结合钻孔电视进行地下洞室围岩稳定性分析评价

贾桢 孟令帅 李建强 赵洪鹏

影响地下洞室围岩稳定性的主要因素包括有岩体完整性、岩石（体）强度、地下水、地应力和工程因素，其中岩石强度、地下水和地应力可以分别通过钻孔内取样室内力学试验，地下水位量测、孔内地应力测试来取得相应成果，岩体的完整性可以通过岩芯编录所得的岩石质量指标（RQD）来获得，但此项指标只是反映了结构面发育密度，未能反映出分析地下洞室稳定性最为重要的要素裂隙的产状和性状，而这些重要的地质信息可以通过钻孔电视获得，从而依据这些地质信息进行裂隙组合形态与洞壁关系的分析，进一步完成地下洞室开挖前稳定性分析和预测，对洞室的支护类型和方式，开挖施工过程中注意的部位等都具有一定的指导意义。

1 钻孔电视工作原理

数字式全景钻孔电视系统应用数字技术，利用光学成像原理，将井下孔壁的地层情况反映到地面显示终端，在测井现场实时显示测井图像。全景技术实现360°钻孔孔壁的二维表示，叠加方位信息后形成的平面图像称为全景图像；数字技术实现了视频图像的数字化，通过全景图像的逆变换算法，还原真实的钻孔孔壁，形成钻孔孔壁的数字柱状图像。

高清数字钻孔电视系统，最适合用于钻孔孔壁结构分析，其获取地下图像信息，具有图像清晰、色彩逼真等优点，可以识别出沿钻孔方向地质体的微小变化。连续的孔壁数字图像再经观看并对照岩芯鉴定成果，即可确切查明孔内结构面位置、产状、张开程度、充填物性状或构造岩体特征及岩性等全方位的信息。

钻孔电视的解译主要根据解析几何的原理来实现，李攀峰在“基于钻孔电视的岩体结构信息解译”一文中作了详细阐述。结构面产状信息的获取以及岩芯的三维还原井中电视图像信息处理是基于把圆柱体展开成平面图形的几何原则，即把所采集的图像按照N→E→S→W→N 方向展开成平面图形[1]，并按照三点法（即正弦曲线的波峰点、中间点、波谷点）或两点法（即正弦曲线的波峰点、波谷点）来确定结构面的产状信息。目前主要基于VBA 技术，利用处理软件进行结构面产状等信息的确定和岩芯的三维还原，如图1所示。

图1 结构面产状展开图

2 地下洞室稳定性方法简述

地下洞室围岩稳定性的定性分析可分为整体稳定性分析和局部稳定性分析两个方面。洞室整体稳定性评价的方法主要有经验类比法、岩体结构分析法；局部稳定性分析方法主要有块体稳定性赤平投影分析法、实体比例投影分析法和块体结构的矢量解析方法[2]。

在洞室围岩稳定性分析中，常用各种图解法，赤平投影是最常用的分析方法之一。赤平（极射）投影是一种球面投影，利用这种投影方法可以很方便地表达空间线状或面状物体的方位及其相互之间的角距关系和运动轨迹，把物体三维空间的几何要素（面、线）投影到平面上来进行研究。它属于定性分析法，其优点是简单、直观、快速；缺点是带有一定的经验性和概念性[3]。

20 世纪60 年代以后该方法才逐渐被引入工程地质研究领域用来解决岩体结构问题。早期主要应用于岩体结构面的统计和结构面的表达，后来陆续提出了结构体形态和结构面组合关系的赤平投影分析。近几十年来在块体理论的实际应用问题上，很多学者有了更进一步的认识，在国内外很多重大工程实例中都取得了成功的应用。

图2 厂房部位变质玄武岩裂隙走向玫瑰花图和极点图

3 应用实例

某工程地下厂房埋深约430 m，厂址区属中高山地貌，地面高程在1 350～3 600 m，总体地形趋势为北高南低，坡度较陡，多大于40°。通过地质测绘、钻探和地球物理勘探成果综合分析，该地下厂房场区的岩性主要以变质砂岩、变质玄武岩为主，其中变质砂岩夹薄层炭质片岩。

根据钻孔内电视录像的结构面统计，该厂房部位变质玄武岩主要发育4 组裂隙结构面，第①组裂隙产状为NE80°～90°∕SE∠60°～70°；第②组裂隙产状为NW270°～280°∕SW∠70°～80°；第③组裂隙产状为NE30°～50°∕NW ∠35°～55° ； 第④组 裂 隙 产 状 为NW290°～300°∕SW∠50°～60°，裂隙走向玫瑰花图及极点图如图2 所示。其中以第①组最为发育。根据相对应钻孔内裂隙面特征统计，裂隙性状大多为闭合，稍平直、光滑状。

该厂房部位变质砂岩主要发育4 组裂隙结构面，第①组裂隙产状为NE20°～40°∕NW∠40°～60°；第②组裂隙产状为NE20°～40°∕NW∠10°～30°；第③组裂隙产状为NW280°～300°∕SW∠55°～75°；第④组裂隙产状为NE50°～80°∕NW∠70°～85°。其中以第①和②组裂隙最为发育。

根据该地下厂房地表北部和南部的钻孔内电视录像解译成果，地下厂房北部与南部炭质片岩的片理产状分别为NE45°～65°∕NW∠65°～85°、NW290°～310°∕SW∠65°～80°。根据相对应钻孔内裂隙面特征统计，节理大多稍弯，略光滑。

按照地下厂房岩性大致分为3 个分区，西北侧、东北侧和南侧，其中西北侧分区岩性以变质玄武岩为主；东北侧和南侧分区岩性均是以变质砂岩为主，有炭质片岩夹层，虽然东北侧和南侧分区的岩性完全相同但因炭质片岩发育的产状不同而分为2 个不同分区。利用前面提及的地下厂房内各个岩性优势发育结构面的统计成果，使用块体赤平投影的方法初步分析该地下厂房的稳定性。

（1）地下厂房西北侧分区岩性以变质玄武岩为主，变质玄武岩内主要发育4 组裂隙结构面。该厂房轴线方向为NW355°，端墙走向为NE85°，西北侧分区范围覆盖该地下厂房的上游边墙和左端墙，通过赤平投影图（图3）分析裂隙组合形态与洞壁的关系，此分区上游边墙稳定性一般；左端墙稳定性差，裂隙组合易形成不稳定块体。

采用极限平衡法计算地下厂房西北侧分区洞室的稳定性，洞室块体组合状态如图4 所示，左端边墙形成块体的质量为30 248.7 t，安全系数为8.641；上游边墙形成块体质量为162.790 t，安全系数为10.454。根据块体组合形式和计算结果可知，左端墙块体规模较大，洞室开挖过程可能产生的危害性会更大。

图3 地下厂房西北侧结构面赤平投影图

（2）地下厂房东北侧分区岩性以变质砂岩为主，有炭质片岩夹层，变质砂岩内主要发育4 组裂隙，此分区炭质片岩的片理产状为NE45°～65°∕NW∠65°～85°。东北侧分区范围覆盖地下厂房的下游边墙和左端墙，分析裂隙组合形态与洞壁的关系，结构面和片理组合形成了不稳定楔形体，对此分区下游边墙和左端墙的稳定性极为不利，尤其是下游边墙，需要更为关注。

采用极限平衡法计算地下厂房东北侧分区洞室的稳定性，左端边墙形成块体的质量为308 097.6 t，为稳定状态；下游边墙形成块体质量为38 382.5 t，安全系数为4.969。根据块体组合形式和计算结果可知，下游边墙块体规模较大，安全系数相对较小，洞室开挖过程可能产生的危害性会更大。

图4 地下厂房西北侧洞室稳定性计算

（3）地下厂房南侧分区变质砂岩为主，有较多的炭质片岩夹层，变质砂岩内主要发育4 组裂隙，炭质片岩的片理产状为NW290°～310°∕SW∠60°～80°。南侧分区范围覆盖上、下游边墙和右端墙，分析裂隙组合形态与洞壁的关系，上游边墙稳定性较好；由于结构面和片理相互组合形成的不稳定楔形体，导致下游边墙稳定性差；右端墙稳定性一般，但炭质片岩的片理与变质砂岩中最为发育的J1、J2 结构面组合形成的楔形体对右端墙稳定性不利。

采用极限平衡法计算地下厂房南侧分区洞室的稳定性，上游边墙形成块体的质量为12 279.8 t，为稳定状态；下游边墙形成块体质量为12 279.8 t，安全系数为1.493，处于基本稳定状态；右端墙形成块体质量为568 578.1 t，安全系数为1.140，处于基本稳定状态。根据块体组合形式和计算结果可知，下游边墙和右端墙块体规模较大，安全系数较小，洞室开挖过程可能产生的危害性更大。

4 结 语

根据工程实例的分析可以看到这种结合钻孔电视使用持平投影和极限平衡法分析地下洞室围岩稳定性的方法所需要的地质信息和边界条件较少，操作简便，能够初步完成地下洞室的稳定性分析和评价，对施工开挖顺序和注意部位、支护类型与方式的选择及其重点布设位置，具有一定的指导意义。根据目前施工开挖后的实际情况与预测分析对比分析，此方法分析成果总体较为准确。