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基于塊體理論安全系數(shù)的隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)

文檔作者：邵冠慧①② 李曉昭①② 趙曉豹①② 紀(jì)成亮② 王益壯② 袁亮② 文檔來源： ①南京大學(xué) ②南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月27日
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Journal ofEngineering Geology 工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004—9665／2010／18(4)一0581—05
基于塊體理論安全系數(shù)的隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)
邵冠慧①② 李曉昭①② 趙曉豹①② 紀(jì)成亮② 王益壯② 袁 亮②
(①南京大學(xué)一華東有色地勘局地下空間與地質(zhì)環(huán)境研究所南京210007)
(②南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院南京210093)
摘要以連云港后云臺(tái)山隧道為工程地質(zhì)背景。所研究隧址區(qū)主要巖性較為單一，以硬質(zhì)的變粒巖為主，部分地段見軟弱
的綠片巖層，軟硬巖層交切，在洞頂和洞壁容易形成掉塊和坍塌?？紤]到其結(jié)構(gòu)面控穩(wěn)的特點(diǎn)，利用Unwedge程序，將塊體理
論應(yīng)用于指導(dǎo)隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括洞形的選擇，隧道走向的優(yōu)化、支護(hù)參數(shù)的確定等。通過實(shí)例分析與計(jì)算證明，塊體理論在
低地應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)面控穩(wěn)的地下洞室的優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
關(guān)鍵詞 塊體理論安全系數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)面
中圖分類號(hào)：U452．1 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
TUNNEL DESIGN oPTIM IZATIoN BASED oN SAFETY FACToR oF KEY．
BLoCK THEoRY
SHAO Guanhui①② LI Xiaozhao~ ZHAO Xiaobao~ JI Chengliang② WANG Yizhuang② YUAN Liang②
((~)NJU-ECE Institutefor Underground and Geoenvironment，Nanjing 210007)
((~Department ofEach Sciences，Nhnjing University，Nanjing 210093)
Abstract This paper takes the Yuntaishan tunnel located in Lianyungang as an example．The lithology around the
tunnel is single，which consists of a massive of hard granulite and a small amount of weak green schist．The inter—
section of the structural features releases blocks or wedges which can fall or slide from the surface of the tunnel excavation．
This paper considers its discontinuity controlling mode1．The keyblock theory is used to optimize the de—
sign of the tunnel th Unwedge procedure，which includes the choice of hole shape，the vend of the tunnel，suppo~
parameters．Through the analysis and calculation，it is indicated that the key block theory is correct and eficient，
which is sign ificant to the further study of the optimization of tunnel design in low ground stress regions．
Key words Key block theory ，Safety factor，Design optimization，Discontinuity plane
1 引 言
在堅(jiān)硬巖體中淺層地下開挖時(shí)，破壞經(jīng)常是由
斷層，巖層層面，節(jié)理等不連續(xù)面控制的，這些結(jié)構(gòu)
面的相互交叉把巖體切割成可從開挖表面掉落或滑
動(dòng)的塊體。變形和破壞一般沿單一不連續(xù)面滑動(dòng)，
或沿不連續(xù)面的交線滑動(dòng) 。在節(jié)理巖體中相對(duì)
較淺部位，且地應(yīng)力不高條件下開挖隧道，最常見的
破壞類型是隧洞拱頂楔形體的跨落和邊墻楔形體的
滑動(dòng)。
在隧洞圍巖中采用極射赤平投影技術(shù)確定潛在
{收稿日期：2009—10—08；收到修改稿日期：2009—12—28．
第一作者簡介：邵冠慧，主要從事地下工程和數(shù)值模擬方面研究工作．Email：shaoguanhui1984@163．tom
582 Journal ofEngineering Geology 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)2010
的楔形體，對(duì)重要楔形體用極限平衡法就其破壞模
式、安全系數(shù)及支護(hù)要求進(jìn)行研究。安全系數(shù)(包
括支護(hù)的作用)，對(duì)滑動(dòng)塊體或楔形體來說應(yīng)超過
1．5，對(duì)跨落楔形體或塊體應(yīng)超過2．0，滿足不了上
述要求的塊體，就應(yīng)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)加固 j。
塊體理論(KBT)，適用于分析在堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬
的巖層中，被不同產(chǎn)狀、不同規(guī)模的結(jié)構(gòu)面切割成各
種類型的空間鑲嵌塊體沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移而失穩(wěn)
的狀況。國內(nèi)很多學(xué)者將其成功運(yùn)用于工程實(shí)踐
中，黃正加，鄔愛清 應(yīng)用塊體理論對(duì)三峽地下廠
房圍巖裂隙隨機(jī)塊體即大斷層定位塊體和三峽船閘
高邊坡塊體進(jìn)行分析，并對(duì)加固后的穩(wěn)定性進(jìn)行研
究；孫鈞，張子新 認(rèn)為塊體理論解析法是分析裂
隙巖體工程穩(wěn)定性行之有效且可靠的方法，它可以
正確分析硐室圍巖穩(wěn)定性與巖體結(jié)構(gòu)面的關(guān)系，這
是目前彈塑性巖石力學(xué)做不到的；毛海和，夏才
初 運(yùn)用塊體理論赤平解析法分析龍灘水電站地
下廠房洞室群的穩(wěn)定性，對(duì)各開挖面構(gòu)成可能移動(dòng)
塊體的不連續(xù)面分布情況進(jìn)行較系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。
本文以連云港后云臺(tái)山隧道為工程地質(zhì)背景，
認(rèn)為塊體理論不僅僅可以用于圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，
更可以用于指導(dǎo)隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)和反饋分析，例如洞
形的選擇，隧道的走向，支護(hù)參數(shù)確定等，具有更多
現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
2 基本原理
塊體理論是1985年R．E．Goodman和石根華聯(lián)
合創(chuàng)立的，是近十幾年來發(fā)展起來的一種巖體工程
穩(wěn)定分析方法。
Unwedge程序是基于石根華塊體理論而開發(fā)
的，它假定結(jié)構(gòu)面相切形成的塊體為四邊形，即由三
組結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面組成，主要考慮塊體的重力
及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，另外假定結(jié)構(gòu)面為平面，巖體
的變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形，結(jié)構(gòu)體為剛體，結(jié)構(gòu)面貫
穿研究區(qū)域，每次參與組合的結(jié)構(gòu)面為三組(圖1)，
Unwedge會(huì)自動(dòng)生產(chǎn)最大可能的楔形塊體，并計(jì)算
出安全系數(shù)。塊體有三種破壞方式，即直接跨落，沿
單面滑動(dòng)及沿雙面滑動(dòng) 。
需要說明的是這些楔形體為給定幾何條件下所
能形成的最大楔形體，通常確定這些楔形體的計(jì)算，
其前提認(rèn)為不連續(xù)面是普遍存在的，換句話說，巖體
中任何地方都存在不連續(xù)面，并且在分析中假設(shè)節(jié)
理、層面和其他結(jié)構(gòu)面是平面狀的并且是連續(xù)的。
圖1 峒室三組節(jié)理組合方式
Fig．1 The combination of three sets of
discontinuities around a cavern．
這些條件意味著找到的總是所能形成的最大楔形
體，其結(jié)果通常被認(rèn)為是保守的，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)巖體中形
成的楔形體的尺寸會(huì)受到結(jié)構(gòu)面的長度及間距的限
制，若認(rèn)為最大的楔形體不可能形成時(shí)，軟件UN—
WEDGE能將楔形體縮小到更實(shí)際的尺寸 。
軟件UNWEDGE適用于原地應(yīng)力低、堅(jiān)硬和半
堅(jiān)硬的巖層中。
3 工程背景
后云臺(tái)山隧址區(qū)位于連云港后云臺(tái)山連云港鎮(zhèn)
附近，隧道近南北走向，隧道埋深約20～50m。隧道
區(qū)內(nèi)未見斷裂構(gòu)造破碎帶，主要巖性較為單一，以硬
質(zhì)的變粒巖為主，部分地段見軟弱的綠片巖層，軟硬
巖層交切，其中Ⅱ一Ⅲ級(jí)圍巖約占總長度的90％(表
1)。據(jù)地面地質(zhì)調(diào)繪，隧道工程區(qū)附近節(jié)理發(fā)育。
統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，節(jié)理主要發(fā)育：a．NW 向節(jié)理：走向
(NW)294?！?15。，傾向SW，NE。以SW為主，傾角
69?！?1。。b．NE向節(jié)理：走向(NE)55。一73。，傾向
SE，NW。以sE為主，傾角79?！?2。，其次走向
NE17?！?5。也有顯示，總體節(jié)理產(chǎn)狀陡傾角為主
(圖2，3)。
表1 隧道圍巖級(jí)別統(tǒng)計(jì)表
Tabe1 1 Statistics of tunnel rock masses level
隧址區(qū)地面地質(zhì)調(diào)繪中發(fā)現(xiàn)，弱～微風(fēng)化變粒
巖巖體多呈塊狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理一般為2～3
組，呈微張狀，結(jié)合度一般，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)同一組節(jié)理間
距平均值為30—75cm，巖體完整程度屬于較完整
18(4) 邵冠慧等：基于塊體理論安全系數(shù)的隧道優(yōu)化設(shè)計(jì) 583
類，該隧址的穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面控制。
N
W E
圖2 隧址區(qū)節(jié)理玫瑰花圖
Fig．2 Rose diagram of joint of Tunnel site
w
N
S
E
圖3 隧址節(jié)理赤平極射投影圖
Fig．3 stereographic proiection of Tunnel site
3．1 不同洞形下安全系數(shù)的變化規(guī)律
根據(jù)工程的特點(diǎn)，隧洞可以采用不同的斷面形
狀，如矩形、橢圓形、直墻形、馬蹄形。本隧道根據(jù)設(shè)
計(jì)要求，內(nèi)凈空最大寬度14．54m，最大高度7．70m，
在保證隧道隧道內(nèi)凈空最大寬度，最大高度相同的
條件下，對(duì)不同洞形及不同開挖尺寸下的安全系數(shù)
進(jìn)行研究。圖4示意了在不同的洞室形狀下的，在
隧道周圍由于陡傾結(jié)構(gòu)面切割形成的不穩(wěn)定塊體。
結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于塊體理論，在隧道周圍節(jié)理
整體陡傾的條件下，主要在洞頂部位穩(wěn)定性差，極易
形成失穩(wěn)塊體，并且以直接垮塌為主，且塊體體積較
大，圖5顯示實(shí)際開挖時(shí)拱頂陡傾垮落。而在側(cè)壁
盡管也可能形成不少分離塊體，但都體積很小，穩(wěn)定
性較好。由圖6中發(fā)現(xiàn)矩形平頂斷面的洞形安全系
數(shù)最小，而馬蹄形安全系數(shù)最佳，在全斷面開挖時(shí)，
Y
’ Z
x
圖4 不同洞形下的楔形體透視圖
Fig．4 Perspective view of the wedges in diferent—shaped holes
圖5 YK3+381掌子面拱頂處的楔形體跨落
Fig．5 Wedges falling from the roof at YK3+381
仍可以達(dá)到約1．472。故在找出隧道斷面可能出現(xiàn)
的最大關(guān)鍵塊之后，就可以制定出相應(yīng)的開挖方式
和錨固措施。
3．2 隧道走向?qū)Π踩禂?shù)的影響
隧道在開挖過程中形成的不穩(wěn)定塊體的體積和
數(shù)目受隧道走向和節(jié)理的走向、傾角共同作用，它們
交切的狀態(tài)決定了塊體的安全系數(shù)。當(dāng)節(jié)理走向與
隧道垂直時(shí)，對(duì)于隧道開挖相對(duì)有利，巖體地質(zhì)力學(xué)
分類(RMR分類)就考慮了節(jié)理走向和傾角對(duì)隧道
穩(wěn)定性的影響 j。
基于后云臺(tái)隧道的區(qū)域構(gòu)造特征，研究不同隧
道走向條件下最小安全系數(shù)和最大切割塊體體積的
變化規(guī)律。從圖7～8可以看出，在隧道走向從
NW45。到NE30。的變化過程中，在NW30。時(shí)隧道安
全系數(shù)最大且此時(shí)生成的塊體體積最小，而在
NE20。時(shí)，安全系數(shù)突然變小，此時(shí)，隧道走向和節(jié)
584 Journal ofEn~neer／ng Geology 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)2010
圖6 不同洞形在不同開挖高度下的安全系數(shù)對(duì)比
Fig．6 Safety factor comparison at Diferent
excavation height in Diferent．·shaped holes
理3(107。／75。)的走向平行，切割塊體最大，對(duì)隧
道開挖不利。
3．3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
在大型楔形體非常發(fā)育的堅(jiān)硬巖石中，過多使
用混凝土是一種浪費(fèi)，因?yàn)橹挥袊@楔形體周邊的
噴射混凝土才能提供支護(hù)，噴射混凝土非常適用于
高度節(jié)理化的巖體中L1。。。表2顯示在不同節(jié)理組
數(shù)和支護(hù)條件下的安全系數(shù)對(duì)比，對(duì)于有多組節(jié)理
組成的巖體，混凝土支護(hù)效果明顯，5，10，15cm厚
的混凝土分別平均將安全系數(shù)提高到約3．39，5．5，
9．1，而在情況1條件下，混凝土對(duì)安全系數(shù)的提高
— — 、q=
．．1Xl0薹 I
．≤ I
。0．5 至 I
- ＼ ． ． L～ 一一
一50 -40 -30 ·-20 -10 0 10 20 30
Possiblle TunneI Axb Trrend
圖7 隧道走向與最小安全系數(shù)關(guān)系
Fig．．7 Relationship of tunnel axis trend VS min safety factor
．峨一一哪。。／
-50 -40 -30 -20 —1O O 10 2O 30
PossbIe 1 innel A,xis Trend
圖8 隧道走向與最大切割塊體體積關(guān)系
Fig．8 Relationship of tunnel axis trend VS max wedge volume
影響較小。
表2 不同節(jié)理組數(shù)和支護(hù)條件下的安全系數(shù)對(duì)比
ra 2 Safetyfactor conl~rison of diferentsets ofjoints under diferent support conditions
注：SF為安全系數(shù)，TB為各不穩(wěn)定塊體支護(hù)后較未支護(hù)安全系數(shù)的提高倍數(shù)總體平均值
18(4) 邵冠慧等：基于塊體理論安全系數(shù)的隧道優(yōu)化設(shè)計(jì) 585
4 結(jié)論
通過對(duì)連云港云臺(tái)山隧道失穩(wěn)模式的判別，運(yùn)
用塊體理論計(jì)算潛在不穩(wěn)定楔體的安全系數(shù)，并對(duì)
其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：
(1)基于安全系數(shù)的塊體理論是分析低地應(yīng)力
區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面控穩(wěn)洞室穩(wěn)定性的有效方法，可為隧道
優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，彌補(bǔ)了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的不
足；
(2)不同洞形，不同開挖高度下安全系數(shù)的變
化規(guī)律如下：對(duì)于某一洞形，安全系數(shù)隨著開挖高度
的增大而減小，對(duì)于相同開挖高度情況下，馬蹄形隧
道的安全系數(shù)最大；
(3)隧道在開挖過程中形成的不穩(wěn)定塊體的體
積和數(shù)目受隧道走向和節(jié)理的走向，傾角共同作用，
隧道走向和節(jié)理的走向平行時(shí)，切割塊體最大，安全
系數(shù)最小，對(duì)隧道開挖不利；
(4)噴射混凝土較適用于高度節(jié)理化的巖體，
對(duì)于有多組節(jié)理組成的巖體，混凝土支護(hù)可以有效
提高隧道整體安全系數(shù)，而在節(jié)理組數(shù)較少條件下，
混凝土對(duì)安全系數(shù)的提高影響較小。
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