大跨度地下洞室群围岩多尺度块体稳定性预测方法
张发明 余成 胡梦蛟 胡大可 李学政
摘要：组成地下洞室的围岩存在不同尺度结构面所切割形成的不同尺度、不同形态结构体。这些结构体是导致施工期围岩失稳的主要因素，而且在洞室开挖前无法确定其具体位置，给围岩加固设计带来了困难。由勘探平洞地质调查获得的结构面资料，依据不同尺度结构面的成因、规模，预测其在开挖面上的出露位置十分重要。从结构面成因角度考虑，运用几何力学耦合模拟方法，建立大跨度地下洞室围岩岩体结构模型。依据断层机制，运用力学成因拟合规模较大的断层、破碎带、层面，而基于现场结构面调查统计的结果，应用随机模拟方法并结合结构面连通率特征拟合随机结构面。采用正交试验及块体理论，确定由结构面组合形成块体的几何形态，搜索多尺度块体的分布，确定特定块体、半特定块体与随机块体的分布。进一步采用极限平衡理论，分析可能发生破坏的块体，得出洞室开挖面上需要加固的块体。最后，开发了基于几何力学成因的多尺度结构面组合稳定性分析程序UNDGD20。以某在建抽水蓄能电站工程为例，搜索洞室不同开挖面上的块体组合类型与规模，分析由结构面组合构成局部块体的稳定性，为地下洞室开挖方案的确定及设计优化提供理论依据，开挖结果表明本文研究成果是合理的。
关键词：复杂岩体；几何力学耦合；结构面；块体；稳定性分析；地质成因；地下洞室
中图分类号：P642.3；TU457文献标志码：A
Multiscale Block Stability Prediction Methods of Large Span
Underground Cavern Group Surrounding RockZHANG Faming1， YU Cheng1， HU Mengjiao2， HU Dake2， LI Xuezheng2
（1. School of Earth Science and Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China；
2. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited， Changsha 410014， Hunan， China）Abstract： The surrounding rock of underground cavern is a structure with different scales and forms carved by structural surface in different scales. These structures are the main factors causing the instability of surrounding rock during the construction period， and the specific location is uncertain before the excavation of underground cavern， so that it is difficult to reinforce the surrounding rock. It is important to predict the outcrop position of structure surface on the excavation surface based on the genesis and scale of structural surface with different scales， according to the structure surface data investigated by exploration cavern. From the genesis of structural surface， structure model of surrounding rocks of large span underground cavern was built by geometrymechanics coupling simulation method. The fitting of large scale fault， fracture zone and bedding surface was calculated according to the mechanical genesis and fault mechanism. The fitting of random structural surface was calculated with random simulation method by the characteristics of joint persistence ratio of structural surface according to the statistical results of field structural surface. Geometric forms of blocks composed by structural surfaces were confirmed based on orthogonal test and block theory， the distribution of multiscale blocks was searched， and the distributions of special， semispecial and random blocks were found. Further， the blocks， which might be destroyed， were found and reinforced on the excavation surface of cavern by ultimate balance theory. Finally， the program UNDGD2.0 was developed to analyze the stability of multiscale structural surface combination based on the geometrymechanics genesis. A pumped storage power station under construction was taken as an example， the types and scales of block combination on different excavation surfaces in underground cavern were searched， and the stability of partial blocks composed by structural surfaces was analyzed in order to confirm and design optimally the excavation scheme of underground cavern. The results show that the research findings are rational.
Key words： complex rock mass； geometrymechanics coupling； structural surface； block； stability analysis； geological mechanism； underground cavern
0引言
近年来，在水利水电、地下铁路、国防及大型地下油气储存等领域，处于复杂地质条件下开挖的地下洞室规模越来越大，涉及围岩稳定性的研究也越来越引起工程师与理论工作者的高度重视[15]。一般来说，地下洞室围岩稳定性研究包含由不同尺度结构面切割形成的块体稳定性及由于开挖引起的应力重分布导致的围岩弹塑性变形研究两方面[6]。不同尺度结构面切割形成的块体易在施工期导致瞬时破坏，同时，局部不稳定块体的分布位置与体积对支护压力的确定、围岩支护设计及大断面开挖施工工序有重要影响[79]。在地下厂房、隧道等岩体工程施工中，岩石塌方不仅影响施工进度，而且威胁施工人员生命安全，并使工程造成巨大浪费，因此，在详细工程地质调查的基础上，根据地质力学原理，研究裂隙、层面、断层等主要结构面的产状分布及其与临空面的相互切割关系，分析预测塌方体范围、规模、位置，对地下工程的加固设计、节约工程投资具有重要的工程意义。特别是层状岩体中的地下洞室群，由于层状岩体层间的结合力较小，在其中修建大型地下洞室，围岩稳定是关键问题，尤其是顶拱的稳定问题更为突出，其受结构面与临空面的组合，往往形成一些特定的块体，严重影响地下洞室的施工及运行期的安全。国内一些地下厂房施工中就出现过断层与结构面组合形成的大型楔体失稳现象。前人对缓倾层状岩体中开挖的地下洞室群（如西龙池抽水蓄能电站等）围岩块体稳定性做过研究，为节约工程投资，保证施工期的稳定，优化加固措施等提供了重要依据，取得了良好效果。
国内外研究表明，对于由结构面组合形成的块体稳定性评价方法，大多采用石根华与Goodman等提出的关键块体理论进行块体的稳定性分析，同时，应用数学及一些新方法在复杂地质结构围岩块体识别、稳定性分析中也得到了广泛应用[1027]。这些方法对于地下洞室开挖揭露的结构面组合块体稳定性分析具有重要的工程意义，但是地下工程开挖前，围岩中结构面的分布位置、产状及组合形成的块体是未知的，需要由勘探平洞揭示的结构面去推测，因此，这就需要有较为合理与一定精度的结构面推测方法。本文提出的基于几何力学耦合模型，可以较好地预测不同尺度结构面在空间的展布特征，从而预测开挖面块体的分布特征。
1结构面几何力学耦合模拟方法
结构面成因、规模均是多元的。通常对于层状结构受多期构造应力场作用下的岩体，结构面发育规模不一，结构体形态多样化。这类岩体作为地下洞室的围岩，块体的组合形式十分复杂。
1.1基于力学成因的大尺度结构面信息采集
1.1.1勘探洞内调查测定断裂长度
勘探洞所揭露的断裂发育情况最真实地反映了断裂的现实特征。为了能够较好地掌握地下洞室群内主要断裂的长度，需要以勘探洞揭露的情况为最根本的依据，在实地逐条测定宽度、迹长或长度。
1.1.2断层成因分析
针对实测的大尺度结构面，根据断层成因，分析其是否属于张性结构面、压性结构面及扭性结构面，初步确定断层在走向上的延伸规模。
1.1.3基于断层力学成因确定宽度与长度的相关关系
方法一：依据断裂的力学成因机制，在同一个区域内，一次构造运动作用断裂的发育特征有一定的相似性，从断裂宽度和长度的角度来说就是在这个特定的区域里，断裂宽度和长度有一定的相关关系。利用大量现场完全揭露的断裂露头，通过结构面序次的划分，将不同时期构造运动形成的结构面进行分类，并精确测量每一序次结构面的宽度和长度，建立研究区内断裂宽度和长度的关系式。再根据勘探平洞中所揭示的断裂力学属性、实际揭露的宽度，反算出不同序次的断裂长度[28]。断裂宽度和长度的关系式为L=kB+B0（1）式中：L为断裂长度；B为勘探平洞实际揭露的宽度；k为长度与宽度的比例系数；B0为拟合长度系数。
方法二：针对现场实际露头未能精确测量断裂宽度和长度的情形，一旦无法直接建立结构面长度与宽度的关系，就需要运用断裂力学理论与构造地质学结构面力学分析机制，推断出一次构造应力场作用形成的主干断裂及岩石强度特征，模拟出研究区域宏观长大结构面，并与勘探平洞中所反映的断裂规模进行比较，推断出所有影响地下厂房围岩稳定性大型断裂的长度，建立断裂空间展布方程和空间展布图形，确定断裂在地下厂房围岩中的展布位置。
1.2基于钻孔及产状数据的断层及层面几何建模方法
1.2.1断层模拟
假设断层倾向α、倾角β的平面方程为ax+by+cz+d=0（2）式中：a=sin αsin β；b=sin αcos β；c=cos α；d为常数项；x为洞室长轴长度；y为断裂通过点距地下洞室顶拱中心线的距离；z为断裂通过点距顶拱中心线的距离。
已知的3点坐标分别为（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），如这3点不在一条直线上，则平面方程中的各系数为
a=（y1-y0）（z2-z0）-（z1-z0）（y2-y0）
b=（z1-z0）（x2-x0）-（x1-x0）（z2-z0）
c=（x1-x0）（y2-y0）-（y1-y0）（x2-x0）
d=-（ax0+by0+cz0）
通过野外地质调查、钻探等手段，得出断层产状及几何要素。利用上述已知平面上不共线3点坐标求解该平面方程的方法，可得出断层的平面方程。
1.2.2将一定高程勘探平洞中实际揭露的断层延伸至地下洞室设计顶拱位置
在计算中，首先依据一定高程勘探平洞实际揭露的断层位置，按断层平面假设，建立断层的空间平面方程；再依据断层平面与地下洞室中轴面方程求出交线，确定出断层在地下洞室设计顶拱最高处中心线上的出露位置，并用于程序计算。其具体算法如下：
（1）将一定高程勘探平洞中实际揭露断裂的位置按结构面产状，将其转换到空间直角坐标系下，即将局部坐标系中的断裂通过点的坐标转换为大地坐标系下的点坐标。
（2）根据一定高程勘探平洞中实际揭露断裂的位置、产状建立断裂平面方程，对于影响洞室围岩的所有断裂不考虑其长度，按地下洞室上方所对应的断裂分别建立断裂方程。
（3）建立地下洞室中心面的平面方程。
（4）将断裂平面方程与地下洞室中心面的平面方程求交线，获得断裂在地下厂房或主变室顶拱处的交点，即x值。
1.2.3层面模拟
层面按照一定的规则展布于岩体中。根据野外调查结果，统计岩层厚度，就可以得到层面间距，并运用平面假定及平行算法，即根据层面产状先确定一个层面的具体位置，后按平行算法确定层面的分布，并将其延伸到开挖面。
1.3基于几何统计特征的小尺度结构面模拟方法
对于Ⅳ、Ⅴ级结构面，由于其延伸较短，从勘探平洞中统计分析结构面的概率分布特征，尤其对断裂周边的结构面、背斜、向斜等构造部位的结构面，依据统计结果采用随机模拟方法建立结构面的分布，具体算法见文献[29]。
1.4几何力学耦合围岩岩体结构面模拟方法
地壳各部分所发生的一切变形和破裂，都是应力场作用的结果；换而言之，每个地区的构造体系和构造形式都反映着形成那种构造体系和构造型式的应力分布规律。从大量试验成果来看，库伦摩尔强度理论在地质上还是较为合理的；另外，脆性强度破裂理论也是可行的，说明断裂结构面只能由剪应力或拉应力产生，即为剪切破裂面和张性破裂面。其中，剪切破裂面是主要的，而且是数量最多的。
在岩体结构模拟中，首先运用三点法确定大尺度结构面在模拟范围内的全空间展布，其次根据构造部位，运用结构面的力学成因产生小尺度结构面，形成模拟体内的各级结构面。
2块体稳定性分析方法及程序开发
2.1大、中尺度块体稳定性分析方法
由断层、层面及长大破碎带相互组合形成的块体称为大、中尺度块体。其稳定性分析步骤如下[10]：
（1）块体的向量运算判别。采用向量分析判别块体：①设有n组结构面，由各组结构面的产状求出向上的单位法线向量；②求出各结构面的交线即棱向量；③对结构面各种可能的相交组合，计算其各棱是否为该棱锥的真实棱。
（2）块体可动性的向量运算及判别。
（3）关键块体的判别。在已知结构面组合和主动力合力后，根据结构面物理力学特性判断哪些可动块体是真正的关键块体或可能失稳的块体及沿双滑面滑动的块体。
2.2小尺度块体稳定性分析方法
由Ⅳ、Ⅴ级结构面组合形成的块体，由于体积相对较小，被称为小尺度块体。其稳定性分析的主要步骤是：①根据已有裂隙调查资料进行统计分析，求得各组裂隙产状、迹长、间距的平均值与标准差，并确定每一组裂隙的分布概型；②根据正交设计理论，将统计得到的各组裂隙与开挖面进行块体组合分析；③根据统计得到的裂隙，进行裂隙的三维网络模拟；④根据裂隙网络模拟结果，在开挖面上研究小尺度块体的分布特征，并进一步运用块体理论，计算块体的体积、稳定系数等；⑤对计算结果进行统计分析，以确定小尺度块体体积、稳定系数的统计值，为系统锚杆的设计提供依据。
2.3计算程序开发简介
基于Visual C++平台，根据石根华所创立的块体理论（Block Theory）自行开发了UNDGD20版地下洞室围岩多尺度块体稳定性分析程序。UNDGD20版程序经过多个典型算例的考核，已在西龙池等大型水利水电工程地下厂房围岩块体稳定性研究中得到应用。该程序适用于由3、4个结构面组合形成的块体稳定计算，可以求解四面体、五面体等块体的稳定性。程序建立的开挖模型如图1。
图1地下厂房实体模型
Fig.1Model of Underground Plants计算程序的功能及输入资料的格式如下：
（1）结构面资料的准备。由于大、中尺度结构面是在一定高程勘探平洞中所揭露的，且通常位于地下洞室顶拱开挖面以上，与实际将要开挖的地下洞室的边墙不在同一位置。为了使不同开挖面上的计算结果更加合理，首先根据主要结构面在勘探平洞中的实际出露位置及结构面产状通过平面延伸的方法，求得主要结构面与地下洞室平洞开挖面相交的位置，然后再运行程序，得到地下洞室开挖面上的块体位置、规模、滑动方向。具体计算步骤为：①根据勘探平洞中揭露的结构面位置，得出结构面的平面方程（假定结构面无限延伸）ax+by+cz=d；②建立地下洞室端墙、顶拱（假设为平面）、边墙的平面方程，并使x值不大于地下洞室边墙长度，y值不大于地下洞室边墙高度，z值不大于地下洞室顶拱宽度；③求得结构面与开挖面的交线，即结构面在开挖面上的迹线；④整理开挖面上结构面的具体位置，进行桩号编录，用于分析计算。
（2）UNDGD2.0版程序数据输入与运行：①数据输入。输入断层（或有确定位置的长大裂隙）在某一开挖面上的位置（桩号）、各裂隙产状、黏聚力及内摩擦角；②根据块体理论计算相应于各种运动形式的JP编号；③找出洞室各部位的可动块体；④根据洞室开挖面上的结构面分布图，确定关键块体的具体位置；⑤计算各关键块体的体积、质量和净滑动力，在给定稳定系数值后，求出所需的锚固力值。
3工程实例
3.1工程概况
某在建抽水蓄能电站装机容量150×104 kW，发电最大水头292 m。工程主要由上水库、下水库和输水发电系统三大部分组成。地下厂房枢纽主要洞室包括主厂房、主变洞、母线洞。主厂房与主变洞平行布置，地下厂房开挖尺寸为219.9 m×23.5 m×55.05 m，拱顶开挖高程为-16.05 m，岩锚梁以上开挖跨度为25 m。主变洞开挖尺寸为193.16 m×19.7 m×22.05 m，拱顶开挖高程为-20.5 m。地下厂房垂直埋深为240～290 m，主变洞埋深220～270 m，洞室围岩由S313m中厚—巨厚层岩屑石英砂岩夹少量泥质粉砂岩组成，局部有少量安山斑岩岩脉。
工程区构造体系复杂，主要特征为：
（1）EW向构造是工程区重要的构造体系之一，并以一系列走向EW或近EW向的褶皱、压性断裂及其伴生或派生的构造形迹组成。工程区普遍发育EW向构造体系的一对平面“X”节理：一组为NNW走向；另一组为NNE走向，倾角较陡，平均76°。两种节理互相交切，共轭发育，常常呈菱形展布。
（2）新华夏系是工程区内（特别是地下洞室群区）最发育的构造体系，主要构造带总体走向为NNE向（15°～20°）；场区内自西向东发育一系列断褶带或复式背斜、复式向斜及断裂构造，它们互相制约，基本控制了场区地质构造的格局。
3.2边界条件及材料参数
块体稳定性不仅与块体的形态特征有关（主要是各类断裂与洞室临空面的组合形式），而且各类结构面的物理力学特性也是影响块体稳定性的重要因素。依据结构面的发育特征、规模等，根据对试验成果的分析，同时结合其他工程经验，在分析计算中对结构面参数做如下限定：①断层黏聚力取001～003 MPa，内摩擦角取15°～22°；②对贯通性较好的长大裂隙（尤其是有滴水、渗水的情况），均按断层参数选取；③对于有一定胶结程度的一般性裂隙，黏聚力取01～02 MPa，内摩擦角取25°～30°。
3.3厂房拱顶断裂展布特征三维模拟
在本次分析中，考虑到8 m高程灌浆、排水洞与厂房顶拱的距离只有24 m，初步认为8 m高程灌浆与排水洞中的断层能够延伸到厂房顶拱，并依据厂房顶拱的7②、7③两个廊道内所揭露的断层进行厂房各开挖面上的块体计算与分析，共计16条断层（表1）。
根据几何力学耦合模拟方法建立的地下厂房区主要断裂三维模型见图2。
3.4主厂房围岩大、中尺度块体稳定性分析
依据现场结构面测量结果，考虑断层与层面、破碎带组合形成的大、中尺度块体，计算采用的结构面为17条断层，层面按间距1.0 m、平面全空间延伸，长大结构面为5条，破碎带为3条。计算表明，地下
表1厂房开挖面块体计算时采用的断层
Tab.1Faults for Calculating Excavation Surface
Block of Plants断层序号倾角倾向桩号断层内摩擦角080°214°28.11F15620°170°20°25.17F16120°285°348°89.88F15520°363°155°118.70F8620°485°345°114.59F16220°545°125°147.56F8320°671°322°143.99F5420°780°60°128.18F17010°878°45°193.40F5720°985°280°205.89F17520°1070°145°255.36F17220°1146°115°281.14F17620°1270°330°241.71F9020°1366°168°265.11F17320°1445°95°336.81F17120°1570°5°50.64F15720°图2地下厂房区断层三维空间展布
Fig.2Threedimensional Distribution of Faults in
Underground Plants厂房围岩不存在由断层组合的大尺度块体。
各开挖面上的大、中尺度块体共有79个。其中，下游边墙共有12个，上游边墙共有41个，北端墙为4个，顶拱为22个，但这些块体部分互相嵌套（图3）。实际块体的数量小于79个。以顶拱为例，计算结果见表2。
3.5主厂房围岩小尺度随机块体稳定性分析
根据野外实测结构面的统计分布规律，对主厂房区岩体的小尺度结构面进行三维随机模拟。由于F54断层上、下盘V级随机结构面的分布特征不同，本次计算中，考虑Ⅲ级张性断层上、下盘派生结构面
图3厂房顶拱大、中尺度块体分布
Fig.3Distribution of Largemiddle Scale Blocks
Located in Arc of Underground Plants表2厂房顶拱大、中尺度块体在开挖面上出露的位置
Tab.2Outcrop Positions of Excavation Surface of Largemiddle
Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants块体号交点1交点2交点3桩号距中心线
距离/m桩号距中心线
距离/m桩号距中心线
距离/m1642126.50.391.09.888.7-6.42288126.50.3120.22.0120.4-0.82290109.0-2.8119.86.3120.4-0.82297129.90.9119.59.6120.4-0.82898126.50.3114.63.5114.1-1.92900109.0-2.8114.51.8114.1-1.93340116.03.1114.51.8114.63.53485150.54.5145.19.1148.64.24589193.07.1194.212.2186.510.94598207.3-1.1191.911.8186.510.94964116.03.1109.0-2.8126.50.34994121.67.8129.90.9109.0-2.84995124.19.9134.01.6109.0-2.84996126.612.0138.22.3109.0-2.85006134.75.2138.22.3134.51.75067213.6-4.8206.36.8199.33.55069207.4-1.2215.811.2199.33.55074207.3-1.1200.94.2199.33.55508215.7-8.2200.94.2206.36.85938193.710.2207.3-1.1193.07.15948209.51.8207.4-1.2213.6-4.81642126.50.391.09.888.7-6.4的分布特征及构造体系的宏观特征，对F54断层上、下盘分别进行结构面三维网络模拟；在此基础上，对地下厂房各开挖面上的随机块体进行稳定性分析；计算时，考虑结构面连通率对稳定性的影响（表3），得到结构面三维网络图（图4）。
表3结构面连通率的取值
Tab.3Results of Joint Persistence Ratio of Structural Surface计算面积/m29100400900滑动面连通率/%100959080切割面连通率/%100908060图4小尺度块体结构面分布
Fig.4Distribution of Structural Surfaces of
Small Scale Blocks4块体稳定性分析对确定开挖与支护方案的意义4.1围岩大尺度块体分布对开挖方案的影响
以地下厂房顶拱为例，在确定顶拱开挖方式时，主要考虑两方面的因素：其一是保证开挖过程中顶拱围岩的稳定性，主要从块体分布位置比较开挖方案，对于大型地下洞室的开挖，通常采取中导洞或边导洞的施工方案；其二需要考虑施工方便，根据地下厂房中岩层层面的实际出露位置与岩层厚度，考虑由确定性断层与层面、断层与破碎带及断层与破碎带组合形成大尺度块体的稳定性。
根据块体理论计算得到各块体在顶拱上的出露位置（表1）。块体分布主要集中在顶拱开挖面中心轴两侧，因此，为了保证施工中的稳定，拟以中导洞开挖为优，便于及时支护相关的不稳定块体。
4.2围岩大中尺度块体特征对锚固的影响
仍以某在建抽水蓄能电站工程为例，按表1计算可以得出如下结论：①地下厂房顶拱上的关键块体分布范围广，在洞室顶上的出露面积大，而且块体深度基本在25 m内，有利于锚索布置；②单个块体的净滑动力最大为14 7481 kN；③单位面积上的净滑动力小，由于块体在开挖面上出露面积大，所以绝大部分块体内均有足够范围用于布置预应力锚索及系统锚杆；④大尺度块体以F170、F175两条断层与其他结构面组合为主。
在地下厂房顶拱位置，以拱中心线为对称轴，分别在距中心线2.4、7.2 m处的NE、SW向两侧布置有长度25.69、25.08 m的1 000 kN级（Ⅲ类围岩）或1 500 kN级（Ⅳ类围岩）预应力对穿锚索一排，以及分别在距中心线12.0 m处的 NE、SW向两侧布置有长度20 m的1 000 kN级（Ⅲ类围岩）或1 500 kN级（Ⅳ类围岩）预应力端头锚索一排。按F170断层延伸长度超过200 m及不超过顶拱桩号128 m两种情况对顶拱所有块体进行复核，结果见表4。表4厂房顶拱部位大、中尺度块体锚固稳定性的复核结果
Tab.4Rechecked Results of Anchoring Stability of Largemiddle Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants块体号块体分布中心桩号桩号距中心线/m块体出露
面积/m2净滑力/kN块体内需要锚索
与锚杆数量锚固深度/m锚固后
稳定性尚需补充锚索
与锚杆数量164288.7～126.5-6.4～9.8298.810 152.87根锚索20.0～27.7稳定02288120.2～126.5-0.8～2.08.738.42根锚杆6.0稳定02290109.0～120.4-2.8～6.340.91 162.81根锚索20.0～27.7稳定02297119.5～129.9-0.8～9.650.03 342.63根锚索20.0～27.7稳定02898114.1～126.5-1.9～3.532.8364.71根锚索20.0稳定02900109.0～114.5-2.8～1.89.4143.91根锚索20.0稳定03340114.5～116.01.8～3.51.20.51根锚杆6.0稳定03485145.1～150.54.2～9.15.5128.27根锚杆9.0稳定04589186.5～194.27.1～12.218.7844.51根锚索20.0～27.7稳定04598186.5～207.3-1.1～11.841.81 103.92根锚索20.0～27.7稳定04964109.0～126.5-2.8～3.141.0496.81根锚索20.0～27.7稳定04994109.0～129.9-2.8～7.887.73 599.23根锚索20.0～27.7稳定04995109.0～134.0-2.8～9.9125.76 182.45根锚索20.0～27.7稳定04996109.0～138.2-2.8～12.0170.69 775.67根锚索20.0～27.7稳定05006134.5～138.21.7～5.26.359.54根锚杆6.0～9.0稳定05067199.3～213.6-4.8～6.852.71 467.02根锚索20.0～27.7稳定05069199.3～215.8-1.2～11.270.514 748.110根锚索26.1～27.7不稳定6束锚索5074199.3～207.3-1.1～4.26.768.34根锚杆6.0稳定05508200.9～215.7-8.2～6.853.01 097.32根锚索20.0～27.7稳定05938193.0～207.3-1.1～10.225.3222.81根锚索20.0～27.7稳定05948207.4～213.6-4.8～1.812.8159.21根锚索6.0稳定09914207.4～215.7-8.2～1.819.8240.313根锚杆6.0稳定0计算与复核结果表明，对照现有锚固设计方案，地下厂房顶拱部位的所有大尺度块体，仅5069号块体不能满足安全要求， 5069号块体需要增加1 500 kN随机锚索6束。
5结语
（1）运用基于块体理论开发的UNDGRD2.0版程序，可以对厂房区开挖围岩的边墙、端墙与顶拱分别计算大尺度块体的位置及稳定性，程序可以解决块体的具体分布位置，通过工程实例验证表明该程序可以推广应用。
（2）针对某工程复杂地质结构的围岩特征，采用多种途径解决了勘探平洞所揭示断裂构造分布局限性，特别是采用几何力学耦合模拟方法，较好地处理了断裂在有限勘探资料中难以描述的缺点，为其应用提供了一条途径。
（3）工程实践表明，块体分析精度不仅可以解决开挖方案的优化问题，也可以解决大型地下洞室开挖中永久围岩支护的随机锚固问题。参考文献：
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摘要：组成地下洞室的围岩存在不同尺度结构面所切割形成的不同尺度、不同形态结构体。这些结构体是导致施工期围岩失稳的主要因素，而且在洞室开挖前无法确定其具体位置，给围岩加固设计带来了困难。由勘探平洞地质调查获得的结构面资料，依据不同尺度结构面的成因、规模，预测其在开挖面上的出露位置十分重要。从结构面成因角度考虑，运用几何力学耦合模拟方法，建立大跨度地下洞室围岩岩体结构模型。依据断层机制，运用力学成因拟合规模较大的断层、破碎带、层面，而基于现场结构面调查统计的结果，应用随机模拟方法并结合结构面连通率特征拟合随机结构面。采用正交试验及块体理论，确定由结构面组合形成块体的几何形态，搜索多尺度块体的分布，确定特定块体、半特定块体与随机块体的分布。进一步采用极限平衡理论，分析可能发生破坏的块体，得出洞室开挖面上需要加固的块体。最后，开发了基于几何力学成因的多尺度结构面组合稳定性分析程序UNDGD20。以某在建抽水蓄能电站工程为例，搜索洞室不同开挖面上的块体组合类型与规模，分析由结构面组合构成局部块体的稳定性，为地下洞室开挖方案的确定及设计优化提供理论依据，开挖结果表明本文研究成果是合理的。
关键词：复杂岩体；几何力学耦合；结构面；块体；稳定性分析；地质成因；地下洞室
中图分类号：P642.3；TU457文献标志码：A
Multiscale Block Stability Prediction Methods of Large Span
Underground Cavern Group Surrounding RockZHANG Faming1， YU Cheng1， HU Mengjiao2， HU Dake2， LI Xuezheng2
（1. School of Earth Science and Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， Jiangsu， China；
2. PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited， Changsha 410014， Hunan， China）Abstract： The surrounding rock of underground cavern is a structure with different scales and forms carved by structural surface in different scales. These structures are the main factors causing the instability of surrounding rock during the construction period， and the specific location is uncertain before the excavation of underground cavern， so that it is difficult to reinforce the surrounding rock. It is important to predict the outcrop position of structure surface on the excavation surface based on the genesis and scale of structural surface with different scales， according to the structure surface data investigated by exploration cavern. From the genesis of structural surface， structure model of surrounding rocks of large span underground cavern was built by geometrymechanics coupling simulation method. The fitting of large scale fault， fracture zone and bedding surface was calculated according to the mechanical genesis and fault mechanism. The fitting of random structural surface was calculated with random simulation method by the characteristics of joint persistence ratio of structural surface according to the statistical results of field structural surface. Geometric forms of blocks composed by structural surfaces were confirmed based on orthogonal test and block theory， the distribution of multiscale blocks was searched， and the distributions of special， semispecial and random blocks were found. Further， the blocks， which might be destroyed， were found and reinforced on the excavation surface of cavern by ultimate balance theory. Finally， the program UNDGD2.0 was developed to analyze the stability of multiscale structural surface combination based on the geometrymechanics genesis. A pumped storage power station under construction was taken as an example， the types and scales of block combination on different excavation surfaces in underground cavern were searched， and the stability of partial blocks composed by structural surfaces was analyzed in order to confirm and design optimally the excavation scheme of underground cavern. The results show that the research findings are rational.
Key words： complex rock mass； geometrymechanics coupling； structural surface； block； stability analysis； geological mechanism； underground cavern
0引言
近年来，在水利水电、地下铁路、国防及大型地下油气储存等领域，处于复杂地质条件下开挖的地下洞室规模越来越大，涉及围岩稳定性的研究也越来越引起工程师与理论工作者的高度重视[15]。一般来说，地下洞室围岩稳定性研究包含由不同尺度结构面切割形成的块体稳定性及由于开挖引起的应力重分布导致的围岩弹塑性变形研究两方面[6]。不同尺度结构面切割形成的块体易在施工期导致瞬时破坏，同时，局部不稳定块体的分布位置与体积对支护压力的确定、围岩支护设计及大断面开挖施工工序有重要影响[79]。在地下厂房、隧道等岩体工程施工中，岩石塌方不仅影响施工进度，而且威胁施工人员生命安全，并使工程造成巨大浪费，因此，在详细工程地质调查的基础上，根据地质力学原理，研究裂隙、层面、断层等主要结构面的产状分布及其与临空面的相互切割关系，分析预测塌方体范围、规模、位置，对地下工程的加固设计、节约工程投资具有重要的工程意义。特别是层状岩体中的地下洞室群，由于层状岩体层间的结合力较小，在其中修建大型地下洞室，围岩稳定是关键问题，尤其是顶拱的稳定问题更为突出，其受结构面与临空面的组合，往往形成一些特定的块体，严重影响地下洞室的施工及运行期的安全。国内一些地下厂房施工中就出现过断层与结构面组合形成的大型楔体失稳现象。前人对缓倾层状岩体中开挖的地下洞室群（如西龙池抽水蓄能电站等）围岩块体稳定性做过研究，为节约工程投资，保证施工期的稳定，优化加固措施等提供了重要依据，取得了良好效果。
国内外研究表明，对于由结构面组合形成的块体稳定性评价方法，大多采用石根华与Goodman等提出的关键块体理论进行块体的稳定性分析，同时，应用数学及一些新方法在复杂地质结构围岩块体识别、稳定性分析中也得到了广泛应用[1027]。这些方法对于地下洞室开挖揭露的结构面组合块体稳定性分析具有重要的工程意义，但是地下工程开挖前，围岩中结构面的分布位置、产状及组合形成的块体是未知的，需要由勘探平洞揭示的结构面去推测，因此，这就需要有较为合理与一定精度的结构面推测方法。本文提出的基于几何力学耦合模型，可以较好地预测不同尺度结构面在空间的展布特征，从而预测开挖面块体的分布特征。
1结构面几何力学耦合模拟方法
结构面成因、规模均是多元的。通常对于层状结构受多期构造应力场作用下的岩体，结构面发育规模不一，结构体形态多样化。这类岩体作为地下洞室的围岩，块体的组合形式十分复杂。
1.1基于力学成因的大尺度结构面信息采集
1.1.1勘探洞内调查测定断裂长度
勘探洞所揭露的断裂发育情况最真实地反映了断裂的现实特征。为了能够较好地掌握地下洞室群内主要断裂的长度，需要以勘探洞揭露的情况为最根本的依据，在实地逐条测定宽度、迹长或长度。
1.1.2断层成因分析
针对实测的大尺度结构面，根据断层成因，分析其是否属于张性结构面、压性结构面及扭性结构面，初步确定断层在走向上的延伸规模。
1.1.3基于断层力学成因确定宽度与长度的相关关系
方法一：依据断裂的力学成因机制，在同一个区域内，一次构造运动作用断裂的发育特征有一定的相似性，从断裂宽度和长度的角度来说就是在这个特定的区域里，断裂宽度和长度有一定的相关关系。利用大量现场完全揭露的断裂露头，通过结构面序次的划分，将不同时期构造运动形成的结构面进行分类，并精确测量每一序次结构面的宽度和长度，建立研究区内断裂宽度和长度的关系式。再根据勘探平洞中所揭示的断裂力学属性、实际揭露的宽度，反算出不同序次的断裂长度[28]。断裂宽度和长度的关系式为L=kB+B0（1）式中：L为断裂长度；B为勘探平洞实际揭露的宽度；k为长度与宽度的比例系数；B0为拟合长度系数。
方法二：针对现场实际露头未能精确测量断裂宽度和长度的情形，一旦无法直接建立结构面长度与宽度的关系，就需要运用断裂力学理论与构造地质学结构面力学分析机制，推断出一次构造应力场作用形成的主干断裂及岩石强度特征，模拟出研究区域宏观长大结构面，并与勘探平洞中所反映的断裂规模进行比较，推断出所有影响地下厂房围岩稳定性大型断裂的长度，建立断裂空间展布方程和空间展布图形，确定断裂在地下厂房围岩中的展布位置。
1.2基于钻孔及产状数据的断层及层面几何建模方法
1.2.1断层模拟
假设断层倾向α、倾角β的平面方程为ax+by+cz+d=0（2）式中：a=sin αsin β；b=sin αcos β；c=cos α；d为常数项；x为洞室长轴长度；y为断裂通过点距地下洞室顶拱中心线的距离；z为断裂通过点距顶拱中心线的距离。
已知的3点坐标分别为（x0，y0，z0）、（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2），如这3点不在一条直线上，则平面方程中的各系数为
a=（y1-y0）（z2-z0）-（z1-z0）（y2-y0）
b=（z1-z0）（x2-x0）-（x1-x0）（z2-z0）
c=（x1-x0）（y2-y0）-（y1-y0）（x2-x0）
d=-（ax0+by0+cz0）
通过野外地质调查、钻探等手段，得出断层产状及几何要素。利用上述已知平面上不共线3点坐标求解该平面方程的方法，可得出断层的平面方程。
1.2.2将一定高程勘探平洞中实际揭露的断层延伸至地下洞室设计顶拱位置
在计算中，首先依据一定高程勘探平洞实际揭露的断层位置，按断层平面假设，建立断层的空间平面方程；再依据断层平面与地下洞室中轴面方程求出交线，确定出断层在地下洞室设计顶拱最高处中心线上的出露位置，并用于程序计算。其具体算法如下：
（1）将一定高程勘探平洞中实际揭露断裂的位置按结构面产状，将其转换到空间直角坐标系下，即将局部坐标系中的断裂通过点的坐标转换为大地坐标系下的点坐标。
（2）根据一定高程勘探平洞中实际揭露断裂的位置、产状建立断裂平面方程，对于影响洞室围岩的所有断裂不考虑其长度，按地下洞室上方所对应的断裂分别建立断裂方程。
（3）建立地下洞室中心面的平面方程。
（4）将断裂平面方程与地下洞室中心面的平面方程求交线，获得断裂在地下厂房或主变室顶拱处的交点，即x值。
1.2.3层面模拟
层面按照一定的规则展布于岩体中。根据野外调查结果，统计岩层厚度，就可以得到层面间距，并运用平面假定及平行算法，即根据层面产状先确定一个层面的具体位置，后按平行算法确定层面的分布，并将其延伸到开挖面。
1.3基于几何统计特征的小尺度结构面模拟方法
对于Ⅳ、Ⅴ级结构面，由于其延伸较短，从勘探平洞中统计分析结构面的概率分布特征，尤其对断裂周边的结构面、背斜、向斜等构造部位的结构面，依据统计结果采用随机模拟方法建立结构面的分布，具体算法见文献[29]。
1.4几何力学耦合围岩岩体结构面模拟方法
地壳各部分所发生的一切变形和破裂，都是应力场作用的结果；换而言之，每个地区的构造体系和构造形式都反映着形成那种构造体系和构造型式的应力分布规律。从大量试验成果来看，库伦摩尔强度理论在地质上还是较为合理的；另外，脆性强度破裂理论也是可行的，说明断裂结构面只能由剪应力或拉应力产生，即为剪切破裂面和张性破裂面。其中，剪切破裂面是主要的，而且是数量最多的。
在岩体结构模拟中，首先运用三点法确定大尺度结构面在模拟范围内的全空间展布，其次根据构造部位，运用结构面的力学成因产生小尺度结构面，形成模拟体内的各级结构面。
2块体稳定性分析方法及程序开发
2.1大、中尺度块体稳定性分析方法
由断层、层面及长大破碎带相互组合形成的块体称为大、中尺度块体。其稳定性分析步骤如下[10]：
（1）块体的向量运算判别。采用向量分析判别块体：①设有n组结构面，由各组结构面的产状求出向上的单位法线向量；②求出各结构面的交线即棱向量；③对结构面各种可能的相交组合，计算其各棱是否为该棱锥的真实棱。
（2）块体可动性的向量运算及判别。
（3）关键块体的判别。在已知结构面组合和主动力合力后，根据结构面物理力学特性判断哪些可动块体是真正的关键块体或可能失稳的块体及沿双滑面滑动的块体。
2.2小尺度块体稳定性分析方法
由Ⅳ、Ⅴ级结构面组合形成的块体，由于体积相对较小，被称为小尺度块体。其稳定性分析的主要步骤是：①根据已有裂隙调查资料进行统计分析，求得各组裂隙产状、迹长、间距的平均值与标准差，并确定每一组裂隙的分布概型；②根据正交设计理论，将统计得到的各组裂隙与开挖面进行块体组合分析；③根据统计得到的裂隙，进行裂隙的三维网络模拟；④根据裂隙网络模拟结果，在开挖面上研究小尺度块体的分布特征，并进一步运用块体理论，计算块体的体积、稳定系数等；⑤对计算结果进行统计分析，以确定小尺度块体体积、稳定系数的统计值，为系统锚杆的设计提供依据。
2.3计算程序开发简介
基于Visual C++平台，根据石根华所创立的块体理论（Block Theory）自行开发了UNDGD20版地下洞室围岩多尺度块体稳定性分析程序。UNDGD20版程序经过多个典型算例的考核，已在西龙池等大型水利水电工程地下厂房围岩块体稳定性研究中得到应用。该程序适用于由3、4个结构面组合形成的块体稳定计算，可以求解四面体、五面体等块体的稳定性。程序建立的开挖模型如图1。
图1地下厂房实体模型
Fig.1Model of Underground Plants计算程序的功能及输入资料的格式如下：
（1）结构面资料的准备。由于大、中尺度结构面是在一定高程勘探平洞中所揭露的，且通常位于地下洞室顶拱开挖面以上，与实际将要开挖的地下洞室的边墙不在同一位置。为了使不同开挖面上的计算结果更加合理，首先根据主要结构面在勘探平洞中的实际出露位置及结构面产状通过平面延伸的方法，求得主要结构面与地下洞室平洞开挖面相交的位置，然后再运行程序，得到地下洞室开挖面上的块体位置、规模、滑动方向。具体计算步骤为：①根据勘探平洞中揭露的结构面位置，得出结构面的平面方程（假定结构面无限延伸）ax+by+cz=d；②建立地下洞室端墙、顶拱（假设为平面）、边墙的平面方程，并使x值不大于地下洞室边墙长度，y值不大于地下洞室边墙高度，z值不大于地下洞室顶拱宽度；③求得结构面与开挖面的交线，即结构面在开挖面上的迹线；④整理开挖面上结构面的具体位置，进行桩号编录，用于分析计算。
（2）UNDGD2.0版程序数据输入与运行：①数据输入。输入断层（或有确定位置的长大裂隙）在某一开挖面上的位置（桩号）、各裂隙产状、黏聚力及内摩擦角；②根据块体理论计算相应于各种运动形式的JP编号；③找出洞室各部位的可动块体；④根据洞室开挖面上的结构面分布图，确定关键块体的具体位置；⑤计算各关键块体的体积、质量和净滑动力，在给定稳定系数值后，求出所需的锚固力值。
3工程实例
3.1工程概况
某在建抽水蓄能电站装机容量150×104 kW，发电最大水头292 m。工程主要由上水库、下水库和输水发电系统三大部分组成。地下厂房枢纽主要洞室包括主厂房、主变洞、母线洞。主厂房与主变洞平行布置，地下厂房开挖尺寸为219.9 m×23.5 m×55.05 m，拱顶开挖高程为-16.05 m，岩锚梁以上开挖跨度为25 m。主变洞开挖尺寸为193.16 m×19.7 m×22.05 m，拱顶开挖高程为-20.5 m。地下厂房垂直埋深为240～290 m，主变洞埋深220～270 m，洞室围岩由S313m中厚—巨厚层岩屑石英砂岩夹少量泥质粉砂岩组成，局部有少量安山斑岩岩脉。
工程区构造体系复杂，主要特征为：
（1）EW向构造是工程区重要的构造体系之一，并以一系列走向EW或近EW向的褶皱、压性断裂及其伴生或派生的构造形迹组成。工程区普遍发育EW向构造体系的一对平面“X”节理：一组为NNW走向；另一组为NNE走向，倾角较陡，平均76°。两种节理互相交切，共轭发育，常常呈菱形展布。
（2）新华夏系是工程区内（特别是地下洞室群区）最发育的构造体系，主要构造带总体走向为NNE向（15°～20°）；场区内自西向东发育一系列断褶带或复式背斜、复式向斜及断裂构造，它们互相制约，基本控制了场区地质构造的格局。
3.2边界条件及材料参数
块体稳定性不仅与块体的形态特征有关（主要是各类断裂与洞室临空面的组合形式），而且各类结构面的物理力学特性也是影响块体稳定性的重要因素。依据结构面的发育特征、规模等，根据对试验成果的分析，同时结合其他工程经验，在分析计算中对结构面参数做如下限定：①断层黏聚力取001～003 MPa，内摩擦角取15°～22°；②对贯通性较好的长大裂隙（尤其是有滴水、渗水的情况），均按断层参数选取；③对于有一定胶结程度的一般性裂隙，黏聚力取01～02 MPa，内摩擦角取25°～30°。
3.3厂房拱顶断裂展布特征三维模拟
在本次分析中，考虑到8 m高程灌浆、排水洞与厂房顶拱的距离只有24 m，初步认为8 m高程灌浆与排水洞中的断层能够延伸到厂房顶拱，并依据厂房顶拱的7②、7③两个廊道内所揭露的断层进行厂房各开挖面上的块体计算与分析，共计16条断层（表1）。
根据几何力学耦合模拟方法建立的地下厂房区主要断裂三维模型见图2。
3.4主厂房围岩大、中尺度块体稳定性分析
依据现场结构面测量结果，考虑断层与层面、破碎带组合形成的大、中尺度块体，计算采用的结构面为17条断层，层面按间距1.0 m、平面全空间延伸，长大结构面为5条，破碎带为3条。计算表明，地下
表1厂房开挖面块体计算时采用的断层
Tab.1Faults for Calculating Excavation Surface
Block of Plants断层序号倾角倾向桩号断层内摩擦角080°214°28.11F15620°170°20°25.17F16120°285°348°89.88F15520°363°155°118.70F8620°485°345°114.59F16220°545°125°147.56F8320°671°322°143.99F5420°780°60°128.18F17010°878°45°193.40F5720°985°280°205.89F17520°1070°145°255.36F17220°1146°115°281.14F17620°1270°330°241.71F9020°1366°168°265.11F17320°1445°95°336.81F17120°1570°5°50.64F15720°图2地下厂房区断层三维空间展布
Fig.2Threedimensional Distribution of Faults in
Underground Plants厂房围岩不存在由断层组合的大尺度块体。
各开挖面上的大、中尺度块体共有79个。其中，下游边墙共有12个，上游边墙共有41个，北端墙为4个，顶拱为22个，但这些块体部分互相嵌套（图3）。实际块体的数量小于79个。以顶拱为例，计算结果见表2。
3.5主厂房围岩小尺度随机块体稳定性分析
根据野外实测结构面的统计分布规律，对主厂房区岩体的小尺度结构面进行三维随机模拟。由于F54断层上、下盘V级随机结构面的分布特征不同，本次计算中，考虑Ⅲ级张性断层上、下盘派生结构面
图3厂房顶拱大、中尺度块体分布
Fig.3Distribution of Largemiddle Scale Blocks
Located in Arc of Underground Plants表2厂房顶拱大、中尺度块体在开挖面上出露的位置
Tab.2Outcrop Positions of Excavation Surface of Largemiddle
Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants块体号交点1交点2交点3桩号距中心线
距离/m桩号距中心线
距离/m桩号距中心线
距离/m1642126.50.391.09.888.7-6.42288126.50.3120.22.0120.4-0.82290109.0-2.8119.86.3120.4-0.82297129.90.9119.59.6120.4-0.82898126.50.3114.63.5114.1-1.92900109.0-2.8114.51.8114.1-1.93340116.03.1114.51.8114.63.53485150.54.5145.19.1148.64.24589193.07.1194.212.2186.510.94598207.3-1.1191.911.8186.510.94964116.03.1109.0-2.8126.50.34994121.67.8129.90.9109.0-2.84995124.19.9134.01.6109.0-2.84996126.612.0138.22.3109.0-2.85006134.75.2138.22.3134.51.75067213.6-4.8206.36.8199.33.55069207.4-1.2215.811.2199.33.55074207.3-1.1200.94.2199.33.55508215.7-8.2200.94.2206.36.85938193.710.2207.3-1.1193.07.15948209.51.8207.4-1.2213.6-4.81642126.50.391.09.888.7-6.4的分布特征及构造体系的宏观特征，对F54断层上、下盘分别进行结构面三维网络模拟；在此基础上，对地下厂房各开挖面上的随机块体进行稳定性分析；计算时，考虑结构面连通率对稳定性的影响（表3），得到结构面三维网络图（图4）。
表3结构面连通率的取值
Tab.3Results of Joint Persistence Ratio of Structural Surface计算面积/m29100400900滑动面连通率/%100959080切割面连通率/%100908060图4小尺度块体结构面分布
Fig.4Distribution of Structural Surfaces of
Small Scale Blocks4块体稳定性分析对确定开挖与支护方案的意义4.1围岩大尺度块体分布对开挖方案的影响
以地下厂房顶拱为例，在确定顶拱开挖方式时，主要考虑两方面的因素：其一是保证开挖过程中顶拱围岩的稳定性，主要从块体分布位置比较开挖方案，对于大型地下洞室的开挖，通常采取中导洞或边导洞的施工方案；其二需要考虑施工方便，根据地下厂房中岩层层面的实际出露位置与岩层厚度，考虑由确定性断层与层面、断层与破碎带及断层与破碎带组合形成大尺度块体的稳定性。
根据块体理论计算得到各块体在顶拱上的出露位置（表1）。块体分布主要集中在顶拱开挖面中心轴两侧，因此，为了保证施工中的稳定，拟以中导洞开挖为优，便于及时支护相关的不稳定块体。
4.2围岩大中尺度块体特征对锚固的影响
仍以某在建抽水蓄能电站工程为例，按表1计算可以得出如下结论：①地下厂房顶拱上的关键块体分布范围广，在洞室顶上的出露面积大，而且块体深度基本在25 m内，有利于锚索布置；②单个块体的净滑动力最大为14 7481 kN；③单位面积上的净滑动力小，由于块体在开挖面上出露面积大，所以绝大部分块体内均有足够范围用于布置预应力锚索及系统锚杆；④大尺度块体以F170、F175两条断层与其他结构面组合为主。
在地下厂房顶拱位置，以拱中心线为对称轴，分别在距中心线2.4、7.2 m处的NE、SW向两侧布置有长度25.69、25.08 m的1 000 kN级（Ⅲ类围岩）或1 500 kN级（Ⅳ类围岩）预应力对穿锚索一排，以及分别在距中心线12.0 m处的 NE、SW向两侧布置有长度20 m的1 000 kN级（Ⅲ类围岩）或1 500 kN级（Ⅳ类围岩）预应力端头锚索一排。按F170断层延伸长度超过200 m及不超过顶拱桩号128 m两种情况对顶拱所有块体进行复核，结果见表4。表4厂房顶拱部位大、中尺度块体锚固稳定性的复核结果
Tab.4Rechecked Results of Anchoring Stability of Largemiddle Scale Blocks Located in Arc of Underground Plants块体号块体分布中心桩号桩号距中心线/m块体出露
面积/m2净滑力/kN块体内需要锚索
与锚杆数量锚固深度/m锚固后
稳定性尚需补充锚索
与锚杆数量164288.7～126.5-6.4～9.8298.810 152.87根锚索20.0～27.7稳定02288120.2～126.5-0.8～2.08.738.42根锚杆6.0稳定02290109.0～120.4-2.8～6.340.91 162.81根锚索20.0～27.7稳定02297119.5～129.9-0.8～9.650.03 342.63根锚索20.0～27.7稳定02898114.1～126.5-1.9～3.532.8364.71根锚索20.0稳定02900109.0～114.5-2.8～1.89.4143.91根锚索20.0稳定03340114.5～116.01.8～3.51.20.51根锚杆6.0稳定03485145.1～150.54.2～9.15.5128.27根锚杆9.0稳定04589186.5～194.27.1～12.218.7844.51根锚索20.0～27.7稳定04598186.5～207.3-1.1～11.841.81 103.92根锚索20.0～27.7稳定04964109.0～126.5-2.8～3.141.0496.81根锚索20.0～27.7稳定04994109.0～129.9-2.8～7.887.73 599.23根锚索20.0～27.7稳定04995109.0～134.0-2.8～9.9125.76 182.45根锚索20.0～27.7稳定04996109.0～138.2-2.8～12.0170.69 775.67根锚索20.0～27.7稳定05006134.5～138.21.7～5.26.359.54根锚杆6.0～9.0稳定05067199.3～213.6-4.8～6.852.71 467.02根锚索20.0～27.7稳定05069199.3～215.8-1.2～11.270.514 748.110根锚索26.1～27.7不稳定6束锚索5074199.3～207.3-1.1～4.26.768.34根锚杆6.0稳定05508200.9～215.7-8.2～6.853.01 097.32根锚索20.0～27.7稳定05938193.0～207.3-1.1～10.225.3222.81根锚索20.0～27.7稳定05948207.4～213.6-4.8～1.812.8159.21根锚索6.0稳定09914207.4～215.7-8.2～1.819.8240.313根锚杆6.0稳定0计算与复核结果表明，对照现有锚固设计方案，地下厂房顶拱部位的所有大尺度块体，仅5069号块体不能满足安全要求， 5069号块体需要增加1 500 kN随机锚索6束。
5结语
（1）运用基于块体理论开发的UNDGRD2.0版程序，可以对厂房区开挖围岩的边墙、端墙与顶拱分别计算大尺度块体的位置及稳定性，程序可以解决块体的具体分布位置，通过工程实例验证表明该程序可以推广应用。
（2）针对某工程复杂地质结构的围岩特征，采用多种途径解决了勘探平洞所揭示断裂构造分布局限性，特别是采用几何力学耦合模拟方法，较好地处理了断裂在有限勘探资料中难以描述的缺点，为其应用提供了一条途径。
（3）工程实践表明，块体分析精度不仅可以解决开挖方案的优化问题，也可以解决大型地下洞室开挖中永久围岩支护的随机锚固问题。参考文献：
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