地下开挖岩石楔的稳定性(Rock Wedges stability)

1 引言

与深部开采引起的地压问题不同，浅埋岩体的稳定性主要受地质 构造的影响，因此岩石楔(rock wedge)的形成对边坡或地下开挖的稳定性占主导作用。迄今为止，大量的文献对边坡的岩石楔进行了研究，对地下开挖岩石楔的研究相对很少。不过，从事故发生的概率来看，边坡岩石楔破坏造成人员伤亡的几率很小，但地下开挖岩石楔破坏造成的事故时有发生，硬岩中开挖的顶板冒落大部分是由楔形体破坏引起的，因此进行地下开挖岩石楔的稳定性研究相对来说更有现实意义。

2 破坏机理

在深度相对较浅的节理岩体中进行地下开挖，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，将岩块分隔成离散但又相互交错的块状体。当地下开挖形成自由面时，消除了来自围岩的约束，这些楔块中的一个或多个就会掉落或滑动， 除非在开挖后立即采取支护措施，否则围岩的稳定性会迅速恶化。每一个岩石楔如果允许其掉落或滑动，都会导致岩块的约束和互锁减少，这反过来又会引起其他岩石楔掉落。这一破坏过程将继续下去，直到形成岩块的自然拱或者开挖区域被掉落的岩块填满。

3 相关研究

如前所述，地下开挖岩石楔的研究相对较少，在GeotechSet数据库中仅查到了少部分相关文献，按时间顺序列举如下：

[1] A.M. Crawford (1982) Rock Wedge Stability.

[2] A.M. Crawford, J.W. Bray (1983) In?uence of the in situ stress ?eld and joint sti?ness on rock wedge stability in underground openings.

[3] A.I. So?anos (2003) Stability of rock wedges in tunnel roofs

[4] J.H. Curran et al. (2004) Three-Dimensional Analysis Of Underground Wedges Under The Inuence Of Stresses.

[5] Derek Martin (2005) Preliminary assessment of potential underground stability (wedge and spalling) at Forsmark, Simpevarp and Laxemar sites. 

[6] Ranasooriya, J & Nikraz, H (2008) Tetrahedral Rock Wedge Stability Under Empirically Derived Support.

最近，3DEC使用了一个特殊的命令block analyze-stability求解刚性岩石楔的稳定性，参看：

• 孤立的刚性块体分析(block analyze-stability) (1)
  

• 孤立的刚性块体分析(block analyze-stability) (2)---Range Elements
  

• 离散断裂网络DFN生成多个块体的稳定性分析(block analyze-stability) (3)

4 UnWedge解

与3DEC使用的数值解不同，UnWedge使用极限平衡解确定由结构不连续的相交形成的岩石楔稳定性，计算其安全系数并可对不稳定块体进行支护设计。主要的假设条件如下：

(1) UnWedge主要分析在硬岩中开挖楔形体的破坏，假定不连续性是贯通的，并且不会发生应力引起的破坏。同时假设位移仅发生在不连续处，岩石楔作为刚性体移动，其内部不发生变形或开裂。

(2) 岩石楔是由三个相交的节理形成的四面体，因此一次最多可以分析三个结构面。如果有三个以上的结构面，那么必须考虑对这些平面进行组合或合并；所有的不连续面都假定是完全平面，不同的结构面可以定义不同的强度参数。有三种模型可以使用: Mohr-Coulomb, Barton-Bandis和Power Curve。

(3) 由三组结构面与开挖边界相交可以形成多个楔形体，因此在定义的开挖范围内，它们可以发生在岩体的任何位置，包括顶板、底板、侧帮以及两端，如下左图所示，但只有部分岩石楔会发生破坏(由自定义的安全系数来判别，通常安全系数取1)，如下右图所示，底板和右侧的楔形体不会发生破坏。

(4) 假设地下开挖沿其轴线只有一个恒定的横截面。如果开挖的断面尺寸不一样，必须分段进行分析。开挖轴的产状设置可用来定义一些斜的开挖，例如斜坡道。

(5) 默认的分析仅考虑了岩石楔的自重载荷，不考虑开挖周围岩体的应力场。虽然这个假设会导致分析有可能不准确，但这个误差通常是保守的，即计算的安全系数降低。如果考虑原岩应力的影响，计算的安全系数将会增大。为了考虑开挖的长期稳定性，不选择原岩应力比较合适。