04