总第２５７期 ２０１３年第２期 交通科技 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２５７ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ 基于块体理论的隧道优化设计方法探讨 陈 江 徐志学。 （１．贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 ５５０００１；２．贵州路桥集团有限公司 贵阳 ５５０００１） 摘 要处于块体围岩环境中的隧道开挖过程中产生的临空面，将可能导致“关键块体”失稳后产 生连锁失稳反应，从而出现隧道地质灾害。基于块体理论计算出“关键块体”沿单面滑动的区间范 围，并根据“关键块体”滑塌区间范围的重叠程度确定加强支护的部位，从而优化设计隧道工程结 构支护参数。 关键词 关键块体单面滑动 加强支护 优化设计 支护参数 １９８５年，石根华和Ｒ．Ｅ．Ｇｏｏｄｍａｎ１］ 合著 《Ｂｌｏｃｋ Ｔｈｅｏｒｙ Ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｏ Ｒｏｃｋ Ｅｎ— 块体”沿双结构面滑动时稳定系数一般大于１，因 此该运动形式可不考虑。 ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ））￣书出版，标志着块体理论的形成。该 理论应用于被各种结构面切割而成的空间镶嵌块 体中，重点研究该岩体结构模型的破坏机制和工 程处理措施。 定义坐标系ＯＸＹＺ，规定ｘ轴指向正北、ｙ 轴指向正东、Ｚ轴铅直向上，记沿Ｘ，ｙ，Ｚ轴正向 单位向量Ｈ，＇，，Ｗ，见图１。 王建宇 运用块体理论中关于滑塌块体构成 条件的结论，提出了一种确定滑塌体出露情况的 解析方法，可预测滑塌体的出露部位、范围及稳定 系数等。 隧道支护结构设计常基于围岩分级采用工程 类比法，缺乏对围岩中结构面产状的考虑，根据块 体理论，确定块体围岩中（如ＩＩＩ级围岩）“关键块 体”分布范围，对该范围围岩进行加固，可避免因 图１ 坐标系及平面的表示 （Ｅ） 将某实测结构面Ｐ （倾角ａ 、倾向 ）移至坐 标原点，Ｐ 将全空间划分为２个半空间，记包含 向量Ｗ的半空间为Ｐ 之上盘，另一半空间记为 Ｐ 之下盘。记，ｌ 为Ｐ 平面且指向Ｐ 之上盘的 “关键块体”失稳而导致的连锁失稳反应，因而在 块体围岩段隧道支护设计过程中加固“关键块体” 即可，从而极大优化隧道工程结构支护参数。 １“关键块体”的滑塌条件 单位法向量，记ｇ 为Ｐ 面的单位倾向向量，记ｇ 为Ｐ 面和Ｐ，面的单位交线向量（指向水盘面下 块体理论基本假定如下：①结构面为平面，各 组结构面具有确定的产状，并由现场量测获得； ②结构面贯穿所研究的岩体，即不考虑岩石块体 盘）。将Ｐ 面的产状记为：倾角啦一 ：，走向角 一 ＋９０。，则ａ 为图中Ｐ 面与水平面的两面 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 角， 则如图１所示，因此，任意产状的Ｐ 面都可 由惟一的一组ａ ， 来表示。则有 。］ Ａ 一ｓｉｎ ａ ｓｉｎ Ｂ 一一ｓｉｎ ａ ＣＯＳ 体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移。 “关键块体”常见运动形式有３种ｌ３］：直接坠 落、沿单结构面滑动及沿双结构面滑动；而“关键 收稿日期：２０１３－０ｌ Ｏ９ １ ｃ 一 。 】 ｎ 一（ｓｉｎ ｄ ｓｉｎ ，一ｓｉｎ ｄ ＣＯＳ ，ＣＯＳ ａ ） ｇ 一（ｃｏｓ ａ ｓｉｎ ，～ＣＯＳ ｄ ＣＯＳ ，一ｓｉｎ ａ ） ２０１３年第２期 陈 江徐志学：基于块体理论的隧道优化设计方法探讨 ８９ ｇ 一－－ｓｉ／ｇ ｋｘｇｎＮｏ ＥＬ．，ｉｊ’，， Ｍｉｊ，Ｎ ］ ’ Ｌ —Ｂ Ｃ 一Ｂ Ｃ Ｍ —Ａ Ｃ 一ＣｊＡ Ｎ —Ａ Ｂ 一Ａ Ｂ Ｋ—Ｌ ＋ ＋Ｎ ． ｆ＋１，．７Ｃ≥０ ｍｇｎ １—１，ｚ＜ｏ １．１切割锥的棱向量确定 根据切割锥构成条件。切割锥内部的向量 ｒ，包含切割锥的棱向量满足如下条件： （１）对于直接坠落块体的切割锥 ，・ｎ ≤０ ｋ一１，２，…， （２）对于沿ｇ 单结构面滑动的切割锥 ，・疗 ≥０ ］ ｓｉｇｎ（ｇ ・ 女）・，．・ｎ ≥０ 愚≠ Ｊ １．２“关键块体”稳定系数 引入“关键块体”的稳定系数ｒ／： Ｐ ）７一ｉ 式中：Ｐ为阻止块体滑塌的抗力；Ｆ为使块体滑塌 的动力。 （１）对于直接坠落块体 叩一Ｆ叩一Ｆ— Ｐ— ０—０ —ｕ （２）沿ｇ 单结构面滑动块体 叩一， Ｆ 昙一 Ｇ 旦皇 一ｃｓｉｎ …ｏｓ ｄ ｔ…ａｎ ａ， １．３“关键块体”滑塌条件 判断出包含切割锥的棱向量后，“关键块体” 的滑塌条件如下 ： ｒｐ・ｎｆ＜０ ］ 叩＜１ Ｐ：：＝１，２，…， Ｊ 式中：，。为切割锥各棱线向量； 为临空面上指 向岩体一侧的单位法线向量，见图２。 图２开挖临空面上单位外法线向量示意图 ｒＰｐ １誊＜＝ １ ，２ ｝，…， Ｊ 一［ ，地］Ｕ［ｙ ， ］；各角度区Ｉ＂ｑ将产生不同 ９Ｏ 陈江徐志学：基于块体理论的隧道优化设计方法探讨 ２０１３年第２期 表１结构面参数统计表 已知松河隧道轴线方位角 一２２６。（沿里程增 大方向），则 ，ｌｆ一（一ｓｉｎ ｙ ｓｉｎ ，ｓｉｎ ｙ ＣＯＳ艿，ＣＯＳ ｙ）一 （Ｏ．７１９ｓｉｎ ｙ，一０．６９５ｓｉｎ ｙ，ＳＯＣ ｙ） （１）直接坠落时，切割锥的棱线向量为ｇ 注：卿为结构面； 为内摩擦角，统一取２２。。 ｇ２３，一ｇｌ４，～ｇ２４；由 ・ｎｆ＜Ｏ则 ３．２“关键块体”出露角度范围 （一０．５４１）×０．７１９×ｓｉｎ ｙ十（０．３９７）×（一０．６９５）×ｓｉｎ ｙ＋（一０．４７１）×ＣＯＳ ｙ＜０］ （一０．１９７）×０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋（０．５６９）×（一０．６９５）×ｓｉｎ），＋（一０．７９９）×ＣＯＳ ｙ＜０ １ ０．５６３×０．７１９×ｓｉｎ），＋０．７８４×（一０．６９５）×ｓｉｎ），＋０．２６１×ＣＯＳ），＜０ ０．６４６×０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋０．７１４ Ｘ（一０．６９５）×ｓｉｎ），＋０．２６９×ＣＯＳ ｙ＜０ ｌ ｊ 解得：了 一 。 （２）沿ｇ 单面滑塌时，切割锥的棱线向量为ｇ ｇ 一ｇ 由 ・ｎｆ＜Ｏ则 （一０．５４１）Ｘ ０．７１９×ｓｉｎ），＋（０．３９７）×（一０．６９５）Ｘ ｓｉｎ ｙ＋（一０．４７１）×ＣＯＳ ｙ＜０１ （一０．９６２）×０．７１９×ｓｉｎ），＋（Ｏ．１９５）×（一０．６９５）×ｓｉｎ ｙ＋（一０．１９４）×ＣＯＳ），＜０ ０．５６３×０．７１９×ｓｉｎ），＋０．７８４ Ｘ（一０．６９５）×ｓｉｎ ７＋０．２６１×ＣＯＳ ｙ＜０ Ｊ 解得： １一［６１．８６。，１０３．５４。］。 （３）沿ｇ 单面滑塌时，切割锥的棱线向量为ｇｚ。，一ｇ２ ，一ｇ 由 ・，ｌ ＜Ｏ则 （一０．１９７）×ｏ．７１９×ｓｉｎ），＋（０．５６９）×（一０．６９５）×ｓｉｎ），＋（一０．７９９）×ＣＯＳ ｙ＜０１ ０．６４６）×０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋（Ｏ．７１４）ｘ（一０．６９５）ｘ ｓｉｎ），十（＋０．２６９）×ＣＯＳ ＜０ ０．９６２×０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋０．７８４×（一０．１９５）×ｓｉｎ ７＋０．１９４×ＣＯＳ ｙ＜０ ｊ 解得： ２一Ｅ２５２．３９。，２６３．３６。］。 （４）沿ｇ。单面滑塌时，切割锥的棱线向量为ｇ ｇｌ３，ｇｚ。；由ｒ ・，ｌ ＜０则 （一０．５７８）×０．７１９×ｓｉｎ），＋（一０．７１４）×（一０．６９５）×ｓｉｎ ７＋（一０．３９５）×ＣＯＳ ７＜０］ （一０．５４１）ｘ ０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋（一０．３９７）×（一０．６９５）×ｓｉｎ ｙ＋（一０．７４１）×ＣＯＳ ｙ＜０ （一０．１９７）×０．７１９×ｓｉｎ ｙ＋（一０．５６９）×（一０．１９５）×ｓｉｎ ｙ＋（一０．７９９）×ＣＯＳ ７＜０ Ｊ 解得： 。一Ｅｏ。，７２．３９。］Ｕ Ｅｚ７８．７０。，３６０。］。 （５）沿ｇ 单面滑塌时，该结构面的稳定系数 （３）松河隧道进口洞身段０＝＝＝［６１．８６。， 为ｔＩ 一１．４０９＞１，故块体围岩沿该结构面是稳定 的，不会滑动，ｙ ＝ 。 ３．３加强支护角度 １０３．５４。］Ｕ［２５２．３９。，２６３．３６。］Ｕ［０。，７２．３９。］Ｕ Ｆ２７８．７０。，３６０。］为设计加强段，隧道设计技术人 员需重点设计。 综上所述：角度０一［６１．８６。，１０３．５４。］Ｕ Ｆ２５２．３９。，２６３．３６。］Ｕ［０。，７２．３９。］Ｕ［２７８．７０。， ３６０。］为需要加强的角度范围，同时根据块体围岩 在各结构面上的稳定系数，隧道工程设计人员可 参考文献 ［１］刘锦华，吕祖珩．块体理论在高程岩体稳定分析中 的应用［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８８． ［２］ 王建宇．块体岩体稳定分析中遍有节理问题的解析 确定具有由针对性、合理性的支护参数。 ４ 结论 法［Ｊ］．铁道学报，１９８ｏ（１）：９５一ｌＯ２． ［３］刘阜羊，朱珍德，孙少锐．块体理论及其在洞室围岩 稳定分析中的应用［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００６ （８）：１４０８—１４１２． （１）松河隧道施工过程中，块体围岩不会沿 层面滑动，即ｙｏ一 。 （２）松河隧道“关键块体”的运动形式如下： ７ 角度范围块体围岩沿节理面Ｐ 滑塌；ｙ 角度 范围块体围岩沿节理面Ｐ。滑塌；ｙ。角度范围块 体围岩沿节理面Ｐ。滑塌。 ［４］李春林，翟小平．块体围岩中的隧道锚杆支护最佳 角度研究［Ｊ］．中外公路，２Ｏｌ１，３１（２）：１９９—２０２． 总第２５７期 交通科技 Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２５７ ２０１３年第２期 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８Ｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ 隧道突水涌泥风险管理 李云华 李 杰 彭小云 （株洲市城市建设发展集团有限公司 株洲４１２００７） 摘 要 介绍了隧道突水涌泥风险管理的意义及方法，讨论了隧道工程中突水涌泥风险管理的内 容和流程。隧道突水涌泥主要的制约因素有地形地貌条件、地层岩性和地质构造等，评估采用定 性和定量相结合的方法。风险的控制措施主要有加强地质预报、加强人员安全及事故应急处理培 训以及建立有效的逃生系统等。 关键词 隧道突水涌泥风险管理 突水涌泥是隧道工程施工中经常遇到的一种 险的因素一建立基本风险源系统。 灾害现象，实际工程中，突涌水灾害往往给国家造 隧道突水涌泥不但与施工条件和隧道自身特 成严重的经济损失和工期的延误ｌ＿】］。因此，加强 征有关，更主要是受水文地质条件的制约，而水文 隧道工程风险管理［２ ，准确评估隧道施工阶段突 地质条件又受控于地形地貌条件、地层岩性和地 水涌泥风险等级的大小并提出相应的风险控制措 质构造等条件。 施，具有非常重要的社会和经济意义。 （１）地形地貌条件。统计资料表明，隧道涌 隧道突涌水风险管理的内容一般包括３个方 水与隧道穿过区地形地貌条件密切相关。按隧道 面：风险源识别、风险评估和风险控制。 与地形地貌的关系，在横断面上，分为平坦型、凸 １风险源识别 型、山谷正下方平行型、山谷侧下平行型和单斜面 型；在纵断面上，分为平坦型、凸型、横贯河流型、 为了避免风险源识别过程缺乏系统性和风险 盆状和平凸形。在横断面地形类别中，以山谷正 因素识别可能的不完整性，在隧道工程实践中，应 下方平行型和侧下平行型２类隧道的涌水量（单 当遵守必要的步骤。隧道工程风险因素识别的步 位长度涌水量）较大，其次为平坦型和单斜面型 骤可以分为以下几个部分：收集和研究资料一由 型；从纵剖面来看，平凸形、盆状和横贯河流型３ 专家按“头脑风暴法”提出所有可能的影响隧道风 类隧道的涌水量最大。 收稿日期：２０１３ ０１—０８ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂｌｏｃｋ Ｒｏｃｋ Ｔｈｅｏｒｙ Ｃｈｅｎ Ｊｉａｎｇ ，Ｘｕ ＺｈｉＸｕｅ。 （１．ＧｕｉＺｈｏｕ ＣｏｍｍＵｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｌｕｑｉａｏ Ｇｒｏｕｐ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｒｅｅｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｒｏｃｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ ｔｏ ｂｅ ｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｂｌｏｃｋ ｔｏ ｂｅ ｃｈａｉｎ ｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｈａｚａｒｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ ｓｌｉｐｉｎｇ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｅ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂｌｏｃｋ ｒｏｃｋ ｔｈｅｏｒｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｐ— ｐｉｎｇ ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ，ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｋｅｙ ｂｌｏｃｋ；ｓｉｎｇｌｅ ｓｌｉｐｐｉｎｇ ｆａｃｅ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｕｐｐｏｒｔ ｐａ— ｒ只ｍｅｔｐｒ
