块体理论在隧道围岩稳定分析中的应用

第４０卷第ｌ０期　２　０　１　４年４月　文章编号：１００９—６８２５（２０１４）１０—０１９１－０２　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１０　Ａｐｔ．　２０１４　・１９１・　块体理论在隧道围岩稳定分析中的应用　韩　磊　（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉４３００５６）　摘要：根据块体理论的矢量运算方法，将隧道围岩稳定性问题转化为寻找和分析关键块体的问题，并以某公路隧道为例将其应　用到工程实践中，通过几何分析和结构面的物理力学性质，确定了失稳的块体，指出可采用锚杆加固的措施。　关键词：块体理论，关键块体，围岩稳定性　中图分类号：ＴＵ４５７　随着国民经济的快速发展，交通、水利、矿山等工程中的隧道　或洞室越来越多。岩体是处于一定天然应力环境中的地质体，被　各种节理、裂隙等结构面所分割。隧道工程的开挖将再次切割这　些空间块体，形成不同规模的岩石块体，这些块体的失稳或垮落　是影响岩体整体稳定性的关键因素，往往在施工及运营过程中造　成灾害　Ｊ。在分析围岩稳定性时，可主要对这些失稳块体进行　分析和加固，就可以确保整个工程岩体的稳定。　１　块体理论的基本原理　１．１　块体的基本类型　岩体被临空面和结构面切割成了大小不同、形状各异的块　体。从工程岩体的稳定性出发，其中有些类型的块体不会引起危　害，另外一些类型的块体则容易导致岩体工程事故的发生。块体　可分为无限块体和有限块体两大类。有限块体又可分为不可动　块体和可动块体。可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体和关　键块体　一Ｊ。各块体类型的示意图如图１所示。　ａ）无限块体　ｂ）不可动块体　ｅ）稳定块体　ｌ　Ｉ　鉴　鉴　ｄ）司能失稳块体　‘ｅ）关键块体　图１不同类型的块体示意图　１．２块体可动性的几何分析　将各空间的界面进行平移，使其通过坐标原点形成棱锥，假　定块体为这些半空间的交集。如若棱锥为非空集，那么相应的凸　块体无限；若棱锥为空集，则相应的凸块体为有限。有限块体并　非全部是可移动的，如果只由结构面形成的裂隙锥为有限，由临　空面与结构面一起组成的块体锥也为有限，那么块体不可动；如　果只由结构面形成的裂隙锥为无限，由临空面与结构面组成的块　体锥为有限，那么块体可动。　１．３关键块体的运动学分析　以上都是纯几何学的论述，接下来从运动学的角度对可动块　体进行分析。作用于可动块体上的力有：主动力合力，、滑动面上　的法向反作用力Ⅳ、滑动面上的切向摩阻力　。块体有三种运动　收稿日期：２０１４－０１．２３　作者简介：韩磊（１９８５．），男，助理工程师　文献标识码：Ａ　形式，即直接掉落、沿单面滑动和沿双面滑动（见图２）。　＋５　ａ）块体直接掉落　ｂ）块体沿单面下滑　Ｃ）块体沿双面下滑　图２关键块体运动示意图　图２ａ）上才　表示结构面ｆ指向块体内部的法向矢量。可以看　出，块体的运动方向ｓ和　必须满足ｓ・才　＞０时才能使块体直　接脱离岩体。　从图２ｂ）中可以看出，块体要沿单面下滑必须满足以下两个　条件：一是不脱离滑动面ｉ，即　・　≤０；二是块体的运动方向ｓ　使ｉ以外各结构面与岩体脱开，即ｓ・　＞０。　由图２ｃ）中可以看出，块体要沿平面ｉ和　双面滑动，　必须　使块体与滑动面ｉ和　接触，即　・　≤Ｏ且　・　≤０。　为了便于程序化，在滑动面上假定一切向力Ｆ＝　＋Ｎ＋　，表　示净滑动力。显然，如果净滑动力为正值，即Ｆ＞０，那么该可动块　体为关键块体。反之，如果净滑动力小于摩阻力，即Ｆ＜０，则块体　处于稳定状态　Ｊ。通过计算净滑动力Ｆ的值，从而确定关键块体。　２块体理论分析隧道围岩稳定性　某分离式公路隧道南北走向，净宽１Ｏ．７５　ｍ，净高５　１２１。根据　地质测量与概率统计，该隧道主要有三组优势结构面，其参数取　值见表１。　表１结构面参数取值表　结构面　走向／ｆ。）　倾向／ｆ。）　力学参数　１　６５　５５　ｃ＝０．击＝３０。　２　２３０　４０　ｃ＝０，　＝３０。　３　３２８　８４　ｃ＝０，（ｂ＝３０。　根据可动块体判别标准，在隧道的顶部、两侧及底部形成如　图３所示的关键块体。由于块体１，２在底部，属稳定块体。因此　主要对块体４，５，７，８进行加固，其块体特征如表２所示。　表２关键块体的几何特征　块体　滑动方式　体积　重量　４　单面滑动　３．４０８　８．５２Ｏ　５　双面滑动　１．３５３　３．３８２　７　单面滑动　０．４１７　１．０４ｌ　８　直接掉落　１．１５２　２．８８１　对不稳定块体，工程上常常采用锚喷支护的措施来提高其稳　定性。对于以上危险块体，采用长１２　ｍ的锚杆进行加固，其他一　般区域采用长４　ｍ的锚杆，锚杆沿着隧洞的两侧及顶部均匀布置，　・第４Ｏ卷第ｌ０期　１９２・　２　０　１　４年４月　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　山　西　建　筑　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１０　Ａｐｒ．　２０１４　文章编号：１００９—６８２５（２０１４）１０・０１９２—０３　双悬臂独柱桥墩病害机理分析及加固方法研究　李亚雷摘张向波　（中交瑞通路桥养护科技责任有限公司，陕西西安７１００７５）　要：以跨径组合４×２５　ｍ预应力混凝土连续箱梁的双悬臂独柱桥墩为探讨对象，介绍了该桥墩的病害情况及原因，并对结构　进行了计算分析，提出了针对性的处治方案，以确保桥梁的安全性。　关键词：独柱桥墩，裂缝，加固，原因分析　中图分类号：Ｕ４４５．７２　文献标识码：Ａ　０　引言　双悬臂独柱桥墩作为一种常见桥梁下部结构形式，其利用单　１加固前桥梁概况　该桥为分离式路基双幅桥，该桥跨径主要组合为４　Ｘ　２５　ｍ，与　独的一个墩柱可以大大减少占地空间，利用双悬臂架梁则可以得　路线正交。上部结构形式为现浇预应力混凝土连续箱梁，双箱单　到充分上层空间，这些优点，使得该种结构在我国的公路建设中　室结构，单箱顶板宽３．２０　ｍ，底板宽２．６５　ｍ，箱梁梁高１．４　ｍ；独　得到了极为广泛的应用，尤其是在市政桥梁及公路桥梁的立交区　柱墩盖梁长度８．９５　ｍ，盖梁宽度１．５５　ｍ，盖梁中心线与桥墩中心　等区域，可以有效的利用其特点，避开复杂的地下管线，被交道路　线的偏心距为０　ｍ一１．０　ｍ，盖梁高度１．８　ｍ～２．３　ｍ，墩身采用　等限制因素，为桥梁的合理布设创造了有利条件。根据其悬臂的　１．７　ｍ　ｘ１．２　ｍ的矩形实体墩，基础采用扩大基础（见图１）。设计　长度，盖梁可以设置为钢筋混凝土或预应力混凝土，但是随着近　荷载为汽一超２０，挂一１２０。　几十年的公路建设的高速发展，该类桥墩在运营中也出现了各种　竖向裂缝等病害；如果对病害发展的原因不能做出正确的原因分　析，就不能采取有效的加固措施，造成结构安全隐患。　２０１３年业主委托有资质的单位对该桥进行了定期检测，根据　１）盖梁主要病害：盖梁存在自上而下的竖向裂缝（如图２所　示），主要分布在盖梁中心线左、右各２　ｍ范围内，长度范围０．１　ｍ～　典型的病害，如盖梁支点处竖向裂缝、盖梁水平裂缝、墩身横向、　检测报告可知下部结构的病害如下：　与洞壁垂直，间距均为１．５　ｍ，Ｃ２５混凝土喷层厚度为２０　ｃｍ，锚喷　隙数据，可对施工过程中可能出现的不稳定岩石块体的数量、规　支护见图４。由表３可以看出：在支护前后，安全系数有了较大的　模、形状等进行预测，进而优化开挖及锚固支护设计方案。　提高，起到了较好的效果。　２）块体理论假设结构面为平面且无限长，而实际上结构面的　延伸是有限的，有时会无法形成块体或没有完全把块体切割下　来。因此通过该理论得到的关键块体是最不利的情况。　３）另外，块体理论无法确定关键块体的具体出露位置，需要　结合现场地质超前预报进一步分析，有待继续深入探讨。　参考文献：　［１］　王在泉，华安增．确定边坡潜在滑面的块体理论方法及稳定　性分析［Ｊ］．工程地质学报，１９９９，７（１）：４０—４５．　［２］　于青春，陈德基，薛果夫，等．裂隙岩体一般块体理论初步　［Ｊ］．水文地质工程地质，２００５（６）：４２—４８．　　Ｇｅｎｈｕａ，Ｇｏｏｄｍａｎ　ＲＥ．Ｂｌｏｃｋ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　［３］　ＳｈｉＲｏｃｋ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ『Ｍ１．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ，１９８５．　［４］　刘锦华，吕祖珩．块体理论在工程岩体稳定分析中的应用　［Ｍ］．北京：水利水电出版社，１９８８．　［５］　尹锡杰．巴东云沱狮子包边坡稳定性块体理论应用研究　［Ｄ］．北京：中国地质大学硕士学位论文，２００８．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｌｏｃｋ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ＨＡＮ　Ｌｅｉ　。（Ｎｏ．２　Ｒｏａｄ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ　ｏｆＣｈｉｎａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｏｉｎ，Ｗｕｈａｎ　４３００５６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂｌｏｃｋ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｏ　ｋｅｙ　ｂｌｏｃｋ．Ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ａ　ｒｏａｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐ‘　ｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｌａｎｅ，ｔｈｅ　ｍｏｖａｂｌｅ　ｂｌｏｃｋｓ　ａｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｆｏｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｌｏｃｋ　ｔｈｅｏｒｙ，ｋｅｙ　ｂｌｏｃｋ，ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔｂｉａｌｉｔｙ　收稿日期：２０１４一Ｏ１—１Ｉ　作者简介：李亚雷（１９８１．），男，工程师；张向波（１９７９－），男，工程师