（2）地震力： 其中E、k、 分别为块体所受地震力矢量、地震系数、地震加速度方向单位矢量。
（3）水压力： 其中U、ui、ai、vi分别为块体所受水压力矢量、第i面水压强、第i面面积、结构面i指向块体内部的单位法向矢量。
块体合力为上述三外力的矢量和：A=W+E+U。
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摘要：隧道围岩中的节理和断层将岩体切割成块体，人工开挖破坏了块体的自然平衡状态，这些不稳定块体的滑移是造成隧道围岩失稳的重要因素。基于块体理论，利用块体计算程序Unwedge分析了潮惠高速公路莲花山2号隧道的围岩块体稳定性，并计算不稳定块体的最大净滑动力和安全系数，在此基础上制定针对性的支护措施。
关键词：块体理论；隧道；稳定性；支护
1 引言
大量的理论研究和工程实践表明，在非软岩隧道中，围岩的失稳主要可以归结为块体的滑移。自从石根华教授[1]在20世纪70年代提出关键块体理论，国内众多外学者研究并发展了块体理论，并将其应用于工程实践[2]。
本文对块体理论和Unwedge程序的原理作简要介绍，并将其应用于莲花山2号隧道的围岩稳定性分析中，评价了块体的稳定性，并对隧道围岩进行了针对性支护。
2 块体理论及Unwedge程序
2.1 块体理论
自20世纪70年代提出以来，块体理论已广泛应用于隧道、地下空间、边坡等岩土工程中。根据块体的边界情况、几何可动性、受力情况等可将其划分为有限块体和无限块体两类，其中有限块体又可分为稳定块体、可能失稳块体、关键块体三种。
关键块体产生移动后，可能导致其余块体的松动，从而引起整个岩体的破坏。因而，块体理论的主要任务就是寻找关键块体。
2.2Unwedge程序简介
Unwedge程序是加拿大Toronto大学E.Hoek教授在块体理论的基础上开发的三维块体分析软件，Unwedge程序研究的块体由3组结构面和隧道轮廓面（临空面）切割而成。该程序假定结构面为平面且可贯穿整个研究岩体；只考虑岩体的滑移、不考虑块体本身的形变。
Unwedge程序需要输入的参数主要包括隧道断面图、隧道走向和坡度、岩体密度、结构面产状和力学参数、水压力及地震加速度和支护参数等。
2.3Unwedge程序的关键块体计算原理
Unwedge程序研究的块体所受外部主动力包括重力、水压力和地震力。
其中A为合力矢量。
块体理论主要研究块体的三种运动形式：塌落、沿单面滑动和沿双面滑动。
3莲花山隧道围岩块体稳定性分析
3.1工程概况
莲花山2号隧道在ZK200+250～ZK200+300洞段，隧道走向为308°，坡度约为0.013.围岩主要为微风化熔结凝灰岩，容重为26KN/m3，围岩级别为IV级，节理裂隙发育，且含有裂隙水，结构面结合一般～结合较差。
根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2008）及《广东省潮州至惠州高速公路工程场地地震安全性评价报告》（2011年5月），隧址区对应的地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g。
3.2Unwedge程序分析
在Unwedge程序中输入隧道断面图、隧道走向和坡度、岩体密度、结构面产状和力学参数、水压力及地震加速度等。本文将考虑地震力，输入地震峰值加速度为0.05g，且假设其最不利方向为沿块体滑移方向。由于含水量较小，未考虑水压力。
在输入上述参数后可得到隧道块体分布图（见图1）。
可见在该洞段主要可形成编号为1、3、6、8的块体，其分布位置分别为隧道底部、隧道右侧墙、隧道左侧墙和隧道拱顶。其中可能形成的最大块体，是对隧道安全影响最大的情况。
该程序计算结果显示块体8为塌落，安全系数为0，极不稳定；块体6可沿结构面2滑动，安全系数小于1，不稳定；块体3可能沿结构面1和结构面3滑动，安全系数为3，相对稳定；块体1位于隧道底部，可以保持稳定。
由此可见，在不进行支护的情况下，块体8、块体6为关键块体，在重力等外力的作用下可能发生松动从而导致整个隧道的破坏，因而有必要对隧道进行支护。参照相关设计规范和以往的工程经验，对隧道进行锚喷支护是控制隧道变形、保证隧道安全行之有效的方法。
图1块体分布示意图图2 设计支护方案布置示意图
在充分借鉴广东地区已建隧道经验基础上，结合隧洞围岩级别，通过统计分析、工程类比、大量计算结果，确定了锚喷支护设计参数（见表1设计方案）和布置形式（见图2）.将设计方案输入Unwedge程序，得到支护后的各块体安全系数均超过1，表明隧道在锚喷支护后能维持稳定。
由分析结果可知，在设计支护方案中，锚杆布置较密，混凝土喷层较厚，计算出的各块体安全系数较大，安全储备多，相应的建造成本也较高。为此，本文提出了适当降低锚杆布置密度和适当降低喷层厚度的优化支护方案（见表1优化方案），并利用Unwedge程序对此方案下的块体稳定性进行了模拟计算，结果见显示，在适当降低支护力度，减少建造成本的情况下，各块体安全系数依然保持在一个较高的水平，能够维持隧道稳定。
4结论
（1）基于块体理论基本原理，Unwedge程序能够在已知特定隧道断面和节理参数的情况下研究隧道围岩的块体稳定性。除了考虑重力外，Unwedge还能将围岩所受的地震力、水压力引入到块体计算，并且能方便地计算锚杆和喷混凝土的支护作用。生成的块体可通过三维视图形象地展示；程序具有操作简便、计算快速、考虑因素全面、互动性强等优点。
（2）以潮惠高速莲花山2号隧道为例，通过计算块体的安全系数等参数评价块体的稳定性，在此基础上为隧道布置针对性的锚杆和喷混凝土支护措施，制定既能确保隧道安全，又能降低建造成本的支护方案。
参考文献：
[1]石根华.岩体稳定分析的几何方法[J].中国科学，1981（4）：487-495.
[2]张子新，廖一蕾.基于块体理论赤平解析法的地下水封油库围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（7）：48-56.
作者简介：刘明才，男，汉族，1977年10月生，工程硕士，高级工程师，主要从事工程项目管理工作。
论文作者:刘明才
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/22
标签：块体论文; 隧道论文; 围岩论文; 程序论文; 水压论文; 安全系数论文; 稳定性论文; 《基层建设》2018年第6期论文;