隧道围岩块体稳定性分析及支护对策研究
地下洞室围岩稳定性问题
岩爆 有关岩爆的基本概念 在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来爆。围岩的破坏有时会这就是所谓的岩当岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响．甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害．大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工作的安全与经济有着重要意义。
围岩应力重分布的主要特征是：
1
径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。
2
切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中。这样，地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。
(c) final bench excavation
(b) 9th bench excavation
(a) arch portion excavation
01
岩爆的类型和特点
05
断层错动引起的岩爆
03
围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆
02
按发生的部位及所释放的能量类型,岩爆有不同的类型
04
矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆四川纳竹天池煤矿就曾多次发生这类岩爆，最大的一次将20余吨煤抛出20多m远
岩爆的产生条件与发生机制 本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。
隧道围岩块体稳定性分析及支护对策
在块 体理论 的基 础 上开 发 的三 维 块体 分 析 软 件 ， 该 程 序具有 操作 简便 、 功能齐全、 互 动性 好 等 特 点 ， 目前 已 被众 多学 者接 受 和使 用 。 。Ｕ ｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序研 究 的块
体 由 ３组 结 构 面 和 隧 道 轮 廓 面 （ 临空面 ） 切割而成 。
岩体 作 为 一 种 非 均 质 介 质 ， 其 间夹 杂 着 断 层 、 节 理、 破 碎带 、 软 弱夹 层 等结 构 面 ， 这 些 结 构 面将 岩体 切 割成 形状 各异 、 大 小 不 均 的块 体 。 隧道 开 挖 打 破 了块
体 在 自然 状 态 下 的 稳 定 平 衡 ， 进 而 引 起 隧 道 围 岩 的
１ 块 体 理 论 及 Ｕｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序
１ ． １ 块 体 理 论 块 体 理 论 目前 已 广 泛 应 用 于 隧 道 、 地下 空间 、 边 坡
等 岩土工 程 中 。块 体 理 论认 为 ， 岩体 由被 结 构 面 切割
该程 序假 定结构 面 为平 面 且 可 贯 穿 整个 研 究 岩 体 ； 只
众 多学者 研究 并发 展 了块体 理 论 ， 并 将 其 应 用 于工 程
实践 一 。 本文 对 块 体 理 论 和 Ｕ ｎ ｗ ｅ ｄ ｇ ｅ程 序 的原 理 作 简 要 介绍 ， 并将 其应 用 于莲 花 山 ２号 隧道 围岩 稳 定 性分 析
关 键块 体产 生移 动后 ， 可能 导致 其余块 体 的松 动 ，
６ ３
１ ） 重 力 Ｗ
滑 动 方 向 为
摘 要 隧道 围岩 中的节 理和 断层将 岩体 切割 成块 体 ， 人 工 开挖打 破 了块 体 的 自然 平衡 状 态 。这 些 不
浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制
文章编号:1009-6825(2009)30-0111-02浅谈地下工程围岩稳定性与围岩控制收稿日期:2009-06-14作者简介:段学超(1974-),男,工程师,山西省交通建设工程监理总公司,山西太原 030006段学超摘 要:对影响地下工程围岩稳定性的自然因素进行了详细分析,讨论了围岩稳定性与围岩控制的方法与思路,介绍了围岩稳定性的监测方法和手段,论述了锚杆工作载荷与围岩稳定性的相互关系,用锚杆无损监测的方法来全程监测围岩稳定性对研究围岩稳定及工程施工具有很大的指导意义。
关键词:围岩稳定性,锚杆,围岩控制,锚杆无损监测中图分类号:T U 457文献标识码:A地下工程围岩的稳定性对工程的正常运营是至关重要的。
地下工程围岩的稳定性主要与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关[1],并且还与开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。
本文将对围岩稳定性监测的手段进行讨论,详细的论述利用锚杆工作载荷与围岩稳定性的关系来全程动态检测围岩稳定性的方法。
1 地下工程围岩稳定性因素1.1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构是影响围岩稳定性的基本因素。
从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类黏土质岩石、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要指各类坚硬体,由于岩石本身的强度远高于结构面的强度,这类围岩的强度取决于岩体结构。
从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。
松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。
对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。
探讨水平岩层隧道围岩稳定性及施工措施
探讨水平岩层隧道围岩稳定性及施工措施1、引言在公路隧道施工作业中，薄板状水平岩层是经常遇到的一种地质构造，在隧道开挖过程中，经常出现拱顶大面积平顶、落石、塌顶等现象，不但直接影响隧道的爆破效果，还会影响裸洞的围岩稳定性，增加初期支护喷射混凝土的使用量，导致施工成本不可控。
虽然光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术日益成熟，且已成为山岭隧道开挖爆破的常规方法，但受钻爆人员技术水平参差不齐，以及施工管理水平高低等其他因素影响，在薄板状水平岩层公路隧道开挖施工时易造成拱顶落石、片帮、崩塌等现象，给施工安全带来极大的隐患和困难。
另外在薄板状水平岩层中，岩体通常都较为破碎，节理发育，粘着性差，完整程度不高，围岩稳定性较差。
由此，对薄板状水平岩层隧道围岩进行稳定性分析，预先考虑及采取防止围岩失稳垮塌的措施，对薄板状水平岩层隧道的安全施工以及成本控制等有着较大的积极意义。
2、工程概况瓦店子隧道在重庆万州区境内，隧道左线起讫桩号：ZK10+990～ZK14+246，长3256m；右线起讫桩号：K11+000～K14+280，长3280m，单线合计长度6536m。
瓦店子隧道进口前线路跨越长江，隧址区属丘陵地貌，隧道地表高程在260～575m之间。
洞身段属丘陵地貌区，高程575～347m，相对高差228m。
出口段位于槽谷山脊斜坡，高程265～320m，相对高差55m，斜坡坡度8～56°。
沿线地形起伏较大，属中低山地貌。
隧道位于万州区向斜近轴部，为单斜构造。
岩层产状340°∠4～8°，产状稳定构造简单。
穿越地层主要为侏罗系上统上遂宁组砂岩、泥岩，围岩岩性主要为泥岩、砂岩为主。
地层为水平岩层或近水平岩层，呈层状结构，层间结合力较差，地下水以基岩裂隙水为主，空间分布不均，整体水量较小。
3、薄板状水平岩层稳定性分析瓦店子隧道主要是以薄层～中厚层水平岩层或近水平岩层为主，岩层倾角较缓（4°～8°）。
铁路隧道软弱围岩施工对策探讨
＝
图２围岩 与支护结构 的相互作用
（）达 成平 衡 的 和 对 于不 同 刚度 的 １ 围岩 和支 护结 构是 不 同的 。围岩 压 力对于 刚 度大 的支 护结 构数 值要 大 ，反之 ，较好 柔 度 的支 护结构 其 承受 的 围岩 压 力要 小很 多 ，如 支护 曲线 ② ③。 （） ２即使 是 同样 刚度 的支 护结 构 ，最 后 达成 的平 衡状 态也 会 由于架 设 的时 间不 同而 不 同。越 早架 设支 护结 构 ，其承 受的 围岩 压 力相 应就 越大 ，如 支护 曲线 ① 。但这 并不 是 说 支 护 结 构 参 与 支 护 作 用 的 时 间 愈 迟 愈 有 利 ， 因为不加 控制 的初 始变 形将 导致 围岩 的 迅 速松 弛 ，出现松 动压 力如 支护 曲线 ④ ，从 而 致使隧 道 的坍塌 。 因 此 ，支护 本身 的结构 刚 度 、支护 的安 设 时 间以及 其与 围岩接 触 的好 坏均 会影 响到 支 护所 受 围岩压 力的大 小 与 围岩的稳 定性 状 态。
即表现 为 围岩支 护需 求 曲线与 支护特 征 曲线 交点 处的 横坐标 ；支 护结 构上 承受 的荷 载表 示为 交点纵 坐标 以下 的部 分 ，其上 部分 由 围 岩来 承担 。支护 结构 与隧 道 围岩在 相互 作用 中达 到平衡 状态 的过 程可 从上 图分 析得 知 。 作 用初 期 （ 中的 Ａ点） 图 ，支 护约 束 力 较 围岩 需要 的小 ，一 般支护 结构 不 能满足 需求 。 因 此导 致 了围岩 的继续 变形 ，在 变形 过程 中相 交 于 支 护 结构 的 支护 特 征 曲 线 的一 点 ，进 而达 到平 衡 。该 交 点应 出现 在 支 护 结 构 的 ｕｏ。 围岩的ｕ之 前 。 由图可 以归纳 出： ｍ或
浅谈隧道围岩支护结构的稳定性
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工 业 技 术
பைடு நூலகம்
浅谈 隧道 围岩支护结构 的稳定性
王 吉聪 （ 中铁十九局集 团第 三工程有限公司一分公司 辽 宁大 连 １ ６ ２ ） １ ０４ 摘 要： 隧道 固岩支 护 系统是 隧道 工程施工 中 的一个 重 点。 本文 主要介 绍 了隧道 围岩支 护结 构稳定性 的相关 问题 ，对 相关概念和 研究 状 况进 行 了较 为详细 的 阐述 。 关键词 ： 隧道 围岩 支护结构 稳定性 中图分 类号 ： ４ Ｕ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ６ ２ ３ ９ （Ｏ ８ｌ（） ０ ５ — １ １ ７ － ７ １２ Ｏ ）２ａ一 ０ ５ ０
了以有 限元法为 代表的数 值分析时期 。 我 国隧道 结构 的计算 模 型也 经历 了由粗 略 到精 细 的 过 程 。 （） 的 图解法 ， 考虑地层的弹性约束 １ 早期 未 ２ 世纪 ５ 年 代 以前 ， 国铁 路隧道衬 砌 ０ Ｏ 我 现行 高速公路隧 道结构稳定性 的评价 ， 一 １问题提 出 般 分为 定性 评价 和定 量评价 。 定性评 价是 一 设 计 很少 进行 内力 计算 ， 别情 况需 要计 算 个 大 目前 ， 国隧道工程 设计与施 工中主要采 种粗 略的 围岩 稳定性评价 方法 ， 我 主要用于 中小 时 ， 多数 用 图 解法 。 （）０ ２２ 世纪 ５ 年代学 习前苏联 ， Ｏ 考虑地 层 用现 场监控量测 的方法 ， 然后用 反分析方 法来 规 模 的浅 埋 隧 道 ， 与 定量 评价 方 法 结合 使 常 荷载 一结构 ” 模型得到普 遍推 行 反算岩体的某些 参数及原 岩应力 ， 再利用正分 用 ， 工程 实 践 中最 常 用方 法 是工 程 地 质判 别 弹性抗 力的 “ 析对围岩和支护 的安全度 作出超前预 测 ， 并预 法 。定量 评价 是 在岩 体物理 力学 性质指 标 的 这个 阶段 的特 点是把 地层 看作是 弹性 介 测隧道结 构 最终是 否稳 定 。隧道 与地 下工程 基 础 上 ， 用 解析 分析 法 、 图解 分 析 法 、数 质 ， 采 对衬 砌变 形起 到弹性 约束 作用 ， 即对衬 砌 涉及到地 理 与地 质环境 因素 、 工程 因素 、施 值分 析法和 不确定方法来评价 围岩稳 定性 ， 是 产生 弹性 抗力 。弹性 抗 力有局部 变形 与共 同 工过 程控 制水 平等 因素 。岩 石这 种特殊 的材 工程 实践 中准 确评 价 围岩稳 定性 的极为 常用 变形 两种理 论 。后者 在理论上 更为合理 ， 计 但 料组 成和 结 构的复 杂性 导致 了开 挖技 术的理 的 方 法 。 ． 算复 杂和 所需力学参数 难以确定 ， 并未在我 国 论研 究至 今 只能停 留在 简单 的结 构分析 和孤 目前 ， 工程 实践 中通 常采用的隧 道围岩定 得 到 推 广 使 用 。 立 的 固体 力学 和数值 分 析的领 域 。理论 研 究 量评价方 法有解析分析 法、图解分析法 、 值 （） ３收敛 约束模 型 数 和工程 实践表 明 ， 要想解决 岩石力学在 隧道工 分 析 法 、不 确 定 方 法 。 随 着新 奥法 的问 世和 与新奥 法有 关的研 程 设计与 施工 中的普 及 问题 ， 单纯 应用 力学 、 ３ １ 解析分析 法 ． 究工作 的不断深入 ， 近二十年来 在地下结构设 数学 的理论分析是 行不通 的 ， 必须 从隧道工程 解析分 析 法通过 对地 质 原型 的高 度抽象 计理 论中 又出现 了一 种根据 洞周 位移量 测值 实 际出发 ， 系统概 念为 指导 ， 靠原 型观测 获得简单 的计算模 型 ， 助数学力学 工其计算 反馈设计衬砌结 构的模型 一收敛约束模型 。 以 依 它 借 资料 的验证 与反馈 ， 走理论分 析与 经验 分析相 围岩 中的应 力分布 状态 ， 而进行隧 道围岩稳 在隧 道与 地 下工 程界 也 占有一 席 之地 。 从 结 合的道路。 定性评价 。 （） 围岩 看 作 支 护 体 系一 部 分 的 “ ４把 地 ３２ 图解 分析法 ． 层 一结构”计算模型（ 又称 “ 连续介 质”模 型） 图解分 析法 就是 通过 作 图来分 析各 结构 是 隧 道结 构计算 分析理 论的 又一大 发展 ２隧道围岩及支护结构稳定性 面之 间、 结构 面和 开挖临 空面 之 间的空 间组 和 新 奥 法 一 起 传 入 的 “ 道 力 学 ” 是 隧 ， ２ １隧道围岩及支护结构稳定性的概念 ． 隧 道应 指 围岩与 支护结 构 的综 合体 。将 合关系 ， 确定 出在不 同工程部位 可能形成块 体 岩 土 力学 、弹 塑 性理论 等在 隧道分 析 中的应 把 人工 支护结构与 其周 围一 定范 围内的地 层（ 的边界 ， 而分 析其 稳定 性 ， 围 进 常用 的有赤 平极 用 。从充分发挥 围岩本身 的支承作用 出发 ， 参与 和共同承受 岩 ） 作 “ 护 系 统 ” 看 支 。 射 投影法 、实 体比例投 影法 、地质几何 法（ 关 围岩看作支护体 系的一部分 ， 围岩 原始 应 力 和开 挖过 程 应 力释 放 的作 用 。 等 关 于 “ 定 性 ”一 词 ， 指 “ 构或 构 键 块 体 法 ） 。 稳 是 结 ３ ３ 数值 分析法 ． 这种 “ 层 一结构”模型理论上应该是 更为合 地 件保 持稳 定 状 态 的能 力 。 由于隧 道组 成 复 需要研究 围岩和 杂 ， 经 历毛 洞 、初期 支护 、 二次 衬砌 等 工 又 在 围岩 稳定性分析 中 ， 解析 法只能适 用于 理 的模型。考虑 围岩的作用 ， 目前有理想弹性 、弹塑 作阶段 ， 它没有压杆屈 曲和边坡滑 动那样 明确 那 些边界 条 件较 为简单 及介 质特 性不 甚复杂 支护 材料 的本构关 系 ， 粘弹塑性 等多种假定 。 用解析 法分 析的公 单 一 的 含义 ， 包括 的 内容 较 广泛 。对 围岩 的 的情 况 。 多数 的工程 课题在 特定 条件 下 只能 性 、 目前只在 圆形隧 道的弹性解和弹 用数 值法 求 解 。数值 分析 法是通 过对 地 质原 式 比较 复杂 ， 稳定状态考虑 了涌水 、 道变形 、 隧 坍塌 以及种 其 塑 性 解 。数值 法 以 有限 元 为主 ， 他 如边 界 种 障碍等 内容 。对此 ， 也可 理解为短 暂的毛洞 型 的抽象 并 借助 有限 元等分 析方 法计算 不 同 阶段的要求 ， 时只有靠 围岩本身起 到支护的 土 况荷载 下 岩体 的应 力状态 和 围岩稳 定性 问 元 、离散元也 有众多成果 。 这 作 用。加之人 工支护后 ， “ 对 支护 系统” 的稳 定 状态 要求其 实也 一样 ， 然是 不涌水 ； 仍 不导 致产 生影响使用 的变形 ； 不因支护 构件的破坏 而 引起 坍塌或 倾覆 ； 不发生种 种障碍等 。 ２２隧道围岩及支护结构稳定性分析的必要性 ． 初 期支护结构具 有一 点的承载能 力 ， 要保 持一定 的刚度 ， 为施工提供安 全和正 常工作的 空 间。 因此初期 支护 的稳 定性 状态 是施 工人
郑颖人-隧洞围岩稳定性分析方法探索
滑面上节点水平位移随荷载的增加而发生突变
(2)本构关系与屈服准则的选取
a.本购关系采用理想弹塑性模型 b.准则采用莫尔—库仑准则、
德鲁克—普拉格(D-P)准则
k F I1 J 2
I1，J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏 张量的第二不变量。
图3 各屈服准则在π平面上的曲线
KN≤φαRabh
当轴向力偏心矩e0 ≥0.20h时，由材料 的抗拉强度控制结构承载力
KN≤1.75φRabh/(6e0/h-1)
衬砌安全系数
弯矩图
轴力图
无初期支护时,衬砌结构安全系数表
衬 砌厚 度 h/m 开挖 后应 力释 放率
最不 弯距 /(KN 利 位置 ·m
轴 力 /M N
偏心 衬砌 安全 距 e0/m 系数
围岩 安全 系数
0.25 30% 拱脚 486 2.64 0.18 1.36 1.15
0.25 50% 拱脚 428 2.74 0.15 1.62 1.22
（2）有初期与二次支护时的设计
初期支护：锚喷支护，喷层厚度15cm
计算时，锚杆支护以增加10%粘聚力代替 二次支护：厚25cmC30混凝土
设计要求：
0.350D～ 0.672D
0.192D～ 0.362D
0.472D～ 0.896D
0.212D～ 0.410D
三心圆拱>扁平直墙拱>窄高直墙拱 小断面（5×7.5×5）>大断面(10×15×10)
2 以塑性区大小为破坏判据的问题
位移值大小主要取决于弹模，塑性区
大小主要取决于强度
力学分析中还没有以塑性区大小的破
高速公路隧道围岩稳定性探究
为了对隧道掌子面后方附近围岩的稳定性进行分析， 需 要设置关键块 ， 即岩块 ， 尺寸与位置如 图 １ 所 示。其 中， ａ 、 ｂ 、 ｈ 分别表示岩块的长、 宽、 高； ｇ 表示关键块所受爆破的作用 力； Ｇ 为岩块重力 ； Ｆ为岩块所受 的抗剪力 。 在研究关键块的稳定 性时需 做如 下假 设。在关键 块掉 落时应剪断结构面的凸起部分 ； 岩体与关键块 间的节理面应 为无规律的起伏状 ； 在 剪断结 构面 的凸起部 分 时 ， 压应 力极 大， 此时 的压应力为岩石 的抗剪强度 ； 爆破 的作用力均 向下 ， 并且作 用在关键 块上。关键 块达到临界平衡条件 时 ， 围岩结 构面的抗剪力等于关键块所受爆破的作用力与岩块重力之 和。根据高速公路隧道围岩关键块的位置和形状等有关特 性， 可 以较为准确 的计算 出隧道在施 工过 程 中保证关键块不 掉落而所需的炸药量 ， 从 而保证 了围岩 的稳 定性 ， 防止 安全
摘
要： 以 某一高速公路隧道段工程为例 ， 通过对隧道结构面的主要类型和强度 以 及 围岩关键块体稳定性的定性
分析 ， 来对高速公路隧道 围岩的稳定性进行探究。最后还介绍 了隧道围岩稳定性的发展现状以及发展趋势。
关键 词 ： 隧道围岩 ； 稳 定性 ； 发 展现状 ； 发展趋势 中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ５ 文献标识码 ： ｃ 文章编号 ： １ ０ ０ ８— ３ ３ ８ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７—０ １ １ ７一 Ｏ １
１ 工 程概 况
事故的发生 ， 并且保证 了工程质量。
某高速公路隧道 段 ， 左 右 隧道 洞 全长 分别 为 １ ２ ８ １ ｍ 、 １ ２ ７ ５ ｍ， 隧道 以分离式为 主 ， 出 口端呈小净 距 。隧道地 处构 造侵蚀低 山区 ， 隧道 出 口出位于一 近南北 的 沟谷斜 坡下段 ， 斜坡较长 ， 坡度均较缓 。该 隧道 出 口端的主要地层岩性 为硬 质岩类 ， 主要包括 白云岩 以及 灰岩等 ， 岩体 质量一般 ， 岩 块抗 压强度较高。沿隧道 内裂 隙可发 现洞 溶现 象 明显 ， 有溶洞 、 溶沟 、 溶槽等岩溶现象 。由于溶蚀现象强烈 ， 岩溶裂隙发育 ， 所 以围岩的 自身的稳定 性极差 ， 很 容易 发生坍 塌 、 冒顶 等事 故。综合该隧道的 自身特点 以及周 围环境 ， 决 定采用 “ 新 奥 法” 设计 和施工 ， 并且采取钻 爆破 法进行 开挖 。隧道 出口小 净距段采用全断面法爆破开挖 ， 表１ 所示 内容为掌子 面爆 破 开挖的各参数值。 表 １ 爆破开挖参数 表
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隧道围岩块体稳定性分析及支护对策研究
发表时间：2018-05-22T17:08:08.060Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：刘明才
[导读] 摘要：隧道围岩中的节理和断层将岩体切割成块体，人工开挖破坏了块体的自然平衡状态，这些不稳定块体的滑移是造成隧道围岩失稳的重要因素。
（1）重力：其中W、γ、V、g分别为块体重力矢量、岩体容重、块体体积、重力加速度方向单位矢量。
（2）地震力：其中E、k、分别为块体所受地震力矢量、地震系数、地震加速度方向单位矢量。
（3）水压力：其中U、ui、ai、vi分别为块体所受水压力矢量、第i面水压强、第i面面积、结构面i指向块体内部的单位法向矢量。
块体合力为上述三外力的矢量和：A=W+E+U。
中铁十四局集团第二工程有限公司山东省泰安市 271000
摘要：隧道围岩中的节理和断层将岩体切割成块体，人工开挖破坏了块体的自然平衡状态，这些不稳定块体的滑移是造成隧道围岩失稳的重要因素。
基于块体理论，利用块体计算程序Unwedge分析了潮惠高速公路莲花山2号隧道的围岩块体稳定性，并计算不稳定块体的最大净滑动力和安全系数，在此基础上制定针对性的支护措施。
关键词：块体理论；隧道；稳定性；支护
1 引言
大量的理论研究和工程实践表明，在非软岩隧道中，围岩的失稳主要可以归结为块体的滑移。
自从石根华教授[1]在20世纪70年代提出关键块体理论，国内众多外学者研究并发展了块体理论，并将其应用于工程实践[2]。
本文对块体理论和Unwedge程序的原理作简要介绍，并将其应用于莲花山2号隧道的围岩稳定性分析中，评价了块体的稳定性，并对隧道围岩进行了针对性支护。
2 块体理论及Unwedge程序
2.1 块体理论
自20世纪70年代提出以来，块体理论已广泛应用于隧道、地下空间、边坡等岩土工程中。
根据块体的边界情况、几何可动性、受力情况等可将其划分为有限块体和无限块体两类，其中有限块体又可分为稳定块体、可能失稳块体、关键块体三种。
关键块体产生移动后，可能导致其余块体的松动，从而引起整个岩体的破坏。
因而，块体理论的主要任务就是寻找关键块体。
2.2Unwedge程序简介
Unwedge程序是加拿大Toronto大学E.Hoek教授在块体理论的基础上开发的三维块体分析软件，Unwedge程序研究的块体由3组结构面和隧道轮廓面（临空面）切割而成。
该程序假定结构面为平面且可贯穿整个研究岩体；只考虑岩体的滑移、不考虑块体本身的形变。
Unwedge程序需要输入的参数主要包括隧道断面图、隧道走向和坡度、岩体密度、结构面产状和力学参数、水压力及地震加速度和支护参数等。
2.3Unwedge程序的关键块体计算原理
Unwedge程序研究的块体所受外部主动力包括重力、水压力和地震力。
其中A为合力矢量。
块体理论主要研究块体的三种运动形式：塌落、沿单面滑动和沿双面滑动。
3莲花山隧道围岩块体稳定性分析
3.1工程概况
莲花山2号隧道在ZK200+250～ZK200+300洞段，隧道走向为308°，坡度约为0.013.围岩主要为微风化熔结凝灰岩，容重为26KN/m3，围岩级别为IV级，节理裂隙发育，且含有裂隙水，结构面结合一般～结合较差。
根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2008）及《广东省潮州至惠州高速公路工程场地地震安全性评价报告》（2011年5月），隧址区对应的地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g。
3.2Unwedge程序分析
在Unwedge程序中输入隧道断面图、隧道走向和坡度、岩体密度、结构面产状和力学参数、水压力及地震加速度等。
本文将考虑地震力，输入地震峰值加速度为0.05g，且假设其最不利方向为沿块体滑移方向。
由于含水量较小，未考虑水压力。
在输入上述参数后可得到隧道块体分布图（见图1）。
可见在该洞段主要可形成编号为1、3、6、8的块体，其分布位置分别为隧道底部、隧道右侧墙、隧道左侧墙和隧道拱顶。
其中可能形
成的最大块体，是对隧道安全影响最大的情况。
该程序计算结果显示块体8为塌落，安全系数为0，极不稳定；块体6可沿结构面2滑动，安全系数小于1，不稳定；块体3可能沿结构面1和结构面3滑动，安全系数为3，相对稳定；块体1位于隧道底部，可以保持稳定。
由此可见，在不进行支护的情况下，块体8、块体6为关键块体，在重力等外力的作用下可能发生松动从而导致整个隧道的破坏，因而有必要对隧道进行支护。
参照相关设计规范和以往的工程经验，对隧道进行锚喷支护是控制隧道变形、保证隧道安全行之有效的方法。
图1块体分布示意图图2 设计支护方案布置示意图
在充分借鉴广东地区已建隧道经验基础上，结合隧洞围岩级别，通过统计分析、工程类比、大量计算结果，确定了锚喷支护设计参数（见表1设计方案）和布置形式（见图2）.将设计方案输入Unwedge程序，得到支护后的各块体安全系数均超过1，表明隧道在锚喷支护后能维持稳定。
由分析结果可知，在设计支护方案中，锚杆布置较密，混凝土喷层较厚，计算出的各块体安全系数较大，安全储备多，相应的建造成本也较高。
为此，本文提出了适当降低锚杆布置密度和适当降低喷层厚度的优化支护方案（见表1优化方案），并利用Unwedge程序对此方案下的块体稳定性进行了模拟计算，结果见显示，在适当降低支护力度，减少建造成本的情况下，各块体安全系数依然保持在一个较高的水平，能够维持隧道稳定。
4结论
（1）基于块体理论基本原理，Unwedge程序能够在已知特定隧道断面和节理参数的情况下研究隧道围岩的块体稳定性。
除了考虑重力外，Unwedge还能将围岩所受的地震力、水压力引入到块体计算，并且能方便地计算锚杆和喷混凝土的支护作用。
生成的块体可通过三维视图形象地展示；程序具有操作简便、计算快速、考虑因素全面、互动性强等优点。
（2）以潮惠高速莲花山2号隧道为例，通过计算块体的安全系数等参数评价块体的稳定性，在此基础上为隧道布置针对性的锚杆和喷混凝土支护措施，制定既能确保隧道安全，又能降低建造成本的支护方案。
参考文献：
[1]石根华.岩体稳定分析的几何方法[J].中国科学，1981（4）：487-495.
[2]张子新，廖一蕾.基于块体理论赤平解析法的地下水封油库围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（7）：48-56. 作者简介：刘明才，男，汉族，1977年10月生，工程硕士，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。