地下洞室块体稳定安全标准及其应用的研究

石广斌，王明疆，赵靖伟

(1.西安建筑科技大学，西安 710054；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下洞室工程在水电水利工程、矿业工程、交通工程、能源工程等领域是普遍存在的，如水电水利工程中的地下发电厂房，矿业工程中的破碎洞室，交通工程中的大跨度隧道，能源工程中的地下石油储备库等。地下洞室在开挖过程中，围岩会涉及到开挖卸荷稳定问题。围岩的破坏受岩性、岩体结构、地应力等多种因素的综合影响，所表现出的破坏模式也多种多样，其中由岩体结构面与洞室开挖面形成的块体稳定一直是地下洞室施工过程需要关注的重点问题[1-9]。

块体理论起源于20世纪70年代的四川白龙江上碧口水电站调压井[9-10]，它在岩石工程中取得了非常大的成功，特别是在当代的中国[11-14]。尽管块体理论在大型地下洞室围岩稳定和岩质边坡稳定分析中已得到广泛应用，其分析方法已基本完善，如块体切割、赤平投影、矢量分析法、非连续变形法等[15]，但国内外对块体的稳定评价还没有一个系统的安全标准。从已查阅到的文献来看，如中国的《地下厂房设计导则》和美国陆军师团编制的 《岩体隧洞和竖井设计》等对地下洞室块体稳定计算的安全系数取值有一个粗略的范围，不象DL/T 5353-2006《水电边坡工程设计规范》和GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》等按建筑物等级、计算方法、计算工况等对稳定安全系数取值有一个系统的规定。不同的安全评价标准，其计算出围岩锚固量的差异是较明显的；地应力考虑与否，怎么取值，对计算块体锚固设计措施量的影响也是比较大的[5-6]。这些因素都给用此理论做围岩稳定分析评价和锚固设计带来不少困难。笔者曾多次参加地下洞室围岩分析专题研讨会，与会的专家呼吁在这方面应该有一个系统的评价标准。为了解决大型地下洞室围岩块体稳定分析有一个合适的安全评价标准问题，课题组结合实际工程，开展了一系列的专题研究，如工程规范规定安全系数值和已建工程块体稳定分析采用安全系数值的统计与分析、块体类别及其稳定性分析工况的研究和块体安全系数的影响因素分析等。通过专题研究成果，提出了一个系统的地下洞室块体稳定安全标准，并以拉西瓦大型地下发电洞室工程为依托，进行基础性的研究，验证其合理性，并成功地应用于功果桥、鲁地拉、固滴等地下发电洞室工程。

1 安全系数统计与分析

1.1 块体稳定评价方法的选择

目前评价建筑物的抗滑稳定主要有2种方法：一种是安全系数法，如GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》、DL/T 5353-2006《水电边坡工程设计规范》等对边坡的稳定采用安全系数；另外一种就是可靠度法，说是可靠度，其实是以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠度指标度量建筑物可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计，如DL/T 5176-2003《水电工程预应力锚固设计规范》、DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范 》等。

自20世纪50年代以来，可靠度理论得到很大的发展，并在工程分析中得到广泛应用。水利水电工程结构设计中，已将可靠度设计纳入国家标准。近10多年可靠度理论应用于块体稳定性分析中也有一些研究，从近年来发表出现的一些文献来看，主要特点是：研究工作主要集中在考虑结构面抗剪强度参数随机分布的可靠度分析，也进行了块体大小的随机分布研究，以及不同大小的块体出现概率分析。结构面几何特征与力学强度均表现为随机分布的特点[16]，如结构面产状、长度、间距等，以及摩擦系数、黏聚力等参数，因此块体的大小、形态(同一种类型的块体，如结构面产状随机变化时，其形态不一样)等表现出随机分布特点；同时，结构面抗剪强度参数随机变化时，块体的稳定性也将表现出随机变化的特点，理论上不是确定性的安全系数。20世纪70年代，Mcmahou就倡导 “用破坏概率取代安全系数作为边坡稳定性指标”；陈祖煜等在《岩质边坡稳定分析--原理.方法.程序》中也谈到“边坡安全风险标准”和“可靠度分析及评价标准”[17]；何满潮等建立“块状岩体的稳定可靠性分析模型”[18]；赵文、孙树林等对关键块体进行了概率和可靠度分析[19-20]。但是，目前可靠度法在岩质边坡、地下洞室工程中应用还很不成熟，岩土参数随机性和差异性，给这种方法能在工程设计上广泛应用带来很大困难，并且长期以来，工程界广泛使用安全系数指标来评价边坡建筑物抗滑稳定性。因此，本课题研究块体稳定的评价标准仍然采用安全系数法。

1.2 安全系数值分布分析

课题组查阅中国的水电水利工程、铁路工程、公路工程、矿业工程等20多种设计规范对边坡滑动安全系数取值的规定，日本的《VSL锚固工法设计施工规范》和香港地区对边坡抗滑稳定安全系数取值的规定，中国的《地下厂房设计导则》和美国陆军师团编制的 《岩体隧洞和竖井设计》等对块体稳定计算安全系数取值的范围要求等，另外还调查了100多个已建边坡工程抗滑稳定以及地下洞室工程和边坡工程块体稳定评价所采用的安全系数值。经过详细的统计和分析，得出安全系数的规定主要涉及到以下4要素：

(1) 工程的等级即重要性。如《水电边坡工程设计规范》，同一荷载工况，工程的等级不同，边坡稳定安全系数值也不同，对持久工况，工程的等级为Ⅰ级，安全系数值为1.30～1.25；Ⅱ级的安全系数值为1.25～1.15；Ⅲ级的安全系数值为1.15～1.05。

(2) 荷载组合或运行状况。如DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，不同的荷载组合，边坡稳定安全系数是不同的，边坡级别为Ⅰ级的，基本组合(正常运用) 安全系数为1.30～1.25；特殊组合Ⅰ(非常运用)的安全系数值为1.20～1.15；特殊组合Ⅱ(非常运用)的安全系数值为1.10～1.05。

(3) 计算方法。如GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》和JTGD30-2004《公路路基设计规范》均有类似的规定。GB 50330-2002对一级边坡采用平面滑动法和折线滑动法，安全系数值为1.35；采用圆弧滑动法的安全系数值为1.30。

(4) 力学参数。如JTGD30-2004《公路路基设计规范》对计算采用的地基平均固结度及强度指标不同，安全系数也不同，同样是简化Bishop法，地基土采用直剪的固结快剪或三轴剪的固结不排水剪指标的安全系数为1.20；按实际固结度，采用直剪的固结快剪或三轴剪的固结不排水剪指标的安全系数为1.40。

规范规定的边坡和建筑物的安全系数值小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程绝大多数岩质边坡安全系数值小于等于1.3。已建工程设计采用的块体稳定允许安全系数值小于等于1.3，占62%；安全系数值大于1.5的只占18%。

2 块体安全级别

GB 50153-2008《工程结构可靠性设计统一标准》对工程结构安全等级有如下的规定：工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果(如危及人的生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等)的严重性，采用不同的安全等级。工程结构安全等级的划分应符合表1的规定。

表1 工程结构的安全等级表

同样，《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》根据水工建筑物的重要性及其破坏可能产生的后果的严重性，把水工建筑物安全级别的划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级。《水电水利工程边坡设计规范》按其所属枢纽工程等级、建筑物级别、边坡所处位置、边坡重要性和失事后的危害程度，把边坡安全级别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三级。

在大型地下洞室围岩中，块体所处的位置不同，其安全风险是不同的，失稳所造成的危害性、后果显然也是不一样的。对于大型地下发电洞室顶拱围岩中的块体一般离发电层楼板高度在 20.0～30.0 m，破坏后的冲击力和破坏力明显要大于边墙上的块体。因此，根据地下洞室混凝土结构布置以及块体失稳后冲击力和破坏力，可将围岩中的块体分成4个区域，如图1。A区为洞室的顶拱部位，块体失稳后冲击力和破坏力最大；B区为洞室的高边墙且无框架混凝土结构；C区为洞室的高边墙且后期有框架混凝土结构；D区为洞室的高边墙且后期有大体积混凝土。块体所处的位置区以滑出口为基准。块体的安全等级划分见表2。

表2 块体的安全等级表

图1 块体分区示意图

3 地应力量值取值原则

3.1 地应力对块体稳定的影响

图2是拉西瓦水电站厂房顶拱21号定位块体示意图，21号定位块体的失稳模式为单面滑动，滑动面为节理L35组[21]，稳定分析结果见表3。

从表3中可以清楚看出，地应力对块体稳定安全系数计算值的影响是非常明显的，地应力取得途径不同，同样也明显影响块体稳定安全系数计算值。

图2 21号块体三维示意图

自重/kN摩擦系数凝聚力/MPa锚固力/kN法向地应力σn/MPa切向地应力τn/MPa安全系数K备注74100.600.05 0.77 74100.600.054000 1.37 74100.600.05400011.80-1.8074.64由实测地应力换算σn74100.600.0540001.740.2014.46由自重地应力换算σn74100.600.0540003.000.1042.1由数值计算应力换算σn

3.2 地应力量值取值原则

文献[6]给出地下洞室开挖前后的围岩应力变化是非常明显的,开挖前围岩第1主应力为25.0 MPa左右，开挖后洞壁附近围岩的第1主应力变为0.0～10.0 MPa左右。本课题组结合地下洞室开挖现场观察和计算分析认为，在块体稳定分析中，要准确计入应力是很难的，这主要是岩体本身复杂性所造成的。通常块体稳定分析所采用的地应力可来源于3个方面：一是由岩体初始应力场，用数值方法模拟洞室开挖建造过程所得到的块体周围的应力场；二是在洞室开挖建造过程中，用监测围岩变形来反演洞室开挖建造过程中的围岩应力；三是在洞室开挖过程中，用测量的措施得到应力。其中第3种方法一般不会实施，原因是成本太高，也不能做到事前预估计；第2种方法的主要困难是在洞室开挖之前，监测仪器很难事先埋置；因此，最常用的还是第1种方法。笔者认为把前2种方法相互结合使用是比较理想的，既做到事前估计，又做到应力取值的复核和准确度的提高。

地下洞室在开挖卸荷的过程中，围岩在离洞壁一定范围内可能产生松弛，结构面张开(见图3)，围岩浅层块体会发生爆破过后，短时间内会发生失稳。

图3 围岩破坏图

通过现场观察、数值分析等综合考虑，提出块体接触面上地应力取值原则是：块体结构面地应力的取值要以初始地应力为基础，并通过数值分析、围岩松弛范围分析等综合分析确定；围岩松动区范围以内的结构面上法向应力应取为0，以外的上限值不得高于岩体自重应力的30%；切向应力若为阻滑力，则取为0；若为滑动力，则按实际值取值。

4 块体安全评价标准

大型地下洞室围岩破坏主要受2个方面的控制：一是岩体结构面；另一个是地应力。岩体结构面与洞室开挖面相互组合切割会在岩壁上形成若干个块体，这些块体有的是稳定的，有的是不稳定的，不稳定就需要支护，而支护就需要一个评价标准，即块体的安全系数达到什么样的数值才算满足稳定要求，低了会存在安全隐患，过高了又会增加工程投资，造成不必要的浪费。课题组通过工程设计规范和工程实例的安全系数统计与分析，并结合块体稳定在大型地下洞室中的重要性以及块体本身特性和影响地下洞室块体稳定因素等，提出一个合理可行块体安全评价标准，见表4、5。表4的块体安全系数不考虑地应力，表5的块体安全系数考虑地应力。

在这里还要郑重说明一下：考虑地应力下的大型地下洞室围岩块体稳定分析时，除满足表5中相应的安全系数外，还要满足在不考虑地应力情况下，持久状况的块体的安全系数不能小于1.10。为什么要附加这个条件，主要是考虑到地应力分布的复杂性和地下洞室块体失稳的后果性。

表4 不考虑地应力下的块体稳定全系数表

表5 考虑地应力下的块体稳定安全系数表

5 案例分析

功果桥水电站于2009年开工建设，地下厂房开挖尺寸为175 m×27.4 m×74.45 m(L×B×H)，主变洞尺寸134.8 m×16.5 m×46.6 m，尾水调压室130 m×25 m×67 m。电站工程规模为Ⅱ等大(2)型工程，课题组根据地下厂房开挖地质编录图，按本课题研究提出的块体安全评价体系，用块体理论对地下厂房上下游边墙和顶拱的局部关键块体进行了详细的分析。本次共计算厂房主要块体30块，其中上游边墙有7块、顶拱有16块、下游边墙有7块。地下洞室建筑物等级为2级，计算时不考虑地应力，因此计算块体的允许安全系数取值按表4中的地下洞室级别Ⅱ级取。表6是地下厂房墙B区的定位块体的计算结果，块体B06属于浅部块体，计算时不考虑凝聚力。

表6 块体B06稳定分析及锚固设计表

通过块体稳定的系统计算分析，得到的结果表明：功果桥水电站地下厂房大部分关键块体在自然状态下或在系统锚固措施下的安全系数能够满足要求，只有个别块体需要增加随机或局部加强锚固措施。在确保工程施工安全的同时，对围岩的支护措施进行了科学的、可行的优化。地下洞室在施工期阶段和运行期均没有发生局部围岩跨塌事件或二次局部补强事件(功果桥水电站已于2011年11月9日首台机组正式投产发电)，得到了现场建设方的认可。这些都说明了，本课题提出的块体安全评价体系是合适的。

6 结 语

(1) 安全系数的确定主要涉及到工程的等级、荷载组合或运用状况、计算方法、力学参数等四要素；规范规定的边坡和建筑物的安全系数小于等于1.3，占80%；大于1.3的只占20%。已建工程绝大多数岩质边坡安全系数小于等于1.3；具体工程设计采用的块体稳定允许安全系数小于等于1.3，占62%；安全系数大于1.5的只占18%。

(2) 根据地下洞室混凝土结构布置以及块体失稳后冲击力和破坏力，将围岩中的块体分成3个安全等级。

(3) 地应力对块体稳定影响非常明显，可以使块体稳定安全系数提高到10～20倍，顶拱围岩受地应力作用会产生明显的拱效应和夹制作用；块体结构面的地应力取值要以初始地应力为基础，并通过数值分析、围岩松弛范围分析等综合分析确定；围岩松动区范围以内的结构面上法向应力应取为0，以外的上限值不得高于岩体自重应力的30%；切向应力若为阻滑力，则取为0；若为滑动力，则按实际值取值。

(4) 通过工程设计规范和工程实例的安全系数统计与分析，并结合块体稳定在大型地下洞室中的重要性以及块体本身特性等，提出了一套系统块体安全评价标准，并通过具体工程案例分析论证了该评价体系是合适的。对规范在此方面的修订具有重要的参考价值(本文成果已得到中国电建集团专家组的审查和认可)。