相同含水状态，施作二衬后，随流变时间的增加围岩变形基本不变。初期支护封闭后，分别计算10 d、30 d时，自然状态和饱和状态的围岩变形趋于稳定。图4.27饱和状态不同时间的围岩变形监测曲线通过对比两种含水状态各测点位移，可知自然含水状态下的围岩位移均明显大于干燥状态。图4.29饱和状态的不同开挖步应力云图塑性区图4.30是不同含水状态下，隧道开挖过程中洞周围岩塑性屈服发展的演化过程。......
2023-09-21
围岩稳定性分析研究结果
【摘要】：洞室不利结构面组合块体的确定与稳定性分析。
紫坪铺工程右岸条形山脊地下洞室群围岩的稳定性除了围岩体本身的强度外,与岩体中结构面的规模、性状、组合关系密切相关,在地下洞室的开挖过程中或洞室开挖成型后,由于临空面(开挖面)的存在可能使得宽大的结构面或几组结构面通过一定的组合形式构成不稳定或者潜在不稳定块体。这些块体的存在给地下构筑体的施工和施工后的正常运营带来严重的威胁；显然,调查块体位置、块体的几何形态、确定块体与地下结构的相互关系以及进行块体稳定性分析评价,对洞室工程设计、施工、变形监测意义重大。
10.2.1.1 地下洞室岩体结构面发育特征
右岸地下洞室群围岩主要由厚层—中厚层状中细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与煤质页岩不等厚韵律互层构成,在不同岩性的洞段中结构面发育程度有所不同。泥质粉砂岩与煤质页岩受构造挤压错动往往形成规模较大的层间错动带,在中细粒砂岩和粉砂岩中多发育不同方向的节理裂隙。根据洞室开挖揭露调查的结构面的规模和工程特性,将其划分为Ⅱ～Ⅴ级(其中Ⅲ级分为Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3)。Ⅱ、Ⅲ1级结构面发育特征见表10-4。
表10-4 地下洞室中的Ⅱ、Ⅲ1级结构面发育特征
右岸地下洞室施工中揭露的Ⅲ2类结构面主要为中等规模发育的层间挤压带,在洞室围岩中比较常见,大都沿层发育,少部分穿层,在中细砂岩中充填物主要为纯煤、煤质页岩或方解石,在粉砂岩和泥质粉砂岩洞段多为煤质页岩、薄层泥质粉砂岩等,宽度0.5～3m不等,多数长大贯通三壁；潮湿或呈面状渗水,少部分干燥；充填物质胶结差。该类结构面能够成为独立的岩体力学介质单元,形成岩体力学作用边界,强度受充填物质组成和性状控制,对围岩变形和整体稳定性有重大影响。
Ⅲ3级结构面为发育规模较小的层间挤压带或软弱夹层等,在洞室揭露的围岩中Ⅲ3比较疏松,产状变化较大。充填物在中细砂岩中主要为煤线、煤质页岩或方解石,在粉砂岩和泥质粉砂岩洞段多为煤质页岩、断续粉砂岩岩屑等,宽度大多小于0.5m,在洞壁上纵向延伸较短,约3～5m,潮湿,胶结较差。该类结构面的强度受充填物质和结构面几何特征控制,可形成岩体力学作用边界,对围岩局部稳定性有影响。
Ⅳ、Ⅴ级结构面为发育于围岩体中的节理裂隙,根据对4条引水洞室和冲沙隧洞共5条隧洞的野外地质调查和精细测量,获得了近1400条裂隙的详细资料,通过室内的资料整理和Dips优势结构面分析(见图10-1、图10-2),得到了在右岸地下洞室中向斜两翼发育优势的几组结构面。
图10-1 向斜NW翼优势结构面统计图
图10-2 向斜SE翼优势结构面统计图
Ⅳ级结构面主要为:①N7°E/SE∠54°,在向斜NW翼围岩中均较发育的层面裂隙,在翼部倾角最大达到了70°左右,越接近核部,其倾角越缓,在向斜核部仅约25°,延伸长度多达10m以上,贯通洞室三壁,较平直光滑,部分含次生夹泥和少量方解石,方解石胶结好,厚度0.1～0.05m不等,裂隙间距在中细砂岩中约0.3～0.6m,在粉砂岩和泥
质粉砂岩中小至0.1m,大者可达2m。②N76°E/NW∠45°,在向斜SE翼围岩中均较发育的层面裂隙,在距离向斜核部较远的端部倾角达到了85°左右,越接近核部,倾角越缓。延伸长度达10m以上,贯通洞室三壁,平直光滑,部分含少量方解石,胶结好,厚度0.01～0.05m不等,裂隙间距约0.3～0.6m,最大可达2m。③N30°E/NW∠34°或N32°E/SE∠70°,前者在向斜NW翼围岩中较发育,后者在向斜SE翼围岩中较发育,性状相近,部分洞段发育密集,产状变化很大,延伸长度多达10m以上,贯通洞室三壁,多平直光滑,无充填,裂隙间距约0.4～0.6m,发育密集段间距仅约0.15m。
洞室中随机发育的裂隙大多属Ⅴ级结构面,性状变化很大,优势方向的一组N60°～85°W/SW∠54°～70°,在围岩中分布均匀,洞壁上可见迹长约3～8m,少部分长达20m以上；平直光滑,部分含次生泥和砂岩碎块、煤线等,胶结差,厚度0.002～0.05m；裂隙间距变化大,中细砂岩中平均约0.2～0.6m,部分粉砂岩洞段可达1m以上。由于该结构面走向与洞室轴向近于平行或交角很小,对洞室的局部稳定性影响较大。
Ⅴ级结构面在洞室中大量分布,在中细砂岩洞段尤为发育。该类结构面决定岩体的结构特征,强度取决于连通率,可构成岩体力学作用的局部边界,形成小规模不稳定块体,影响洞室的局部稳定性。
10.2.1.2 隧洞围岩破坏模式
紫坪铺工程地下洞室均穿过非均质的砂页岩层状岩体组成的向斜构造,隧洞开挖围岩变形破坏模式可归纳为3类。
(1)塑性挤出。主要发生在规模较大的F3断层和层间剪切错动带,这些部位岩性软弱破碎,往往有煤洞和地下水活动,当隧洞开挖临空时产生塑性挤出,继而产生大塌方。以1号泄洪洞F3断层洞段极为典型。
(2)块体滑落。主要发生在较坚硬的砂岩洞段中,砂岩中结构面较发育,可形成结构面不利组合块体,这些不利组合块体出现在顶拱时会发生掉块,在边墙部位时会发生块体滑动或滑落。
(3)弯曲折断。发生在向斜核部洞段顶拱,该部位岩层产状平缓,岩层在重力作用下会产生弯曲折断变形,特别是当岩层层厚较薄且有煤质页岩软弱层分布时,这种变形更易发生,从而导致洞顶塌落。
10.2.1.3 洞室潜在不稳定块体的确定与稳定性分析
(1)Ⅱ、Ⅲ级结构面(带)围岩稳定分析。前已述及,Ⅱ、Ⅲ级结构面主要为一系列规模较大的断层和层间剪切错动带,如F3、L9、L10、L11等破碎带及影响带宽大,由糜棱角砾岩、断层泥、鳞片岩及砂岩透镜体组成,柔皱强烈,软弱破碎,强度低,能够成独立的岩体力学介质单元,形成岩体力学作用边界,在隧洞开挖临空时,易产生塑性挤出变形,特别是这些部位往往分布旧煤窑采空区,地下水较活跃,使其结构进一步松弛,强度进一步降低,在重力作用下继而产生整体性塌方,需采取特殊施工方法和支护措施。如1、2号导流洞在穿过F3、L9段时尽管采取了管棚施工和混凝土、浇钢支撑手段,仍多次发生大塌方,对洞室的围岩稳定产生了重大的不利影响。
(2)洞室不利结构面组合块体的确定与稳定性分析。隧洞内还存在由Ⅲ3、Ⅳ、Ⅴ级结构面的相互切割形成的对洞壁和洞顶稳定极为不利块体,影响洞室的稳定性。以引水隧洞为例,在现场工作中实测得到的仅是洞室一壁上分布的结构面,对于洞室另一侧壁上的结构面发育规律通过和实测一壁类比得到,预测得到可能形成和存在块体,从而得到整个洞室内的潜在可动块体。由于引水隧洞开挖掌子面高度不大(约10m),洞顶形成大规模可动块体的可能性很小,故略去对洞室顶部块体的分析,通过对其左、右边墙壁组合块体的稳定性分析,对洞室围岩稳定性作出评价。
由上节对隧洞中各级结构面的统计调查,隧洞进口段(向斜NW翼)主要发育三组结构面:①N10°E/SE∠55°(层面)；②N60°E/NW∠40°；③N80°W/SW∠80°。在隧洞出口段(向斜SE翼)也主要发育三组结构面:①N75°E/NW∠45°(层面)；②N32°E/SE∠70°；③N60°W/SW∠60°。根据结构面的发育情况及其在隧洞左、右壁与临空面的组合情况,并考虑不同的结构面间距(0.5m、1.0m、2.0m、3.0m),在结构面参数选取上主要依据初设阶段参数建议值(见表10-1)确定,综合分析隧洞中块体的稳定性。
1)隧洞进口段(向斜NW翼)。隧洞进口段(向斜NW翼)主要发育三组结构面:①N10°E/SE∠55°(层面)；②N60°E/NW∠40°；③N80°W/SW∠80°,左壁临空面为N48°W/SW∠90°,右壁临空面为N48°W/NE∠90°。结构面在左、右壁的组合情况如图10-3所示。
图10-3 隧洞进口段左、右壁结构面组合情况示意图
经分析,结构面在左壁一般形不成块体,在右壁易形成不稳定块体,结果如表10-5～表10-7所示。块体计算表明,块体的稳定性与结构面间距无关。
表10-5 块体稳定性分析结果
表10-6 层面不同间距块体稳定性分析结果
表10-7 结构面2不同间距块体稳定性分析结果
2)隧洞出口段(向斜SE翼)。隧洞出口段(向斜SE翼)主要发育三组结构面:①N75°E/NW∠45°(层面)；②N30°E/SE∠80°；③N60°W/SW∠60°,左壁临空面为N48°E/SW∠90°,右壁临空面为N48°W/NE∠90°。结构面在左、右壁的组合情况如图10-4所示。
图10-4 隧洞出口段左、右壁结构面组合情况示意图
经分析,结构面在左壁、右壁形成不同的不稳定块体,左壁为单滑面,结构面3为主滑面,右壁为双滑面,层面和结构面2作为主滑面。结果如表10-8～表10-10所示。块体计算表明,块体的稳定性与结构面间距无关,且结构面2间距组合情况与层面相同。
表10-8 块体稳定性分析结果
表10-9 左壁层面不同间距块体稳定性分析结果
表10-10 右壁层面不同间距块体稳定性分析结果
3)敏感性分析。为了保证洞室群的工程安全,在进行块体的稳定性验算时留有裕度,以表10-1中提供的各块体边界的最低抗剪强度指标作为计算依据,同时对NW、SE翼左、右壁的块体作抗剪强度参数、地下水以及水平抗震系数的因素敏感性分析。从图10-5～图10-7中可以看出,NW翼右壁块体稳定性系数与抗剪强度参数、水平抗震系数基本呈线性关系,随地下水位增高稳定性系数明显降低,表明块体稳定性对这些因素较为敏感,SE翼块体稳定性因素敏感性分析结果(见图10-8)与NW翼亦基本相同。
图10-5 NW翼右壁块体内摩擦角与稳定性的关系曲线
图10-6 NW右壁块体地下水位与稳定性的关系曲线
图10-7 NW翼右壁块体水平地震系数与稳定性的关系曲线
图10-8 SE翼左壁块体内摩擦角与稳定性的关系曲线
综上引水隧洞各块体系列的稳定性分析结果表明:隧洞进口段(向斜NW翼)左壁不易形成块体,右壁可能形成不稳定块体,多以层面为滑面,且稳定性较差,稳定性系数仅为0.283,且对内摩擦角、地下水、地震较敏感。隧洞出口段(向斜SE翼)左、右壁都可能形成不稳定块体。在左壁多以走向与洞向小角度相交、倾向临空面的结构面为滑面,且稳定性较差,稳定性系数仅为0.233,且对内摩擦角、地下水、地震很敏感；在右壁多以层面和层面近于正交的结构面为双滑面,稳定性系数为1.065。
(3)失稳块体的工程处理建议。失稳块体的处理常常采用预应力锚索、喷锚支护等手段,对于由Ⅳ类和Ⅴ类随机结构面构成的块体的支护设计(或规模更小的随机块体),可采用系统锚杆和加强锚杆相结合的方式进行。从各洞室块体的稳定性分析结果表10-5～表10-10可看出,不稳定性块体的最大厚度的最小值为0.448m,最大值为7.90m,所以该地下系统可采用8～12m的系统锚杆对随机块体进行锚固。
地下洞室群中失稳的块体主要由大量延伸长度较大的Ⅳ类裂隙和Ⅴ类随机结构面构成。但洞室尚会遇较大的顺层层间错动带或软弱夹层,对这些特殊洞段应引起足够重视并作重点支护。
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