导航：安全管理网>> 安全论文>> 建筑安全论文>>正文

基于块体理论安全系数的隧道优化设计

文档作者：邵冠慧①② 李晓昭①② 赵晓豹①② 纪成亮② 王益壮② 袁亮② 文档来源： ①南京大学 ②南京大学地球科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2022年04月27日
下载地址：点击这里	文件大小： 291.40 KB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：291.40 KB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：基坑支护安全深度的弹性理论分析方法

上一篇：基于模糊理论的拦河闸病险情分析及安全评价

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 1004—9665／2010／18(4)一0581—05
基于块体理论安全系数的隧道优化设计
邵冠慧①② 李晓昭①② 赵晓豹①② 纪成亮② 王益壮② 袁 亮②
(①南京大学一华东有色地勘局地下空间与地质环境研究所南京210007)
(②南京大学地球科学与工程学院南京210093)
摘要以连云港后云台山隧道为工程地质背景。所研究隧址区主要岩性较为单一，以硬质的变粒岩为主，部分地段见软弱
的绿片岩层，软硬岩层交切，在洞顶和洞壁容易形成掉块和坍塌。考虑到其结构面控稳的特点，利用Unwedge程序，将块体理
论应用于指导隧道优化设计，包括洞形的选择，隧道走向的优化、支护参数的确定等。通过实例分析与计算证明，块体理论在
低地应力区结构面控稳的地下洞室的优化设计中具有重要的理论价值和实际意义。
关键词 块体理论安全系数设计优化结构面
中图分类号：U452．1 1 文献标识码：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
在坚硬岩体中浅层地下开挖时，破坏经常是由
断层，岩层层面，节理等不连续面控制的，这些结构
面的相互交叉把岩体切割成可从开挖表面掉落或滑
动的块体。变形和破坏一般沿单一不连续面滑动，
或沿不连续面的交线滑动 。在节理岩体中相对
较浅部位，且地应力不高条件下开挖隧道，最常见的
破坏类型是隧洞拱顶楔形体的跨落和边墙楔形体的
滑动。
在隧洞围岩中采用极射赤平投影技术确定潜在
{收稿日期：2009—10—08；收到修改稿日期：2009—12—28．
第一作者简介：邵冠慧，主要从事地下工程和数值模拟方面研究工作．Email：shaoguanhui1984@163．tom
582 Journal ofEngineering Geology 工程地质学报2010
的楔形体，对重要楔形体用极限平衡法就其破坏模
式、安全系数及支护要求进行研究。安全系数(包
括支护的作用)，对滑动块体或楔形体来说应超过
1．5，对跨落楔形体或块体应超过2．0，满足不了上
述要求的块体，就应对其进行支护加固 j。
块体理论(KBT)，适用于分析在坚硬和半坚硬
的岩层中，被不同产状、不同规模的结构面切割成各
种类型的空间镶嵌块体沿着结构面产生滑移而失稳
的状况。国内很多学者将其成功运用于工程实践
中，黄正加，邬爱清 应用块体理论对三峡地下厂
房围岩裂隙随机块体即大断层定位块体和三峡船闸
高边坡块体进行分析，并对加固后的稳定性进行研
究；孙钧，张子新 认为块体理论解析法是分析裂
隙岩体工程稳定性行之有效且可靠的方法，它可以
正确分析硐室围岩稳定性与岩体结构面的关系，这
是目前弹塑性岩石力学做不到的；毛海和，夏才
初 运用块体理论赤平解析法分析龙滩水电站地
下厂房洞室群的稳定性，对各开挖面构成可能移动
块体的不连续面分布情况进行较系统的评价。
本文以连云港后云台山隧道为工程地质背景，
认为块体理论不仅仅可以用于围岩稳定性的评价，
更可以用于指导隧道优化设计和反馈分析，例如洞
形的选择，隧道的走向，支护参数确定等，具有更多
现实的指导意义。
2 基本原理
块体理论是1985年R．E．Goodman和石根华联
合创立的，是近十几年来发展起来的一种岩体工程
稳定分析方法。
Unwedge程序是基于石根华块体理论而开发
的，它假定结构面相切形成的块体为四边形，即由三
组结构面和开挖临空面组成，主要考虑块体的重力
及结构面的力学性质，另外假定结构面为平面，岩体
的变形仅为结构面的变形，结构体为刚体，结构面贯
穿研究区域，每次参与组合的结构面为三组(图1)，
Unwedge会自动生产最大可能的楔形块体，并计算
出安全系数。块体有三种破坏方式，即直接跨落，沿
单面滑动及沿双面滑动 。
需要说明的是这些楔形体为给定几何条件下所
能形成的最大楔形体，通常确定这些楔形体的计算，
其前提认为不连续面是普遍存在的，换句话说，岩体
中任何地方都存在不连续面，并且在分析中假设节
理、层面和其他结构面是平面状的并且是连续的。
图1 峒室三组节理组合方式
Fig．1 The combination of three sets of
discontinuities around a cavern．
这些条件意味着找到的总是所能形成的最大楔形
体，其结果通常被认为是保守的，因为现实岩体中形
成的楔形体的尺寸会受到结构面的长度及间距的限
制，若认为最大的楔形体不可能形成时，软件UN—
WEDGE能将楔形体缩小到更实际的尺寸 。
软件UNWEDGE适用于原地应力低、坚硬和半
坚硬的岩层中。
3 工程背景
后云台山隧址区位于连云港后云台山连云港镇
附近，隧道近南北走向，隧道埋深约20～50m。隧道
区内未见断裂构造破碎带，主要岩性较为单一，以硬
质的变粒岩为主，部分地段见软弱的绿片岩层，软硬
岩层交切，其中Ⅱ一Ⅲ级围岩约占总长度的90％(表
1)。据地面地质调绘，隧道工程区附近节理发育。
统计结果表明，节理主要发育：a．NW 向节理：走向
(NW)294。～315。，倾向SW，NE。以SW为主，倾角
69。～71。。b．NE向节理：走向(NE)55。一73。，倾向
SE，NW。以sE为主，倾角79。～82。，其次走向
NE17。～45。也有显示，总体节理产状陡倾角为主
(图2，3)。
表1 隧道围岩级别统计表
Tabe1 1 Statistics of tunnel rock masses level
隧址区地面地质调绘中发现，弱～微风化变粒
岩岩体多呈块状、中厚层状结构，节理一般为2～3
组，呈微张状，结合度一般，现场统计同一组节理间
距平均值为30—75cm，岩体完整程度属于较完整
18(4) 邵冠慧等：基于块体理论安全系数的隧道优化设计 583
类，该隧址的稳定性主要受结构面控制。
N
W E
图2 隧址区节理玫瑰花图
Fig．2 Rose diagram of joint of Tunnel site
w
N
S
E
图3 隧址节理赤平极射投影图
Fig．3 stereographic proiection of Tunnel site
3．1 不同洞形下安全系数的变化规律
根据工程的特点，隧洞可以采用不同的断面形
状，如矩形、椭圆形、直墙形、马蹄形。本隧道根据设
计要求，内净空最大宽度14．54m，最大高度7．70m，
在保证隧道隧道内净空最大宽度，最大高度相同的
条件下，对不同洞形及不同开挖尺寸下的安全系数
进行研究。图4示意了在不同的洞室形状下的，在
隧道周围由于陡倾结构面切割形成的不稳定块体。
结果可以发现，基于块体理论，在隧道周围节理
整体陡倾的条件下，主要在洞顶部位稳定性差，极易
形成失稳块体，并且以直接垮塌为主，且块体体积较
大，图5显示实际开挖时拱顶陡倾垮落。而在侧壁
尽管也可能形成不少分离块体，但都体积很小，稳定
性较好。由图6中发现矩形平顶断面的洞形安全系
数最小，而马蹄形安全系数最佳，在全断面开挖时，
Y
’ Z
x
图4 不同洞形下的楔形体透视图
Fig．4 Perspective view of the wedges in diferent—shaped holes
图5 YK3+381掌子面拱顶处的楔形体跨落
Fig．5 Wedges falling from the roof at YK3+381
仍可以达到约1．472。故在找出隧道断面可能出现
的最大关键块之后，就可以制定出相应的开挖方式
和锚固措施。
3．2 隧道走向对安全系数的影响
隧道在开挖过程中形成的不稳定块体的体积和
数目受隧道走向和节理的走向、倾角共同作用，它们
交切的状态决定了块体的安全系数。当节理走向与
隧道垂直时，对于隧道开挖相对有利，岩体地质力学
分类(RMR分类)就考虑了节理走向和倾角对隧道
稳定性的影响 j。
基于后云台隧道的区域构造特征，研究不同隧
道走向条件下最小安全系数和最大切割块体体积的
变化规律。从图7～8可以看出，在隧道走向从
NW45。到NE30。的变化过程中，在NW30。时隧道安
全系数最大且此时生成的块体体积最小，而在
NE20。时，安全系数突然变小，此时，隧道走向和节
584 Journal ofEn~neer／ng Geology 工程地质学报2010
图6 不同洞形在不同开挖高度下的安全系数对比
Fig．6 Safety factor comparison at Diferent
excavation height in Diferent．·shaped holes
理3(107。／75。)的走向平行，切割块体最大，对隧
道开挖不利。
3．3 支护优化设计
在大型楔形体非常发育的坚硬岩石中，过多使
用混凝土是一种浪费，因为只有围绕楔形体周边的
喷射混凝土才能提供支护，喷射混凝土非常适用于
高度节理化的岩体中L1。。。表2显示在不同节理组
数和支护条件下的安全系数对比，对于有多组节理
组成的岩体，混凝土支护效果明显，5，10，15cm厚
的混凝土分别平均将安全系数提高到约3．39，5．5，
9．1，而在情况1条件下，混凝土对安全系数的提高
— — 、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
图7 隧道走向与最小安全系数关系
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
图8 隧道走向与最大切割块体体积关系
Fig．8 Relationship of tunnel axis trend VS max wedge volume
影响较小。
表2 不同节理组数和支护条件下的安全系数对比
ra 2 Safetyfactor conl~rison of diferentsets ofjoints under diferent support conditions
注：SF为安全系数，TB为各不稳定块体支护后较未支护安全系数的提高倍数总体平均值
18(4) 邵冠慧等：基于块体理论安全系数的隧道优化设计 585
4 结论
通过对连云港云台山隧道失稳模式的判别，运
用块体理论计算潜在不稳定楔体的安全系数，并对
其进行优化设计，得出如下结论：
(1)基于安全系数的块体理论是分析低地应力
区内结构面控稳洞室稳定性的有效方法，可为隧道
优化设计提供可靠依据，弥补了连续介质力学的不
足；
(2)不同洞形，不同开挖高度下安全系数的变
化规律如下：对于某一洞形，安全系数随着开挖高度
的增大而减小，对于相同开挖高度情况下，马蹄形隧
道的安全系数最大；
(3)隧道在开挖过程中形成的不稳定块体的体
积和数目受隧道走向和节理的走向，倾角共同作用，
隧道走向和节理的走向平行时，切割块体最大，安全
系数最小，对隧道开挖不利；
(4)喷射混凝土较适用于高度节理化的岩体，
对于有多组节理组成的岩体，混凝土支护可以有效
提高隧道整体安全系数，而在节理组数较少条件下，
混凝土对安全系数的提高影响较小。
参考文献
[1] 王思敬，杨志法，刘竹华，等．地下工程岩体稳定分析[M]．北
京科学出版社，1984．
Wang Sijing，Yang Zhifa，Liu Zhuhua，et a1．Stability analysis of
surrounding rock for underground cavem．Beijing Science P~ess，
l984．
『2] Evert Hock，实用岩石工程技术[M]．黄河水利出版社，2002．
Evert Hock，Practical Rock Engineering．Yellow River Conservan—
cy Press，2002．
[3] 黄正加，邬爱清，盛谦．块体理论在三峡工程中的应用[J]．岩
石力学与工程学报，2001，(5)：648～652．
Huang Zhen~ia，Wu Aiqing，Usage of block theory in the three
gorges projects．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，
2001，(5)：64 8～652．
[4] 张子新，孙钧．块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的
应用[J]．岩石力学与工程学报，2002，21(12)：1756—1760．
Zhang Zixin，Sun Jun，Stereoanalytic method for block theory and
its application in stability analysis of a cave．Chinese joumal of
rock mechanics and engineering，2002，21(12)：1756～1760．
[5] 毛海和，夏才初，张子新，杨林德，块体理论赤平解析法在龙滩
水电站地下厂房洞室群稳定分析中的应用[J]．岩石力学与
工程学报，2005，24(8)：1308～13l4．
Mao Haihe，Xia Caichu，ect，application of stereo—an alytical method
for block theory to the stability of longtan hydropower station an—
derground power house．Chinese journal of rock mechanics and en—
gineering，2005，24(8)：1308—1314．
[6] Liu Jun，Li Zhongkui，Zhang Zhuoyuan，Stability analysis of block
in the surrounding rock mass of a large underground excavation．
Tunnelling and Underground Space Technology，2004，(19)，35
～ 4_4．
[7] Goodman．R．E，Shi．G．，Block theory and its application to rock
engineering[M]。Prentice·Hall，London．1985．
[8] B．Singh，R．K．Goel，Rock mass elassi—fication：A Practical Ap—
proach in Civil Engineering[M]，Elsevier，1999．
[9] Bieniawski，Z．T．Engineering rock mass classifications[M]，New
York：Wiley，1989．
[10] Evert Hock，David．F．Wood，Suppo~in underground hard rock
mines[J]，Underground Suppo~Systems，1987，(35)：1～6．
(上接第537页)
[7] 杨明辉，赵明华，曹文贵．岩石损伤软化统计本构模型参数的
确定方法[J]．水利学报，2005，(3)：345～349．
Yan g Minghui，Zhao Minghua，Cao Wengui． Method for determi—
ning the parameters of statistical damage softening constitutive
model forreek．Journal ofHydro-science，2005，(3)：345～349．
[8] 李杭州，廖红建，盛谦．基于统一强度理论的软岩损伤统计本
构模型研究[J]．岩石力学与工程学报，2006，(7)：1331～
1336．
Li Hangzhou，Liao Hongjian，Sheng Qian．Study on statisfic~dam．
age constitutive model of soft rock based on unified strength theory．
Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerin，2006，
(7)：1331—1336．
[9] 杨明辉，赵明华，曹文贵．岩石损伤软化统计本构模型参数的
确定方法[J]．水利学报，2005，(3)：345～350．
Yang Minghui，Zhao Minghua，Can Wengui． Method for determi—
ning the param eters of statistical dam ag e softening constitutive
model for rock．Journal of Hydraulic Engineering，2005，(3)：345
～ 350．

网友评论 more

建筑安全论文最新内容

03-05