块体理论及其在隧道工程中的应用

摘要:结合东北某隧道工程的地质条件和工程特点,考虑岩体结构面的分布,利用自行开发研制的GeoSMA程序建立了三维数值模型,并对该隧道的稳定性进行了分析,为该工程的设计和施工提供借鉴。

关键词：块体理论 隧道 结构面

1、概述

地下工程施工过程中，易发生岩体结构损伤，有时甚至诱发工程灾害，均与岩体结构内部破裂发展有关。因此，对于岩体开挖工作面周围的岩体及其内部地质结构的准确把握至关重要。研究结构体对工程的稳定性影响，对于地下工程和资源的开发和利用，保护地面建筑物与构筑物、地表与地下资源均有十分重要的工程价值。通常，结构面的存在往往控制着岩石的强度、变形及稳定性，在结构岩体中尤为如此。就岩体稳定性计算分析方法而言，目前的方法较多，针对不连续岩体的稳定性分析而言，块体理论是一种最基本有效的研究方法。

2、块体理论基本原理

将空间各组结构面和临空面平移，使其经过坐标原点，则空间平面将构成以坐标原点为顶点的一些类棱锥。为了便于对块体结构进行一般的运动学分析，提出不同类型棱锥的定义。

（1）裂隙缀（JP），仅以结构面为界的岩体半空间所构成的 棱锥称为裂隙锥。（2）开挖锥（EP），仅以临空面为界的岩体半空间所构成的棱锥成为开挖锥。（3）空间锥（SP），仅以临空面为界的没有岩体一侧的半空间所构成的棱锥称为空间锥。（4）块体锥（BP），由一个以上临空面和若干组结构面为界的岩体半空间所组成的棱锥成为块体锥。块体有限的充分必要条件是，节理锥与开挖锥的交集为空集，即： 块体可移动的充分必要条件是：节理锥 的交集为非空集，而节理锥 与开挖锥 的交集为空集 ，即： 及 。

3、 传统块体搜索技术存在的问题及新方法的提出

3.1 传统块体搜索技术存在的问题

传统块体搜索技术假定结构面贯通工程岩体，这与实际情况是不相符的。这样运用块体理论得出的关键块体是临界的情况。实际上由于节理的尺寸有限，并没有把块体完全切割开，有时无法构成块体，所以用块体理论所确定的关键块体中的一部分将变成无限块体。因此实际开挖岩体中的关键块体数量将大大减少。

3.2新方法的提出

目前，大部分块体搜索技术均是建立在交线闭合回路基础上的，这种方法需要对结构面间、结构面与模型边界间形成的交线做细致的分析研究，并利用有向性及封闭性进行块体识别。这种方法分析复杂，不利于计算机程序的实现，且不能很好的解决结构面的多连通问题。鉴于此，本文提出一种新的全空间块体识别方法，利用网格将岩体划分为有限个小单元块体，再利用实际结构面对小单元块体进行切割，最后去除网格，形成实际块体。避免了交线闭合回路法的繁琐工作，尊重工程实际，解决了任意有限长结构面下的全空间块体识别问题。以本文思想为指导，开发了一套块体搜索软件，并将其应用于实际工程。

4、隧道块体稳定性分析

4.1东北某隧道工程概况

本工程，是辽宁省内输水工程，整个洞线连续长85.3Km，洞径8m。节理发育较为均匀，间距变化小。56+199～56+180节理稀疏。56+144～56+135处节理较为密集，产状变化较小。56+125～56+103节理产状变化较大，方向复杂.结构面分为三组，100条，平均产状分别为Ⅰ组215°∠80°，Ⅱ组125°∠75°，Ⅲ组115°∠30°。隧道走向为310°图中直线表示隧道方向，可以看出Ⅱ、Ⅲ组结构面走向与隧道垂直，Ⅰ组走向与隧道平行。根据地质报告得出结构面力学参数，表1为分组后的结构面信息。

4.2 可移动块体搜索

利用自行开发的工程岩体结构分析软件GeoSMA进行分析。GeoSMA可以在全空间进行块体搜索，最后判断出临空面上的关键块体。具有优秀的三维显示效果，以及完整的关键块体信息查询功能。现场量测100条结构面迹线,分别得出结构面产状,并利用自行开发的GeoSMA系统绘制三维空间分布图，如图1。经过程序计算后，分析得出隧道开挖面上的可移动块体，并且进行三维显示，如图2。

如图1，2可以看出关键块体均为片状，沿着隧道走向发展，主要集中在隧道上临空面，块体中的大面由Ⅰ组结构面切割形成，形成片状的原因是Ⅰ组结构面较为密集。与现场测量结构吻合。

5、结论

不连续介质工程岩体稳定性影响因素比较复杂,与一般结构稳定可靠性分析存在较大的差别,它与工程岩体的地质特征、工程特征、力学机制、破坏机理等各方面的因素紧密相关。运用块体理论编制开发软件,建立三维数值模型,找出可动块体并提取真正的关键块体,对于工程实践具有很重要的实际的意义。

作者简介：

杨勇，男，1986，硕士，现从事结构设计工作。Email: