浙江温岭长屿硐天不规则采空硐窟围岩稳定性研究

摘要

近年来，随着人类对地下空间的开发与利用，地下硐室正在朝着大空间、复杂结构形式的方向发展，基于规则结构形式的传统地下工程技术理论已难以适应地下工程建设与发展需求，大型地下工程稳定性评价方法已成为地下工程研究的重点技术领域。为此，本文对浙江省温岭市长屿硐天采空硐窟群进行了深入研究与分析，意在总结古代工程技术经验，用现代技术手段分析古地下硐窟长期稳定的科学机理，为进一步丰富、完善现代地下工程技术理论提供借鉴与参考，并建立不规则硐窟群稳定性评价方法，对浙江省温岭市长屿硐天采空硐窟群进行稳定性评价，为长屿硐天采空硐窟群的旅游开发与利用提供技术保障。 浙江省温岭市长屿硐天矿区为石材开采矿区，有着1500余年的石材开采历史，形成了约1.55km2的采空区，分布着大量的采空硐窟，其规模大小不一、结构形式多样、空间分布无固定规则，记录了我国石材开展技术、工艺的发展历程。本文研究的硐窟跨度为8-91m，高度为10-53m，个别硐窟规模是现代地下工程中较为少见的特大型硐窟，而且所有硐窟均未采取任何人为支护措施，仅依靠围岩自稳能力，实现了硐窟群的长期稳定。因此，深入了解长屿硐天采空硐窟群的结构特点和长期稳定的科学机理，对进一步完善现代地下工程理论具有积极意义，对大型地下工程开发与利用具有积极的借鉴作用。 鉴于本文研究对象为古地下硐窟，研究硐窟内无照明，难以获得详细的开挖过程、结构设计等资料和硐窟结构详细参数的实际情况，本文通过详细的现场勘查与测量，获得了硐窟结构的主要参数；通过室内试验获得了岩体力学参数，并按照《工程岩体分级标准》对岩体力学参数进行了修订；通过多种围岩分级方法的对比分析，确定了适用于硐窟群的围岩分级方法和标准；通过 FLAC 软件进行了二维、三维数值模拟分析，并综合采用多种软件与FLAC3D进行联合建模，解决了大型不规则硐窟群建模问题，深入研究了硐窟横切面、纵切面的结构特征，分析了单个不规则硐窟的侧墙倾角、跨度、高度、埋深以及地形坡度等对硐窟围岩稳定性的影响，以及大型地下硐窟群的稳定性问题；在上述研究的基础上，采用层次分析法，建立了三层次的硐窟（群）稳定性评价模型，通过邀请行业专家进行打分，得出了各指标的权重系数，建立了不规则硐窟（群）稳定性评价指标及评分标准。并得到以下结论： （1）研究区域内不规则硐窟主要是露天中型直穴式、半露天覆钟式、大型覆钟式三类硐窟，且硐窟规模较大，硐窟跨度为8-91m，高度为10-53m，大部分硐窟跨度集中在10-40m之间，高度集中在10-30m之间。 （2）研究区域内以凝灰岩为主，夹安山岩岩脉，岩体较完整，结构面以闭合干燥节理为主，呈块状或厚层状。硐窟围岩以II类围岩为主，连接硐窟的巷道以III类围岩为主。 （3）覆钟式硐窟围岩受拉区面积最小，特别是采用了曲墙、底部开挖基坑的特殊结构，形成了类似马蹄形的断面结构，能够充分发挥围岩的自稳能力，避免硐窟顶部形成危岩，确保了硐窟内采石施工安全和硐窟的长期稳定。 （4）基于长屿硐天良好的的地层岩性条件，硐窟围岩岩壁倾角在 70°~80°时，其受拉区面积更小，围岩受力状态更合理，更有利于硐窟结构稳定，而实际研究的24个硐窟中有60%的硐窟符合该规律。 （5）硐窟的跨度与硐高比、埋深与硐高比是反应硐窟结构特征的重要参数，经计算分析表明，地表缓坡方向的硐窟跨高比宜小于1.44、埋深与硐高比宜小于1.8，陡坡 方向的硐窟跨高比宜小于1.28、埋深与硐高比宜小于1.8。经现场勘查，研究区域硐窟中既满足陡坡方向规律也同时满足缓坡方向规律的硐窟有16个，占总硐窟的66.7%。 （6）椭圆形横切面受力状态优于圆形，圆形优于四边形（含多边形），其中长轴沿缓坡方向、短轴沿陡坡方向的椭圆形是稳定性最优的横切面形式。经现场勘查发现，研究的24个硐窟中，13个为椭圆形横切面硐窟，3个为圆形横切面硐窟，8个为四边形（近似四边形）横切面硐窟。 （7）通过三维数值计算发现硐窟群在围岩重力荷载作用下，围岩的位移、应力以及塑性区面积较小，硐窟结构处于稳定状态，但硐窟底部围岩和中隔墙受力状态不利于稳定。 （8）按照本文建立的稳定性评价方法，研究的24个硐窟中I类稳定硐窟9个，占总硐窟的37%，而II基本稳定的硐窟15个，占总硐窟的63%。通过对相关硐窟的具体分析表明，本文基于层次分析法建立的硐窟稳定性分类方法的评价结果与实际情况相符，能够客观评价硐窟稳定性。 研究成果显示，基于长屿硐天景区良好的地质条件，覆钟式硐窟结构对减少围岩受拉区面积、提高硐窟稳定性具有较大的优越性，特别是用于无支护结构的矿山采空硐窟具有较好的适应性。同时，古人采石过程中，采取适当增加硐窟岩壁弧度、、挖出硐窟顶部部分岩体以及控制硐窟的硐壁倾角、跨度、高度、埋深等措施，形成了类马蹄形断面结构，改善了覆钟式硐窟的围岩应力，形成了稳定数百上千年的采空硐窟。长屿硐天覆钟式硐窟结构，虽然是在围岩条件较好的情况下形成的，但其独特的结构形式，有其存在的科学依据和稳定千年的工程实例，也是古人工程技术的瑰宝硐窟，对现代大型地下工程建设具有积极的借鉴意义和指导作用。

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SouthwestJiaotongUniversity

西南交通大学

西南交通大学博士学位论文创新性声明

摘 要

Abstract

目 录

绪论

选题背景

国内外研究现状

岩体结构面特征研究现状

岩体质量分类研究现状

硐窟围岩应力研究现状

不规则硐窟（群）围岩稳定性研究现状

主要研究内容

研究目标

研究方法

研究区域地质环境条件概述

自然地理

气象水文

区域地质

地形地貌

地层岩性

地质构造

水文地质条件

岩石物理力学特性

小结

不规则采空硐窟空间分布及变形破坏特征

硐窟分布特征

硐窟规模特征

硐窟开挖方式及特征分析

露天中型直穴式

半露天中型覆钟式

井下大型覆钟式硐窟

巷道开挖特征

硐窟结构特征

巷道结构特征

硐窟及巷道围岩变形破坏特征

硐窟岩壁变形破坏特征

巷道岩壁变形破坏特征

小结

不规则采空硐窟围岩结构类型与质量分级

岩体结构面分级

结构面特征分析

硐窟围岩岩体质量分级

影响岩体质量优劣的控制因素

岩体质量分级

小结

不规则单硐窟围岩应力应变特征分析

覆钟形不规则硐窟与规则硐窟对比分析

计算模型及参数

计算结果分析

实例分析

硐壁倾角对硐窟稳定性的影响

缓坡地形条件下硐窟围岩稳定性分析

陡坡地形条件下硐窟围岩稳定性分析

不规则硐窟横切面结构特征分析

计算模型及参数设置

圆形横切面硐窟结构特征分析

椭圆形横切面硐窟结构特征分析

四边形横切面硐窟结构特征分析

计算结果对比分析

小结

长屿硐天AH4-AH9硐窟群应力应变特征分析

建模技术难点

建模过程

模型参数设置

硐窟间相互影响分析

应力场相互影响分析

围岩塑性区相互影响分析

位移分析

应力场分析

塑性区分析

小结

不规则硐窟（群）围岩稳定性评价体系探讨

层次分析法

层次分析法的基本步骤

判别矩阵中专家评价值的筛选

分类指标的选取

指标权重的计算

基础指标评价

硐窟稳定性分类评价

实例分析

小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果

附录一 硐窟岩壁编号及调查线路示意图