（地质工程专业论文）块体极限平衡理论在隧道施工中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 隧道施工使原岩的应力平衡状态破坏，围岩应力发生重分布，并出现应 力集中现象，如果集中应力超过围岩强度，围岩将发生破坏，某些块体将沿 着结构面滑动，造成围岩失稳破坏。块体失稳的危害很大，轻则掩埋、淹没 设备，堵塞坑道；重则造成施工人员的伤亡，影响施工进展，使铁路、公路 等工程建设遭受极大的损失。块体极限平衡理论针对岩体在不同产状、长度、 间距的结构面切割下形成的块体稳定性问题进行研究。随着国内外学者的认 识和深入研究，块体极限平衡理论已成为工程岩体稳定性分析的一种有效方 法，在国内外得到较为广泛的应用。 本文以在施工现场结构面地质统计数据为基础，包括已开挖后用照相技 术对施工开挖所揭露的结构面进行现场勘察与记录和未开挖时根据已有的 地质勘察资料进行预测结构面情况，建立数据库，判断关键块体。根据获得 的数据采用极限平衡分析方法、楔形体分析、最大可动区域分析方法对关键 块体破坏类型、运动模式、稳定性进行分析、判断；再对不同的失稳块体采 取相应的支护措施。 根据以上原理采用a c c e s s 建立数据库及v i s u a lb a s i c 语言进行程序设 计，开发隧道围岩稳定性分析程序。程序主要包括块体稳定性分析和锚杆支 护设计。根据情况使用者可以直接运用程序所采用的数据，也可以在数据库 中录入自己的数据进行计算，使用方便。本程序对面临的一般几何、数学和 力学问题，如复杂形态的面积、体积计算等理论问题给出了其简化方法。程 序在运行中能输出节理组合形成的块体的位置、块体大小、断面图和剖面图； 再根据形成的块体分析其下滑力，对不同的块体及块体不同的位置采用不同 的支护方法和不同的锚入深度，且能输出锚杆支护示意图，认识更直观。 结合工程实例，将研究成果进行应用，检验其先进性和有效性。将块体 极限平衡理论更好地应用于隧道施工中，方法简便易于操作。 关键词隧道围岩；块体极限平衡理论；稳定性分析；锚杆支护；程序设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no ft u n n e lm a k e st h eb a l a n c eo fs t r e s sa b o u to r i f f i n a lr o c k d e s t r o y e d t h es t r e s so fr o c ka r o u n dt u n n e ld i s t r i b u t e sa g a i n 。a n da p p e a ra p h e n o m e n o no fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n i ft h ei n t e n s i t yo fs t r e s si sm o r et h a nt h e r o c k sa r o u n dt u n n e l t h ew a l lr o c ka r o u n dt u n n e lw i l lb ed a m a g e d s o m eb l o c k s w i l lb ea l o n gt h es l i d i n gs u r f a c e ，r e s u l t i n gi nl o s t i n gs t a b i l i t y i tb r i n g sg r e a t j e o p a r d y , s u c ha si n u n d a t e se q u i p m e n t s ，p l u g st h et r e n c h e s ，a n dw h a t sm o r e ，l e a d s t os o m ec o n s t r u c t i o np e r s o n n e li n j u r i e sa n dd e a t h s 。o re f f e c t ss c h e d u l e 。a n dm a k e s e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ns u f f e r e dag r e a tl o s s b l o c kt i l e o r yf o rr o c km a s s r e s e a r c h st h es t a b i l i t yo f b l o c kw h i c ht a k e df o r md i f f e r e n ts h a p e 、l e n g t h 、s p a n c u t t i n gs t r u c t u r a ls u r f a c e w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go fd o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r sa n di n d e p t hs t u d y b l o c kt h e o r yh a sb e c o m ea ne f f e c t i v ew a yt oa n a l y s e t h es t a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gr o c km a s s s oi ti sa p p l i e da 1 1a r o u n dt h ew o r l d t h i sa r t i c l ei s o nb a s i so fc o n s t r u c t i o ns i t e g e o l o g i c a ls t a t i s t i c a l d a t e ，i n c l u d i n ge x p o s e dt h e st r u c t u r a lo ft h es u r f a c ew i t hd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r y t om a k er e c o n n a i s s a n c er e c o r d sw h e ni ti se x c a v a t e da n db a s e sf o r m e rg e o l o g i c a l m a t e r i a lt of o r e c a s t i n gw h e ni ti su n e x c a v a t e d ，a n ds e tu pad a t a b a s et oi u d g ek e y b l o c k a c c o r d i n gt oo b t a i n a b l ed a t et oa n a l y s ea n dj u d g et h eb r o k e nt y p e s 、s l i d e m o d e s 、s t a b i l i t yo fk e yb l o c kw i t ht h eu l t i m a t eb a l a n c ea n a l y s i s 、a n a l y s i so f w e d g e s h a p e db o d y 、t h ea n a l y s eo ft h em a x i m u mp o s s i b l em o v a b l eb l o c k a n dt h e na d o p ta p p r o p r i a t es u p p o r tm e a s u r e s m a k eu s eo ft h a tt h e o r ya n da d o p ta c c e s st os e tu pd a t e b a s ea n dv i s u a l b a s i c l a n g u a g e t o p r o g r a m m i n g d e s i g n t o g e n e r a t e t h e a n a l y s e p r o g r a m p r o c e d u r ei n c l u d e ss t a b i l i t ya n a l y s i sa n dd e s i g no fb o l t i n g u s e rc a n a p p l yt h ep r o g r a m sd a t ad i r e c t l yo ra d dd a t at od a t a b a s ei nh i sm i n d i t sv e r y c o n v e n i e n t t h ep r o g r a mb r i n g ss i m p l ew a yf o rc o m m o ng e o m e t r y 、m a t h e m a t i c s a n dp h y s i c s ，s u c ha sc a l c u l a t ef o rc o m p l i c a t ea r e aa n dv o l u m e p r o g r a mc a n o u t p u tt h eb o l c k ss i t e 、s i z e 、p l a n ef i g u r ea n ds e c t i o n a ld r a w i n gw h i c hi sf o r m e d b yj o i n t e db l o c ki nc o u r s e ，a n da c c o r d i n gt ob l o c kt oa n a l y s eg l i d i n gs t r e s s ，a p p l y s u i ta n c h o rb o l ta n da n c h o rd e e p t h ，a n di tc a no u t p u tb o l t i n gs k e t c hs e c t i o n sa n d p r o f i l e s ，i ti sm o r es t r a i g h t f o r w a r d p u tr e s e a r c hr e s u l t si n t oe n g i n e e r i n gp r a c t i c et oi n s p e c ti t sa d v a n c ea n d v a l i d i t y m a k eg o o du s eo fb l o c kt h e o r yt ot u n n e lc o n s t r u c t i o n ，t h em e t h o di s s i m p l ea n de a s yt om a n i p u l a t e 关键词t h ew a l lr o c ka r o u n dt u n n e l ；b l o c kt h e o r yf o rr o c km a s s ；s t a b i l i t y a n a l y s i s ；a n c h o rb o l t i n g ；p r o g r a md e s i g n 西南交通大学囱甯父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密吻，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：疡萄耆 日期：叫- 争2 7 翥警：彦吐寺日期： 7 j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 研究块体极限平衡理论在整个隧道施工中的应用，并建立数据库编制一 套隧道围岩块体稳定性分析软件，对隧道经过处隧洞断面采用结构面地质统 计方法进行预测，根据不同的块体破坏形态采用合理的支护方法。根据所编 制程序分析了节理所形成的块体组合、围岩类别、松动圈大小对支护方法的 影响，即采用局部锚杆、系统锚杆、挂钢筋网喷锚支护的地质条件。本论文 的研究使块体极限平衡理论更方便用于隧道施工，使用简便。 学位论文作者签名：疡萄看 日期：叫”7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 随着我国西部大开发、南水北调等战略性工程的启动，水利、交通、能 源等工程建设规模的扩大，岩石工程( 如边坡、坝基、地下洞室等) 稳定性研 究已越来越受到重视。深入研究岩体稳定性，可为工程规划与设计方案的比 选、工程开挖、支护、监测等设计提供更加合理可靠的依据，为工程建设服 务。岩体稳定问题往往又与生态环境保护、资源利用和可持续发展问题相关。 因此，提高岩体稳定性的研究水平，具有重要的工程意义及社会发展意义。 块体极限平衡理论假定岩体结构面为平面、结构面切割而成的块体为刚 体、块体失稳为脱离岩体或沿结构面产生剪切滑移等平动形式，利用几何拓 扑学方法分析不同开挖面上可能出现或己出现的可移动块体、关键块体的类 型，分析块体的几何形态特征、块体失稳模式；并结合刚体极限平衡分析， 计算块体的稳定性，探讨相应的工程支护措施。块体极限平衡理论已成为工 程岩体稳定分析的一种有效方法，在国内外已得到较为广泛的应用，例如在 地下洞室、边坡、坝基岩体稳定性分析中得到应用。岩体的稳定性与多种因 素有关，既受内在因素的控制，如岩块力学性能、结构面发育状况和力学性 能，还受外界条件如环境气候变化、地下水、爆破震动和人类工程活动等的 影响，并且内外作用因素随时间而变化，因此岩体稳定是动态变化的。总之， 岩体稳定性问题十分复杂，对其认识和研究必定是一个逐步深入的过程。岩 体是一种复杂的地质体，通常认为岩体由岩块和结构面两部分组成，结构面 如节理、断层、岩层层面、剪切带、软弱夹层等，是岩体内不连续面的总称； 岩块是岩体被结构面切割后形成的大小不同的岩石块体，岩块内的物质相对 连续致密。岩体中的结构面发育程度可能存在很大的差异，块状岩体中的结 构面间距较大，而碎裂岩体中的结构面则密得多。不同结构面的物理性质f 充 填物、胶结状态等) 、几何形态( 如裂隙宽度、粗糙度、裂隙长度规模等) 及力 学强度( 摩擦系数、粘聚力，刚度等) 差异巨大，这方面的研究也颇多。 岩体的力学强度，包括岩石强度和结构面强度。通常情况下，结构面的 存在及其强度，控制着岩体的强度及稳定性。实际的工程岩体，其变形失稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 往往由于结构面发生张开、闭合、错动等而引起，而岩块的力学性能通常比 结构面高得多，其变形相对小得多，若不存在结构面时也稳定得多。研究岩 体的稳定性，决不能轻视结构面的存在及对结构面的研究，这一点己在学术 界和工程界达到共识。 研究结构面对岩体稳定性的影响至关重要。分割岩体的任何地质界面， 统称为结构面，也称不连续面。岩体稳定性计算分析方法较多，从某种意义 上说，能否较合理地分析结构面对岩体稳定性的影响，成为衡量该方法是否 适用于岩体稳定性分析的重要标准。在众多的分析方法中，如有限元法可以 采取节理单元( 或称g o o d m a n 单元) 考虑结构面的影响，但考虑的结构面数量 有限，且在结构面非连续变形与大变形分析中存在困难；离散元可以考虑结 构面的影响，但岩体需被完全切割，且结构面切割后的块体为凸体，与实际 工程条件存在差异；石根华博士提出的不连续变形分析( d d a ) 方法和数值流 形法，有其理论上的重大创新，有望在结构岩体的稳定性评价、结构面大变 形与不连续变形，乃至裂缝扩展等问题获得理想的解答，但目前尚未进入工 程实用化阶段。 块体极限平衡理论针对岩体在结构面切割下的稳定性问题进行研究，由 于不同产状、长度、间距的结构面切割下的岩体，形成块体的可能性及其在 不同临空面上出现的规律不同。由于块体极限平衡理论将几何拓扑学成功地 应用到了岩体稳定性分析领域，解决了一些其它数学、力学分析方法难以解 答的问题，如块体存在性判断。块体极限平衡理论主要用于分析块状岩体的 稳定性，岩体中的岩石一般比较坚硬，被相距数米级的结构面切割而成块体 状；结构面的力学性能指标比岩石要低得多，岩块可相对看作刚体。 隧道不稳定块体主要是由不良结构面( 不良地层面、节理面) 和临空面 的相互组合形成的不稳定滑塌体，当不稳定块体的重力指向临空面的分量临 界于阻止岩体向临空面滑动的摩擦力时，岩体会在其他因素的诱导下垮落， 严重时会由于垮落岩体处于咬合作用的关键部位而产生大的连锁垮塌。特别 是当掘进至岩石软硬相间地段且有水发育时极易引起硬的围岩掉块和软的 围岩垮落。 鉴于隧道施工技术更为安全的要求，则对隧道施工中遇到的块体稳定的 处理要求更加完善。所谓块体，就是在隧道施工过程中，围岩在人工开挖后 受地下水浸入、地应力卸荷和受各种结构面切割形成块体。块体主要是受岩 体结构面、岩体强度和岩性特征影响，几组结构面组合沿着某一、二组结构 面滑动，对隧道围岩稳定性造成威胁。由于隧道中块体失稳的现象发生时非 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 常突然，对于施工人员来说，往往是难以应付的。块体失稳的危害很大，轻 则掩埋、淹没设备，堵塞坑道；重则造成施工人员的伤亡，影响施工进展， 使铁路、公路等工程建设遭受极大的损失。因此，有必要对隧道围岩块体稳 定性进行研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 围岩稳定性研究现状 围岩稳定性指隧道施工过程中，在无支护条件下隧道洞室围岩的白稳能 力。由于隧道对围岩有着极为严格的要求，因此对隧道围岩稳定性作出正确 合理的评价，对隧道设计、施工和安全运营有着极为重要的指导意义。 现行隧道围岩稳定性评价，一般分为定性评价和定量评价。定性评价是 一种粗略的围岩稳定性评价方法，主要用于中小规模的浅埋隧道，常与定量 评价方法结合使用，工程实践中最常用方法是工程地质判别法。定量评价是 在岩石物理力学性质指标的基础上，采用解析分析法、数值模拟法和图解分 析法等来评价围岩稳定性的具体程度，是工程实践中准确评价围岩稳定性的 极为常用的方法。 ( 1 ) 工程地质判别法 工程地质判别法主要用于小规模浅埋隧道，这类隧道围岩应力较低且影 响范围较小，变形破坏总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质 标志较为明显，通过一定的地质工作便能够对围岩稳定性加以研究和评价。 在进行隧道围岩稳定性评价时，运用工程地质理论阐述隧道围岩的变形破坏 机制和影响围岩稳定性的地质因素，按照高速公路隧道围岩分级标准对隧道 围岩进行分段和分级，给出相应各段各类围岩的稳定性级别，供隧道设计和 施工采用。 ， ( 2 ) 解析分析法 当前，应用解析法在求解有关围岩稳定性问题时，通常采用弹性和弹塑 性两种方法进行，且均按平面问题的极坐标进行解答。首先，在研究洞室稳 定性问题时，一般情况下，将围岩体假设为各向同性的、连续性介质，且洞 室的延伸要远远地大于洞室断面的尺寸，按平面应变问题进行考虑，同时假 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 设围岩处于一水平应力和垂直应力均相等的一均匀应力场中，在上述应力场 中，围岩弹性、弹塑性状态下围岩形成一次应力的大小、围岩周边位移以及 围岩中塑性区变化范围等。其次，在求解围岩的平面应变问题时，假设围岩 存在于这样一个垂直应力和水平应力不相等的应力场中。本方法具有精度 高，分析速度快，易于进行规律性研究等优点，但对于受地表边界和地面荷 载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。 ( 3 ) 数值模拟法 在围岩稳定性的数学分析方法中，解析法只能适用于那些边界条件较为 简单及介质特性不太复杂的情况。多数的实际工程在特定条件下只能用数值 法求解，目前较为常用的方法有有限单元法、边界单元法、有限差分法、离 散单元法c u n d l l 、流形元法、f 1 a c 方法、块体一弹簧元分析法、块体单元 法、人工神经网络分析法等，通过数值模拟的方法对围岩进行稳定性分析。 ( 4 ) 图解分析法 通过作图来分析各结构面之间、结构面和开挖临空面之间的空间组合关 系，确定出在不同部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性，常用的有 赤平极射投影法、实体比例投影法。地质几何法( 关键块体法) 等。但岩体内 部结构面的真实情况很难描述。 1 2 2 块体极限平衡理论国内研究现状： 自1 9 8 5 年块体极限平衡理论正式提出以来，块体极限平衡理论一直受 到国内外科研人员与工程技术人员的重视。在国内，早期主要集中在理解、 应用块体极限平衡理论上，1 9 8 8 年石根华博士在国内举办了块体极限平衡理 论讲习班，并发布了最初的块体极限平衡理论计算分析程序，国内多家单位 在此基础上，进行了工程分析应用。并且，块体极限平衡理论出现了中文版 译著，促进了块体极限平衡理论在中国的推广。国内公开发表的文献资料表 明，在早期，有关块体极限平衡理论的工作主要集中在边坡、洞室等围岩块 体分析与工程应用中。 近1 0 多年以来，不少学者对块体极限平衡理论的理论问题进行了较深 入的研究，并在工程应用范围上进行了拓展。随后，在块体极限平衡理论的 理论研究方面，出现了不少成果，主要体现在以下方面。 ( 1 ) 块体稳定性分析方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 块体稳定性分析包括确定性问题和随机问题。前者如地下水、地震等外 加荷载的模拟；后者如考虑结构面力学参数随机变化的块体可靠度分析。文 献【卜3 】讨论了地震、地下水、锚固力等多种外部荷载作用下块体稳定分析方 法，其中，采用拟静力的办法考虑地震力作用，采用静水压力模式考虑地下 水对块体的作用。文献【4 5 】考虑了块体在锚固作用下的稳定性，提出了锚固 力分析的一些建议；文献【6 j 讨论了锚固力方向优化问题。文献1 7 一j 从力平衡 和力矩平衡入手，研究块体的多种运动模式，包括平动、转动等。文酬州l j 研究了块体或边坡的动力学问题，得出了块体在地震等动力作用下的安全系 数、位移响应曲线等。 ( 2 ) 块体几何构形分析方面 块体几何构形方面的研究较少，尤其是对于复杂构形的块体，如凹形体。 文献【12 】讨论了凹形体问题，但主要讨论的是消影问题。文献【l3 】进行了相对较 简单的凹形体分析，并画出了三峡船闸出现的凹形块体，值得借鉴；文献【1 4 】 引用了矢体的概念进行类似研究。 ( 3 ) 块体极限平衡理论计算分析软件开发【1 5 】 1 9 8 8 年石根华博士在国内举办的讲习班上发布了块体极限平衡理论计 算程序，国内多家单位在此基础上，进行了工程分析应用。文酬3 】提出了针 对边坡块体稳定的分析软件，但其研究对象是边坡，并且缺乏如赤平投影等 块体极限平衡理论的基本分析功能，因此不是真正意义上的块体极限平衡理 论计算软件。其它软件如楔形体稳定性分析等，也与块体极限平衡理论计算 软件有较大的差别。据文献资料反映，目前国内多家单位拥有块体极限平衡 理论计算程序，各单位发展水平不一。并且，由于缺乏在统一的开发平台上 进行集成开发，各分析功能相对零散，操作不便，给工程应用带来不便，也 约束了块体极限平衡理论的发展与推广。 1 2 3 国外研究现状： 国外对块体极限平衡理论的研究与国内研究相比，有以下特色【1 5 】： ( 1 ) 注重对结构面调查、原始资料分析工作，在结构面地质统计方法 研究中，出现了测线法( s p r i e s t & h u d s o n ，1 9 7 6 ) 、统计窗法( k u l a t i l a k e ，1 9 8 4 ) 等；对结构面的随机特征研究较为深入严谨，如较深入地研究了结构面迹长、 间距、产状等的随机分布特征；文献1 6 】研究了迹线长度与假定结构面为圆盘 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 时的直径之间的关系；文献【l5 j 研究了结构面间距的分布特征及其与r q d 的 关系。文献【1 7 j 根据结构面间距等分析不连续体的面积、体积。 ( 2 ) 以石根华博士为代表，进行了随机块体几何分析，通过结构面网络模 拟，并将迹线图展开，在二维平面上搜索出随机块体可能出现的最大区域， 如文献【1 8 1 9 1 。文献【2 0 】等进行了节理网络模拟，并进行了随机块体搜索，但 是在二维下完成的；文献【2 l 】对结构面迹长、间距等服从的概率分布模型及结 构面网络模拟方法进行了较系统的总结，考虑了结构面几何参数满足的多种 分布模型，给出了较好的三维节理网络模拟结果。 ( 3 ) 在块体极限平衡理论的基础上，考虑结构面与岩块的变形，发展了 非连续变形分析( d d a ) ，如文献1 2 2 2 4 】。该法在块体切割、几何拓扑等问题 的研究与块体极限平衡理论相似，可以相互借鉴。在三维d d a 研究中，将 涉及空间内的结构面切割并形成块体的问题，研究复杂，成果可与块体极限 平衡理论相互促进。 ( 4 ) 采用照相技术，对施工开挖所揭露的结构面进行现场勘察与记录，并 判断关键块体，如文酬2 5 j 。该法在结构面现场勘察统计方面可发挥高效、准 确的作用，但在关键块体判断上存在问题，因通过照相技术勘察得到的结构 面资料，实为开挖面上的结构面迹线信息，不能就此判断结构面在岩体内部 是否相交，因此在关键块体识别上可能存在较大误差。 1 2 4 块体极限平衡理论与不同方法的比较 1 5 块体极限平衡理论有别于连续或非连续的数值分析方法，并不研究介质 的变形、应力分布问题，同时也和极限平衡分析方法、解析方法等不同。块 体极限平衡理论的独到之处在于打破了传统的力学分析方法，将几何拓扑学 应用于岩体稳定性分析中。块体极限平衡理论不是从力的平衡、应力应变关 系、介质的变形破坏准则等出发，通过分析岩体内的应力应变场，塑性区分 布等，评价岩体的稳定性；块体极限平衡理论将工程岩体看作被结构面( 节理、 断层、弱面等) 和工程开挖面共同切割下形成的块体所组成的群体；各块体因 几何形态差异、所处的位置不同，导致它们对岩体稳定性所起的作用不同， 一些块体是不稳定的，而另一些是稳定的。块体极限平衡理论根据几何拓扑 学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影方法，从块体群中找出一切几何可 移动块体，因而只需对几何可移动块体进行稳定性分析和相应的锚固支护分 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 析。 采用块体极限平衡理论进行岩体稳定性分析，可以研究岩体在结构面切 割情况下，能否在特定的开挖面上形成可移动块体和关键块体。块体是否出 现及是否稳定，是岩体稳定的基础。当结构面切割能够形成对岩体稳定造成 不利影响的块体时，就需要对块体进行分析，并针对块体进行支护，然后再 采用其它方法，如数值分析方法，分析较大范围的岩体是否稳定。在此分析 过程中，极限平衡分析或数值分析方法不能代替块体极限平衡理论的分析， 因为这些方法研究的是较大范围的岩体的稳定性特征，给出的是岩体的应 力、变形特征、塑性区分布，基本上不可能识别出结构面不同切割条件下开 挖面上可能出现的块体，也就不能针对块体进行几何与力学分析。 另外，块体极限平衡理论认为块体的运动形式只有三种平动形式：脱离岩 体、单面滑动、双面滑动，不存在实际岩体破坏可能出现的倾倒、旋转等形 式。从岩体的变形破坏机制而言，岩体中存在张拉开裂、剪切滑移、压剪破 坏、弯折破坏等形式，块体极限平衡理论不涉及岩体破坏的力学机制问题， 若要从块体极限平衡理论中的三种运动形式对应出可能的破坏机制，则存在 结构面张开、剪切滑移，不存在开裂，以及压剪破坏、弯折破坏等。综上而 言，与其说块体极限平衡理论是一种岩体稳定性力学分析方法，不如说是一 种几何拓扑学分析方法。 块体极限平衡理论在块体稳定性力学分析中，吸收了极限平衡分析的思 路。极限平衡分析的思想是假设岩体在失稳破坏的极限状态下，岩土体力学 性能得到完全发挥时所研究的对象能够达到的稳定性安全系数，常见的方法 有条分法，如瑞典法、b i s h o p 法、j a n b u 法等。各种方法的不同在于对条间 力的假设不同，以及能否满足力平衡与力矩平衡。极限平衡分析在研究结构 面作用时，将块体视为刚体，研究作用在块体上的各种力的平衡关系，并 考虑结构面的抗剪性能得到极限发挥时，块体所能达到的安全系数。 1 3 本文研究的思路和主要内容 1 3 1 研究目标和研究内容： ( 1 ) 结构面地质统计方法，包括已开挖后用照相技术对施工开挖所揭 露的结构面进行现场勘察与记录和未开挖时根据已有的地质勘察资料进行 预测结构面情况，建立数据库，判断关键块体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 根据获得的数据采用块体极限平衡分析方法、楔形体分析、最大 可动区域分析方法对关键块体破坏类型、运动模式，对围岩稳定性进行评价。 ( 3 ) 计算软件开发问题。尽管目前已有一些成果，但综观国内块体极 限平衡理论计算分析程序的发展状况，目前尚未出现一套关于隧道围岩稳定 性而且紧扣工程分析需要的应用分析软件。因此本文采用a c c e s s 、v i s u a l b a s i c 语言建立数据库进行程序设计，开发隧道围岩稳定性分析程序。理论 研究面临的一般几何、数学和力学问题，如复杂形态的面积、体积计算，在 复杂区域内找一点，在本程序中给出了其简化方法。 ( 4 ) 结合工程实例，研究不同施工方法对块体稳定的影响以及破坏形 态的不同，根据不同的施工方法采取不同的支护措施。将研究成果进行应用， 检验其先进性和有效性。对工程应用中遇到的一些问题进行研究，如：不定 位块体大小分析；不定位块体分析中，当块体多于四个面时形态复杂多变， 需要选取合理的形体，作为稳定性分析和支护设计的依据；探讨块体极限平 衡理论分析与工程实际情况存在的差异及其实质，如何将块体极限平衡理论 更好地应用于隧道施工中。 1 3 2 拟解决关键技术问题： ( 1 ) 结构面地质统计方法，包括已开挖后用照相技术对施工开挖所揭 露的结构面进行现场勘察与记录和未开挖时根据已有的地质勘察资料进行 预测结构面情况，建立数据库，判断关键块体。 ( 2 ) 根据获得的数据采用极限平衡分析方法、楔形体分析、最大可动 区域分析方法分析关键块体破坏类型、运动模式，对围岩稳定性进行评价。 ( 3 ) 研究不同施工方法对块体稳定的影响以及破坏形态的不同，根据 不同的施工方法采取不同的支护措施，并分析使用各种支护方法的围岩工程 地质条件。 ( 4 ) 用v i s u a lb a s i c 语言编写隧道围岩稳定性分析和锚杆支护程序配合 隧道施工，系统地分析围岩块体稳定并根据形成的不同失稳块体采用合理的 锚固措施，能输出结构面上各个不稳定块体的剖面图和平面图，直观反映形 成块体的节理位置及块体大小，从而使得隧道施工更加有的放矢，方便施工 应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3 3 选题的研究思路，研究方法和技术路线 1 、研究思路和方法： 本论文结合具体的隧道，对围岩地区的地质条件进行观测，收集到有关 的岩体强度、岩体性质、岩体结构面特征等信息，根据开挖前后的地质资料 进行数据统计，结合相应的块体极限平衡理论，采用a c c e s s 、v i s u a lb a s i c 语言建立数据库进行程序设计，分析隧道围岩失稳情况并对其稳定性进行评 价，再对不同的围岩稳定性破坏形态采取合理的支护方法。 2 、技术路线：结合具体实例采用理论分析方法，利用施工开挖所揭露 的结构面进行现场勘察与记录和未开挖时根据已有的地质勘察资料对结构 面进行预测，编写隧道围岩稳定性分析软件来分析隧道围岩稳定性，并进行 围岩支护分析设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 1 绪论 第2 章块体极限平衡理论基本原理 岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。在漫长的自然历史过程中， 它经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部形成了各种各 样永久变形的地质构造形迹，例如：不整合面、断层、层理、节理、劈理等， 我们把这些构造形迹统称为结构面。岩体是岩石受结构面纵横切割而成的裂 隙体。岩体包含了连续介质、裂隙介质和散体介质，而这三种类型往往又会 同时出现。要想较准确地研究工程岩体就必须根据不同的岩体作适当的简化 和假设，选择较合适的力学介质模型进行研究。目前针对工程岩体主要有两 种处理方法，一种是连续介质力学模型等效处理法，例如材料参数等效法、 能量等效法、变形等效法、断裂力学法、损伤力学法等；另一种是非连续介 质处理方法，例如离散单元法、不连续变形分析法、块体极限平衡理论分析 法、刚块一弹簧法。另外，还有散体理论分析法、工程类比法等。但不论是 哪种力学模型和分析方法，都是针对岩体的某些主要特征，在作出某些适当 假设的基础上提出的，因而这些方法都具有一定的适用范围和局限性。在用 于接近其假设的一类岩体中将会获得较好的效果，而对另一类岩体则完全无 能为力【2 6 】。 在自然界中，岩体是由含大量结构面的岩石所组成的结构体，基于这种 认识，块体极限平衡理论是针对过去将岩体作为弹性的均质连续体来研究而 提出的另一种完全不同的研究方法。块体极限平衡理论认为，岩体是一种非 均质连续体，它是由断层、节理裂隙、层面以及软弱夹层等结构面切割的坚 硬或半坚硬岩块所组成的。运用该理论对岩体进行稳定分析时，把岩体看作 是刚性块体组成的结构体，破坏机理为刚性块体沿软弱结构面滑移，力学模 型为刚性平移。 在坚硬和半坚硬地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块 体。在自然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。当进行边坡、地基以 及地下洞室的人工开挖时，或对岩体施加新的荷载后，使暴露在临空面上某 些块体失去原始的静力平衡状态，因而造成某些块体首先沿着结构面滑移、 失稳，进而产生连锁反应，造成整个岩体工程的破坏。我们称这种首先失稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 的块体为“关键块体”。块体极限平衡理论的目的就是研究上述岩体结构模 型的破坏机制及其工程处理措施。 2 2 块体极限平衡理论的基本原理 2 2 1 块体极限平衡理论的基本假定、研究方法 块体极限平衡理论的基本假定如下弘驯： ( 1 ) 结构面为具有一定产状的平面，对于每个具体工程，各组结构面具 有确定的产状，并由现场地质测量获得； ( 2 ) 结构面贯穿所研究的岩体，即不考虑岩石块体本身的强度破坏； ( 3 ) 结构体为刚体，不计块体的自身变形和结构面的压缩变形； ( 4 ) 岩体的失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生的剪切滑移。 由上述假定块体极限平衡理论首先将结构面和开挖临空面看成空间平面，将 结构体看成凸体，将各种作用荷载看成空间向量，进而应用几何方法( 拓朴 学和集合论) 详尽研究了在已知各空间平面的条件下，岩体内将构成多少种 块体类型及其可动性，并给予严格的数学证明。然后通过简单的静力计算， 求出各类失稳块体的滑动力，以做为工程加固措施的设计依据。具体分析手 段有两种：一是矢量运算法一将空间平面和力系以矢量表示，通过矢量运 算给出全部块体极限平衡理论分析结果，本文使用v i s u a lb a s i c 语言编制出 程序，在电脑上运算可以给出判断和计算结果，使用简单方便；二是作图法 使用全空间赤平投影方法直接作图求解，该法需圆规、直尺做图或电脑 绘图，无需复杂计算。这两种分析方法是相互独立但计算结果是一样的，都 有严格的数学计算基础。两种方法结合就是应用矢量运算给出全部分析结 果，并将赤平投影分析结果绘出开挖结构和塌滑形式之间相互关系的空间图 形，分析结果更加直观。本文主要使用矢量运算法再结合编制的程序绘制图 形。 2 2 2 块体极限平衡理论的特点 块体极限平衡理论的特点如下f 2 7 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 1 ) 块体极限平衡理论分析完全是三维分析，这正是岩体工程的主要特 性，也是优于其他分析方法的主要特点。 ( 2 ) 块体极限平衡理论分析的核心可归结为寻找开挖临空面上的关键块 体。对于要求保持开挖稳定的岩体工程，则需在开挖过程中当关键块体完全 暴露之前采用工程处理措施使之保持稳定；对于要求以最小的开挖面而达到 最大开挖效果的某些采掘工程，则需要使关键块体暴露，使之造成连锁破坏， 以期用最小的爆破量达到最大的爆破效果。 ( 3 ) 块体极限平衡理论的研究对象是具有明显滑动面的空间岩体运动， 只考虑结构面间的抗剪强度，不考虑岩体本身的强度破坏和变形，且只讨论 岩体的平行移动，对于重心落在支撑面以外的倾覆失稳，仅能求出切割孤立 体，而倾覆力矩的计算要根据岩体的几何数据和荷载作用条件而定。由于讨 论对象的力学模型实质只是刚体的平行移动，故应用空间向量合成来求各种 荷载的合力才是正确的。 ( 4 ) 块体极限平衡理论的分析方法有完备的理论、严谨的数学证明，研 究问题充分，最后的应用方法十分简单，易于掌握，有重要的工程实用价值。 ( 5 ) 块体极限平衡理论分析成果的可靠度取决于分析参数取值的准确程 度。首先取决于结构面力学指标c 、由值的准确性；其次取决于结构面产状 取值的准确性。严格来说，任何结构面都不是一个理想的平面，且在同一地 质背景条件下，结构面产状常具有一定的分散性。在野外实际测量时，必须 选取具有代表性的结构面产状。 2 2 3 块体分类 岩体被各类结构面和临空面切割后，形成了形状各异的镶嵌块体。从岩 体工程稳定性分析方面考虑，可对其作以下分类： 块体 无限块体 有限块体 块体 ( 1 ) 根据块体的边界情况，将块体分为有限块体与无限块体。无限块 体稳体块失块定能键 体隐河陕一 块 体 动 块 可 动 不 可 ，。j、。l 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 体是指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，这类结构面虽受结构 面和临空面切割，但仍有一部分与母岩相连；有限块体是指被结构面和临空 面完全切割成孤立体的块体。 ( 2 ) 根据块体的几何可动性，有限块体又可分为不可动块体和可动块 体。不可动块体指沿空间任何方向移动皆受相邻块体阻碍，如果相邻块体不 发生移动，它也不能移动：可动块体是指沿空间某一方向或若干方向移动而 不受相邻块体阻碍的块体。 ( 3 ) 根据块体的受力情况，可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体 和关键块体。稳定块体是指在工程力和自重作用下，即使滑动面的摩擦力和 粘聚力为零也能保持稳定的块体；可能失稳块体是指在工程力和自重作用 下，滑动面上有足够的抗剪强度才能保持稳定的块体；关键块体是指在工程 力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足以抵抗滑动力，若不采取工 程加固措施必然会导致失稳的块体，见图2 1 。 临 空 面 誓隧誓隧 誓隆警防 ( c ) 稳定块体( d ) 可能稳定块体( e ) 关键块体 图2 1 不同块体分类的二维示意图 关键块体极限平衡理论的核心是寻找关键块体，其基本方法就是首先将 结构面和开挖临空面看成空间平面，将结构体看成凸体，将各种作用荷载看 成空间向量，进而运用几何方法( 拓扑学和集合论) 研究在己知各空间平面的 条件下，岩体内将构成多少种块体类型及其可动性。通过几何分析排除所有 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 的无限块体及不可动块体；再通过运动学分析，找出在工程作用力和自重作 用下的所有可能失稳块体；然后是力学分析，根据滑动面的物理力学特性， 确定开挖面上所有的关键块体，并计算出所需的锚固力，从而制定相应的锚 固措施。 其具体分析手段有两种：一是作图法，即应用全空间赤平投影进行直接作 图求解；二是矢量运算法，即将空间平面和力系以矢量表示，通过矢量运算 求出全部关键块体极限平衡理论分析的结果。矢量分析法由于旨在寻找关键 块体，与生产实践联系紧密，且易于编程实现，在岩体工程中应用极为广泛， 因此本论文主要讨论矢量分析法。 2 2 4 几何分析 关键块体极限平衡理论是通过有限性定理和可动性定理来寻找可移动 块体的。首先将空间各组结构面和临空面平移，让它们通过空间坐标系的坐 标原点，那么这些空间平面就可以构成以坐标原点为项点的一系列的棱锥。 棱锥抛开了块体的体积概念，只保存了其形状特性，这样是为了便于进行数 学分析。为方便对块体结构进行分析，将岩体的空间域划分成以下几个区域， 即： ( 1 ) 节理锥j p ，它是仅由结构面为界所构成的棱锥； ( 2 ) 开挖锥e p ，以临空面为界的岩体半空间所构成的棱锥，即开挖后的 岩体区域； ( 3 ) 空间锥s p ，与开挖锥互补的开挖空间所构成的区域，即：s p = - - e p ： ( 4 ) 块体锥b p ，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，它是裂隙锥与开挖锥的交集，即：b p = j pne p 。 块体极限平衡理论有两个重要定理，即有限性定理和可动性定理。它们 是块体可以移动所必须满足的条件。 2 2 4 1 有限性定理 假定块体由n 个半空间的交集构成，平移各半空间的界面是指通过坐标 原点而形成棱锥。如果棱锥为空集，那么相应的凸形块体有限；如果棱锥为 非空集，那么相应的凸形块体为无限。 块体为有限的充分必要条件是：节理锥j p 与开挖锥e p 的交集为空集。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 即：j p n e p = 巾。因为空间锥是开挖锥的补集，即：s p = - e p ，故该定理也 可表达为块体为有限的充分必要条件是：节理锥j p 完全包含在空间锥s p 域 内，即：j p ds p 。 2 - 2 4 2 可动性定理 有限块体并非都是可动的，如果由结构面和临空面共同构成的块体锥为 有限，而仅由结构面构成的裂隙锥为无限，那么该块体可动；如果由结构面 和临空面共同构成的块