块体理论在隧道围岩稳定性分析中的应用

摘要：本文以山西阳泉檀树岩隧道为工程实体,应用块体理论原理,建立了隧道和结构面的实体模型,详细介绍了块体理论的建模过程、块体边界条件的确定、块体的几何模型以及几何参数的确定，进而对块体的稳定性进行了评价,得出了较有益的结果，对檀树岩隧道超前地质预报提供了较好的依据。

关键词：块体理论 围岩 稳定性分析

中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：

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，这些空间块体处于静力平衡状态。当进行隧道开挖时，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，造成整个隧道围岩的破坏。本文利用块体理论这一原理分析评价隧道围岩的破坏机制，从而进行隧道围岩的稳定性评价。

2、工程概况

檀树岩隧道位于阳泉市盂县南娄镇白家沟村～檀树岩村～狮子坪村西。设计为分离式隧道，单洞宽度约13m，双线隧道间距约为12 m，左线里程桩号为ZK8+982～ZK12+824，长3842m，右线里程桩号为K8+982～K12+787，长3805m；属特长隧道，隧道总体走向为北东-西南向。本次进行评价的区段为进口左线（桩号：ZK9+168～ZK9+198），根据隧址区域的勘察报告，结合野外工程地质调查，该段不存在大的断裂构造和不良地质体，隧道围岩主要由二叠系上石盒子组(P2s1)和下石盒子组(P1x2)地层构成，岩性主要为黄绿～紫红色泥质砂岩和灰白色粗粒砂岩构成，该段岩层产状为120°～145°∠5°～8°。地表部分区域为残坡积物覆盖，厚度一般为1～2m，植被较发育，与基岩接触面夹0～1.0m厚的风化夹层，以下中～微风化，通过掌子面的编录，节理以平面共轭X节理组30°～35°∠72°～80°和160～165°∠59°～81°为主，其规模为5～10m，间距为0.3～0.57m。

3、隧道开挖围岩稳定性块体理论分析

采用石根华博士提出的块体理论对围岩稳定性进行验算，通过验算结果的综合分析，对隧道开挖围岩进行稳定性预报。

（1）模型的建立

根据设计报告及隧道开挖情况，建立进口左线（桩号：ZK9+168～ZK9+198）隧道轮廓模型，模型特征见表1。

隧道进口左线区域模型特征一览表表1

预报区域 轮廓宽度 轮廓高度 隧道走向 纵线坡度 区域岩层产状

进口左线 12m 8.5m 180° 2.5% 192°∠3°

通过对隧道进口左线对应地表出露岩层节理裂隙及掌子面地质情况调查，于该区段收集了若干组优势节理，其分布特征见表2。

进口左线层面及优势节理特征一览表表2

（2）关键块体的生成

通过表2所列的优势节理、岩层产状及隧道开挖掌子面及临空侧壁之间的空间几何组合关系，由3D-Unwedge程序生成对隧道围岩稳定影响最大的关键块体，其具置及形状见插图1～插图7。

进口左线（桩号：ZK9+168～ZK9+198）关键块置及形状

插图1 结构面1、2、3组成的块体1 插图2 结构面1、3、4组成的块体2

插图3 结构面1、3、4组成的块体3插图4结构面1、3、5组成的块体4

（3）隧道围岩稳定性评价

①结构面强度参数的选取

通过该段围岩等级及工程经验类比，确定各结构面强度参数见3。

进口左线各结构面强度参数一览表 表3

②隧道围岩稳定性评价

根据表3所给的各结构面的强度参数，通过3D-Unwedge程序得出各关键块体的稳定评价见表4。

关键块体稳定性评价一览表 表4

（4）隧道稳定性结果分析

 由表4可以得出：

①关键块体主要分布在隧道拱顶和拱腰，边帮则无关键块体，说明在这些结构面组合下，隧道拱顶和拱腰容易发生破坏，而边帮比较稳定；

②由结构面1、2、3组成的拱顶关键块体1和结构面1、3、4组成的右拱腰关键块体2，安全系数Fs均小于1.5，为不稳定块体，且体积较大，说明在隧道左线进口开挖过程中，可以预测该区段拱顶容易发生垮塌破坏，右拱腰形成滑移破坏，规模均较大，在开挖过程中对这些部位的支护需引起注意，且加强监控量测，尽量缩短隧道开挖进度和临空面的暴露时间；

③由结构面1、3、4组成的左拱腰关键块体3和结构面1、3、5组成的左拱腰关键块体4，安全系数Fs均大于1.5，为稳定块体，且体积较小，对隧道开挖的稳定不构成危险；

④虽然当前一些关键块体为稳定块体，但当关键块体赋存环境发生改变，例如受地下水弱化影响、爆破对围岩稳定性的扰动影响等，其稳定状态可能会改变，所以应加强监控量测作业，监测隧道围岩的稳定性动态变化，在掘进过程中应贯彻“短开挖、弱爆破、强支护”的施工理念，做到“勤支护”，使隧道施工安全、顺利地进行；

4、结语

（1）由上述对隧道围岩稳定性评价可以看出，利用块体理论进行稳定性评价，在充分搜集隧道围岩结构面信息的情况下，建模直观简单，通俗易懂，可以直接生成三维的关键块体图形，并能确定其大小和位置，得出各关键块体的破坏模式及安全系数，可操作性强，便于设计、施工人员掌握；

（2）通过对隧道与该区段超前地质预报和监控量测的情况对比，由块体理论得出的稳定性评价结果与它们的评价结果基本一致，并且在隧道开挖过程中可以看出也比较符合现场实际，故该方法可以作为隧道围岩稳定性的评价依据，成为其它稳定性评价方法的较有益的补充。

参考文献

[1] 刘锦华，吕祖绗.块体理论在工程岩体稳定性分析中的应用[M].水利水电出版社，1986．

[2] 怀超.关键块体理论在高速公路连拱隧道围岩稳定性分析中的应用[D].长安大学硕士论文，2005.6.

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[5] 中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司.阳泉西环高速公路第LJ3合同段檀树岩隧道超前地质预报与监控量测报告,2011年6月12日.