考虑地应力环境下的地下空间开发的最大限量

2011-04-14丁满

山西建筑 2011年8期

丁满

地下空间资源的开发和利用在很大程度上化解了人类生存空间危机,城市用地不足、交通拥挤、环境污染、防灾抗毁、空间饱和等难题,从而使人类走可持续发展道路成为可能。

城市地下工程往往建设在市区繁华地段,在其施工、使用过程中,常引起周围地区的位移、变形、沉降和塌陷等地质环境效应,对周围地面建筑物及基础、地下早期构筑物、公用地下管线和各种地下设施以及城市道路的路基、路面等都可能构成不同程度的危害;另一方面,地下空间开发,必然造成城市地质环境的累积损伤,当地下空间开发到一定容量时,地质环境损伤达到一定程度,就会反过来影响地下空间的进一步开发和利用。研究依据城市地质环境条件正确计划城市地下空间的开发容量,从地下空间开发导致地质环境损伤角度出发,建立地下空间容量综合评价体系,具有重大的理论价值和工程意义。本文拟使用地质动力区划的方法对地下开挖的周围岩体的初始应力进行评价,然后再在初始应力的基础上叠加由于地下开挖产生的附加应力,从而建立起在考虑地应力作用下的地下空间开发容量的评价体系。

1 地质动力区划在我国的应用现状

1)北票矿区动力区划[1]。东煤公司鉴于北票矿区煤与瓦斯突出、矿震、岩爆等动力现象频繁,严重威胁安全生产,决定与全苏地质力学研究院合作,对北票矿区进行地球动力区划。区划结果:精确查明了穿过北票矿区的一条正在形成的非连续的北西方向的Ⅰ级断裂(定名为北票断裂),查明了北票矿区其他各级断裂,评价了它们的活动性,划出了北票矿区Ⅳ级,Ⅴ级断块,查明了 7个水平最大主应力超过 60MPa的构造应力区,最大主应力为压应力,方向 N25°E。2)吉林油田地质动力区划。吉林油田地质动力区划,精确确定了油田开采区和探区的活动断裂,查明了岩体断块构造,评价了油层的渗透性和应力状态,合理布设了探区的开采钻井位置,指定了采区中应切缝以增加产量的井位。3)台吉矿地应力对开采沉陷规律的影响研究。对台吉矿进行地质动力区划,获得了台吉矿地应力呈现为东西方向的最大水平压应力为53 500 kPa,观察了水平压应力对开采呈现规律的影响特征:使岩体移动范围扩大、采区底板移动剧烈、发生矿震等。

人类在地表所进行的基本经济活动深入到岩石图的距离已达 10 km～15 km,这必将破坏地球的稳定性,导致地应力重新分布以维持新的平衡,所以地应力分析的地球动力区划法必然有其很大的应用范围。

2 地质动力区划法简介

2.1 地质动力区划法的理论基础

地质动力区划法以地球动力学为理论基础,以地球中的动力现象影响着地壳表面地质构造块的相互作用为前提,以“总体到局部的原则”来查明地壳的地质构造破坏,将其分组,在此基础上查明仍在活动着的现代地质构造,评价其应力状态,并与地下开挖的附加应力场迭加,预报地下开挖活动所在的地质构造断块及其附近岩体应力的时空变化,为地下工程保护提供依据。

2.2 地质构造断块划分

现代地形地貌的形成是由地质构造运动所造成的,风雨侵蚀仍被认为是次要因素,所以用地形地貌勘查分析法进行构造断块的划分,并遵循一定原则,以考虑各种侵蚀的影响。具体划分遵循以下两个原则[2]:

1)断块最高的部分应是被侵蚀作用触动的最少的部分。

2)断块边界以下列标志确定:河谷或坡底的直线地段、连续分布的河谷的膝状弯曲、链状湖泊、构造阶地、等高线轮廓等。

断块划分到Ⅵ级即为矿区范围大小的断块,划分到Ⅴ级即满足本文的要求。各级断块划分需要在相应比例尺地形图上进行,且按相应的高差范围,最小高度差范围由下式确定:

其中,Hmax,Hmin分别为地形图上的最大、最小地形标高。

3 应用地质动力区划法的技术方案及实现的可能性

3.1 技术方案

1)遵循“总体到局部的原则”,利用地貌学知识对各种比例尺地形图、航空摄影照片和地球资源卫星照片,查明地形地貌中隐伏的地壳现代构造断裂;2)以地质、地球物理资料验证已查明的隐伏构造断裂;3)根据地貌学资料确定断块相互动力作用;4)在已确定的断块的相互动力作用的基础上,确定地下工程开挖所在断块的原始应力。

3.2 实现的可能性

1)目前我国已出版 1∶2 500 000,1∶1 000 000,1∶100 000,1∶50 000的比例尺地形图,1∶5 000的地形图各开挖区均具有;2)地应力测量方法和测量仪器已经非常完善,具体方法参照相关文献[3];3)数值模拟方法已经得到很大的发展,如数值计算软件ANSYS,断块构造应力有限元程序(TPS-H软件)或断块构造应力边界元程序(BLOCKS软件)等。

4 应用地质动力区划法对某一开挖地区的具体应用方案

1)根据Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级地形图绘出相应的Ⅳ级,Ⅴ级地形图,及相关的地质地貌学知识[1],完成地质动力区划,在Ⅴ级断块的基础上,建立该地区的地质模型和相应的边界。2)根据这个模型,结合地质、地震等资料,综合分析区域构造应力场特征。3)利用原有的地质资料对开挖地区进行区域地质构造分析,得到该区域内的新构造运动。4)选择合适的地应力测量地点,得到该区的地应力场的相关数据,如最大、最小主应力,方向角和倾角等。5)根据试验确定该区岩体的基本力学参数,如弹性模量E、泊松比μ等。6)在地质构造模型的基础上建立有限元模型,在计算模型图上生成网格划分图,用有限元程序计算得到开挖地区的最大、最小主应力和剪应力等值线图。7)根据应力进行构造应力区划,进行相应的动力现象预测。