块体理论在隧洞开挖支护中的指导作用研究

块体理论在隧洞开挖支护中的指导作用研究

陈杰

中国葛洲坝集团勘测设计有限公司

湖北省武汉市

430070

摘要：本文介绍了块体理论的基本原理，并将其运用到实际工程案例中，对隧洞的开挖支护中的围岩稳定性进行了分析和评价，得到了可靠的分析结果。最后

总结了块体理论在实践中运用的优缺点，并提出了合理化建议。

关键词：块体理论、隧洞围岩、稳定性评价

1 引言

在坚硬和半坚硬地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些空间块体处于精力平衡状态。当进行边坡、地下洞室的人工开挖，或对岩体施加新的荷载后，使暴露在临空面上某些块体失去原始的静力平衡状态，因而造成某些块体首先沿着结构面滑移、失稳、进而产生连锁反应，造成整个岩体工程的破坏。我们称这种首先失稳的的块体为“关键块体”，块体理论的目的就是研究上述岩体结构模型的破坏机制和工程处理措施。

块体理论最早是70年代由石根华提出的。1985年春, 石根华与美国R.E.Goodman出版了专著, 这标志着块体理论作为岩体工程分析的一种有方法己得到公认。

2 块体理论的基本原理

2.1 基本前提假定

块体理论的几个基本假定如下：

（1）结构面为平面，对于每个具体工程，各组结构面具有确定的产状，由现场地质测量获得。

    （2）结构面贯穿所研究的岩体，不考虑岩石块体本身的强度破坏。

    （3）结构体为刚体，不考虑块体的自身变形和结构面的压缩变形。

    （4）岩体的失稳是块体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移。

2.2块体的几种类型

根据应用几何方法，详尽各种可能出现的块体类型见图1。类型1：关键块体，没有支护处于不稳定状态的块体；类型Ⅱ：潜在关键块体，具有足够的摩擦力保持稳定的块体；类型Ⅲ：具有移动倾向而稳定的块体，没有摩擦力也能稳定；类型Ⅳ：锥形块体，不能向临空面移动的的稳定块体；类型Ⅴ：无限块体，不能移动；类型Ⅵ：节理块体，围岩内部的块体。

图1  块体类型示意图

2.3研究方法

Uuwedge程序是基于石根华块体理论开发的，该软件解决地下洞室围岩稳定性评价的基本思路是：在已知洞室形状和尺寸的条件下，任意选取3组优势结构面作为构成四面体的边界条件（构成四面体的另一面是开挖临空面），通过程序将搜索出给定结构面在洞室各个不同部位（如拱顶、拱腰、边墙、洞底等）所能组合形成的关键块体形状大小，通过给定的形成关键块体各结构面物理力学参数，计算出各个部位关键块体的稳定性安全系数，从而对隧洞围岩的稳定性进行评价和超前预测。

3 工程实例

3.1地质条件

国外某水电站项目布置有一条城门洞型交通洞，尺寸7.0×7.0m，洞身全长571.7m。隧洞穿过二叠系杜马组（Duma Formation）片岩岩层，根据开挖揭露地质情况，岩性以绿泥石云母片岩夹灰岩（CMS-A）为主，夹石英云母片岩（QMS）。根据洞内地质素描量测的600多条实测产状，绘制出的节理极点等密度云图和赤平投影图，见图2。统计出交通洞洞内主要发育四组结构面，各优势结构面特征见表1。

表1                          结构面特征一览表

图2  节理极点等密度云图和赤平投影图

本文针对桩号K0+000～K0+032.5进口段的Ⅳ类围岩结构面发育特性，考虑隧洞爆破开挖对围岩的影响，根据经验值提出本段隧洞结构面的抗剪强度参数，见表2。

表2                       各结构面强度参数一览表

3.2 块体稳定性分析

对K0+000～K0+032.5进口段Ⅳ类围岩进行块体稳定性评价，该段隧洞走向SE162°，主要发育四组结构面。通过Unwedge程序对4组结构面组合分析，得到了在开挖临空面可能出现的5种块体，块体的空间几何形态和空间相对位置见图2，各块体的安全系数见表3。

表3                      各块体稳定性评价一览表

图3  块体几何形态示意图

其中出现在拱顶的块体8为关键块体，块体距离开挖线最大高度0.86m，该块体尺寸是软件模拟的最大可能尺寸。模拟结果表明开挖过程中拱顶可能出现不稳定块体，有潜在塌落的可能，因此开挖后需要及时支护。根据现场实际开挖情况，通常是拱顶出现偶然掉块或者超挖现象，掉块尺寸通常不大于30cm，边墙围岩基本保持稳定。

3.3支护建议

针对Ⅳ类围岩，将拟采用的支护措施组合方案分别代入软件重新进行块体的稳定性分析，安全系数见表4。结果表明支护后各种块体的安全系数均得到很大的提高，说明隧洞支护后能够长期保持稳定。

同时发现单独喷混对安全系数提高明显大于锚杆，即块体安全系数的提升主要是由喷射混凝土带来的，综合考虑到拱顶和边墙的块体最大高度为1.1m，因此选择1.9m长系统锚杆+10cm混凝土喷护作为该段Ⅳ类围岩的支护措施。

表4                      不同支护措施下块体安全系数一览表

图4  块体（支护后）几何形态示意图

4结论

根据本文对工程实例中的隧洞围岩稳定性预测结果，表明：

（1）块体理论对围岩预测具有一定的可靠性，特别是对层状岩层或块状岩体中的隧洞稳定性可进行定量的分析评价和预测，在一定程度上可以指导隧洞开挖和支护设计。

（2）该方法的局限性在于关键块体模拟出的失稳尺寸太大，实际当中先是小规模的掉块，然后才是大规模的坍塌；此外结构面物理力学参数取值难度较大，影响块体稳定性评价的准确性。

（3）块体理论分析方法应结合掌子面地质素描、节理裂隙统计调查，才能对隧洞围岩的稳定性做出更加全面、准确的评价。

参考文献

[1]Goodman R.E,Shi.G.Block theory and its application to rock engineering [M].

Prencite-Hall,London.1985 

[2]Evert Hoek ,David .F. Wood. Support in underground hard rock mines[J]. Underground Support System, 1987, (35) :1～6.

[3]《工程岩体分级规范》（GBT50218-2014）