构造控制的隧道稳定性分析---Rock Wedge

1 引言

之所以想起写这个题目,是因为最近两天国内发生了一起隧道塌落事故, 本文没有义务去讨论该事故发生的背景和导致的结果, 仅从学术的角度简要考虑构造控制的隧道稳定性分析方法. 由于有部分采矿工程, 地质工程,土木工程的学生毕业之后会进入到隧道工程和金属矿床地下开采领域, 因此有必要在<岩土工程设计与施工>课程中简单了解一下这方面的内容.

2 基于岩体工程分类的支护设计

自从RQD发明以来(<Deere's RQD---现代岩体工程分类方法的基石 (Part II)>), 先后发展出一些基于岩体工程分类的半经验设计方法用于隧道设计和支护, 其中最流行的岩体分类方法有RMR, Q-System和GSI. 特别是Q-System, 在隧道稳定性评价和支护设计中一直占据着重要位置. 

不过, 上述这些方法都是假定岩体内的节理是"连续性"分布的, 也就是说, 尽管在分类时考虑了节理的分布, 但最后是把岩体等效成一个"连续性"介质来看待, 对于一些由构造控制的岩体, 使用这些方法给出的稳定性评价和支护设计推荐有时会失效.

3 构造控制的隧道稳定性

在深度相对较浅的节理岩体中开挖隧道，最常见的破坏类型是楔形状(wedge)岩体从顶板上掉落或从侧壁上滑出(片帮)。这些楔形体由相交的构造节理形成，这些构造特征将岩块分隔成离散但又相互交错的块状体。当隧道开挖形成一个自由面时，来自围岩的约束就会被消除。如果边界平面是连续的，或沿不连续的岩桥被破坏，这些楔块中的一个或多个就会从地表掉落或滑动。

因此,当隧道开挖后, 会形成不同形状的岩石楔(wedge), 而且, 如果隧道的开挖宽度太大, 则会形成多个楔甚至楔与楔之间形成贯通(最近发生的这个事故开挖宽度是32米) 。除非在隧道开挖后立即采取支护措施，否则围岩的稳定性会迅速恶化。每一个wedge，如果允许其掉落或滑动，都会导致岩块的约束和互锁减少，这反过来又会使其他wedge掉落。这一破坏过程将继续下去，直到形成岩块的自然拱或者隧道被掉落的岩块填满。

离散元程序UDEC和3DEC从数学和物理的角度有效地解释了这种破坏机理和过程. 参看<GIIC-UDEC操作教程(3)---巷道顶板冒落>.

还有一个专门分析楔形体的工具软件UNWEDGE. UnWedge用于确定由结构不连续的交叉点形成的岩楔的稳定性。UnWedge可以计算安全系数，并可进行支护设计, 我们在以后将对这个软件作专门描述。

5 结束语

隧道稳定性分析和支护设计是一个非常宽广的研究论题, 本文仅简单强调了构造控制的隧道稳定性方面的注意事项. 应该意识到, 在浅埋的节理岩体中开挖隧道, 必须要注意rock wedge引起的隧道不稳定性, 这与金属矿床深部开采的考虑的地压问题有所不同.

参考文献:

[1] Hoek, E. & E.T. Brown 1980. Underground Excavations in Rock, p. 527. Institution of Mining and Metallurgy, London.

[2] ]Barton, N.; Grimstad, E. Forty Years with the Q-System in Norway and Abroad; Fjell sprengningsteknikk, NFF: Abuja, Nigeria, 2014.

[]3] Bieniawski, Z.T. Engineering Rock Mass Classifications: A Complete Manual for Engineers and Geologists in Mining, Civil and Petroleum Engineering; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 1989.

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