昆明新机场航站区断层通过区岩基稳定性研究

董建辉，陈春霞

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.四川省地质工程勘察院，四川 成都 610072；3.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610084）

1 研究区环境地质条件

昆明新机场工程区处于云南省境内自西北向东南递降地势的第二大阶梯上，扬子准地台滇东台褶带内的昆明褶束带之中部。区内新构造活动表现强烈，发育有小江断裂、普渡河断裂、白邑—横冲断裂、一朵云—龙潭山断裂、万寿山断裂等第四纪活动断裂和昆明、嵩明、白邑等上新世—第四纪构造盆地。其中F10断裂规模最大，为航站区内影响最大的断裂构造，其余为次级小断层，且变形微弱，距航站区主体部位较远，对航站区影响不大。经野外断裂第四纪活动性调查和实验室测定，以上这些断裂最新活动发生在中—早更新世，也即通过场地的断裂属非全新世活动断层，一般不具备发生强震的构造条件，对工程区不会产生地表位错的破坏。故工程区虽然新构造运动强烈，但场区处于相对稳定地带，场地整体稳定［7～8］。

昆明新机场航站区大部分地区海拔在1500～2800m之间，最高点是北部禄劝县拱王山脉的马鬃岭，海拔4247.7m；最低点是禄劝县则黑乡小河坪子东北1km处普渡河与金沙江交汇点，海拔746m。航站区域场地内分布的岩层主要有下二叠统阳新组栖霞段灰岩(P1y1)、下二叠统倒石头组(P1d)泥岩、中石炭统威宁组(C2w)灰岩、上泥盆统宰格组(D3z)白云岩。

航站区F10断层带内发育了一系列不同规模及性状的结构面，其中F10主错面及其次生的D1、D2错动面为规模相对较大的结构面，控制了断层带岩基的宏观结构，另外航站区F10断层上、下盘发育的一系列优势裂隙也是影响岩基稳定的不利因素。航站区详细工程地质见图1，各结构面力学参数见表1。

(1)F10断层主错面

产状250～285°∠65～75°，结构面起伏呈弯曲状，整体向北东方向偏转。上盘为肉红、土黄色碎粒岩，厚约2m。下盘为花斑状角砾岩，中厚层状结构，强风化，节理裂隙发育，闭合—微闭，角砾质以白云岩为主。

(2)D1错动面

产状为 22°∠61°，局部凹凸不平，充填泥 5～50cm，泥面结合紧密，敲开后为光面，上盘为深灰色碎粒岩，原岩为深灰色白云岩。下盘为花斑状角砾岩。

育苗：选择大果型草莓品种，每畦种1行母株，株距70～80cm，每亩栽1000株。定植成活后喷洒50～100mg/kg赤霉素1次，隔7天再喷1次。

图1 航站区工程地质详细分区图Fig.1 A detailed zoning map of the engineering geology in the terminal area

表1 结构面力学参数取值表Table 1 Mechanical structure parameters

(3)D2错动面

产状为33°∠55°，错动面起伏光滑，强风化，溶蚀严重，可见小溶孔发育，下部可见近水平镜面。

(4)优势结构面

上盘共发育2组优势结构面SJ1和SJ2，其产状为179°∠67°和273°∠54°，它们将岩体分割成菱形碎块。下盘发育优势结构面XJ1，产状为237°∠34°，结构面一般平直粗糙，沿结构面溶蚀严重，强风化，夹泥，张开2～5mm。

2 岩基剪切破坏模式建立

剪切破坏模式是最常见的岩基破坏模式。Landanyi(1972年)曾对脆性无孔隙岩石施加荷载时破坏的过程进行了详细的描述。当达到某一荷载时裂缝开始出现，继续加荷便会使裂缝扩展。随着荷载的加大，岩体开裂成很多片状体和楔形体，并在荷载进一步增加时被压屈和压碎。由于剪胀，使受载面下的开裂破碎岩石向外扩展，最终发展为剪切破坏。

航站区场地地基被F10断层分割成两大部分:受断层影响的地基和未受断层影响的地基。在未受断层影响的范围内，岩基可能的失稳模式即为岩基的整体剪切破坏；在受F10断层影响的范围内，岩基的稳定性主要受到上述各组结构面的控制。由以上航站区各结构面特征描述及分类可知，场区内发育的F10主错面、D1结构面以及D2结构面3个较大的结构面中(图2)，D1、D2错动面为F10主错面的次级错动面，倾向与F10主错面相反，在场地内没有形成影响岩基稳定的不利组合；断层下盘发育的结构面中，XJ1与D1错动面(或D2错动面)倾向相反，构成了影响地基稳定的不利组合。另外，F10断层上盘发育的优势裂隙中，SJ1倾向与F10主错面倾向相反，且SJ1与SJ2又互为共轭节理，故在上部荷载作用下，这两个组合也可能是影响地基稳定的不利因素。

综上，结合本工程的特点，基底荷载值通过设计院提供的设计荷载求得［7］。由于本文针对静载作用下的航站区的(非机场跑道)地基稳定性分析，所以没有考虑飞机起降的冲击荷载。在不考虑水平荷载作用的情况下，岩基可能的剪切破坏模式有以下几种:

图2 沾昆铁路F10断层露头处F10主错面与D1、D2错动面相对位置图Fig.2 Location of the main fault plane of F10 and the dislocation surface of D1 and D2 near the outcrop of F10 along the Zhankun railway

(1)岩基的整体剪切破坏。

(2)岩基沿结构面的剪切破坏。岩基沿结构面的剪切破坏又可以分为:①岩基沿D1错动面(或D2错动面)与XJ1优势结构面组合发生剪切破坏。②岩基沿F10主错面与SJ1结构面组合发生剪切破坏。③岩基沿SJ1与SJ2结构面发生剪切破坏。

3 整体剪切破坏模式分析

航站区地基岩体有不连续、非均质和各向异性等固有特性，呈现的非线性特征可用Hoek-Brown经验强度准则描述。基于Hoek-Brown准则的滑移线理论［9～14］，以水平岩基为特定边界条件，结合航站区各类岩体的力学指标，系统阐述航站区未受断层影响的岩基整体剪切破坏模式下的极限荷载，在此基础上评价其是否有剪切破坏的可能。岩石地基整体剪切破坏模式如图3。在基底压力作用下，主动区对被动区产生挤压，楔形体沿滑移面整体剪切滑动。

由模型假设可知，在滑移线解的计算中忽略了岩体自重以及基础形状等影响因素。对于小基础而言，可忽略岩体自重的影响，但是不同基础形状对岩基的极限承载力有较大的影响。故需对以上计算模式进行基础形状的修正。引入Bell解的基础形状修正系数，用下式对岩基整体剪切破坏模式下的极限承载力进行修正:

图3 岩基整体剪切破坏示意图Fig.3 Schematic diagram showing the rock shear destruction

式中:Cf1——基础形状修正系数。

修正后岩基整体剪切破坏模式下的极限承载力见表2。

表2 未受断层影响下岩基容许承载力Table 2 Rock foundation bearing capacity without the influence of the fault

由以上计算结果可以看出，在不同基础埋深条件下，航站区内未受断层影响的岩基整体剪切破坏模式下的地基承载力完全能够满足工程荷载作用下构筑物的正常使用极限状态，也即，航站区未受F10断层影响的各类岩基在上部荷载作用下，均处于稳定状态，不会发生整体剪切破坏。

4 沿结构面剪切破坏模式分析

与上述岩基整体剪切破坏模式相同，在上部荷载作用下，基底压力达到极限时，岩基发生剪切破坏。根据土力学理论，破裂面与水平面夹角为δ=(45+φ/2)°。但是，岩基中结构面的存在，导致了岩体各向异性的特点。此时，沿结构面产生剪切破坏时，岩体剪切强度最小，为结构面的抗剪断强度。故对岩体内存在结构面的岩基，在上部荷载作用下，基底岩体剪切破坏时的滑动面一般为岩体内的结构面，同时，破裂角也为各结构面的倾角。在上部荷载作用下，岩基中两个滑动面上的剪应力同时达到其抗剪强度，地基岩体处于极限平衡状态，此时可将地基下岩体划分为主动区和被动区进行极限平衡分析。

岩石地基在桩基础荷载作用下，图4中2个滑动面上的剪应力同时达到其抗剪强度，地基岩体处于极限平衡状态，此时作用的荷载即为极限荷载。可将地基下岩体划分为主动区Y和被动区X进行极限平衡分析，对于主动区Y，其最大主应力为岩基发生剪切破坏时的极限荷载，最小主应力为水平方向由被动区X所提供的约束力。对于被动区X，其最大主应力为水平方向由主动区Y所提供的推力。

图4 岩基沿结构面剪切破坏示意图Fig.4 Shear failure diagram of rock along the structure plane

据《地基基础设计规范》［15］，地基稳定性计算要满足R≥1.2T，求得岩基在沿各结构面组合下发生剪切破坏时的极限荷载(对于第①组，由于D1为软弱结构面，相对于D2来说，其抗剪强度较低，故此处只分析D1与优势结构面的不利组合)，具体见表3。

表3 岩基沿结构面发生剪切破坏时的极限荷载(安全系数为1.2)Table 3 Ultimate load of shear failure of rock structure along the surface(The safety coefficient is 1.2)

由表3可以看出:在安全系数取1.2情况下，第①组为最不利组合，岩基沿该组合发生剪切破坏时的极限荷载最小，为8516kPa，沿其它结构面组合发生剪切破坏时的极限荷载均大于第①组，且均大于工程荷载8000kPa，表明在上部荷载作用下，岩基不会沿这些结构面组合发生剪切破坏。同未受结构面控制岩基的整体剪切破坏模式相比可知，航站区断层内带的岩体由于受构造作用，形成了大量的结构面，使得断层带中岩基的力学性能有所降低，但结构面的发育还没有起到控制性的作用，不会对岩基的稳定性构成影响。

5 结论

(1)航站区整个场地处于相对稳定的地块上，其稳定性不会受到周边活动断层的影响。对整个场地地基稳定影响最大的就是横穿场区的F10断层及其次生的小型错动带和节理、裂隙。总体来看，F10断层将整个场区地基分成两大部分:受断层影响的地基和未受断层影响的地基。

(2)对于未受断层影响的地基，可能的失稳模式即地基的整体剪切破坏。通过Hoek-Brown滑移线理论分析了未受断层影响的各类岩基的在整体剪切破坏模式下的稳定性，结果表明:未受断层影响的各类岩基在上部荷载作用下，均处于稳定状态，不会发生剪切失稳破坏。

(3)在F10断层影响范围内，岩基的破坏主要受到各类结构面的控制，通过地质分析，建立可能的剪切破坏模式。基于刚体极限平衡理论求得岩基在各类结构面组合下，均不会产生沿结构面的剪切破坏，说明在工程荷载作用下，航站区内受断层影响的岩基均处于稳定状态，岩体中发育的结构面不会对航站区地基稳定性构成影响。

［1］刘之葵，粱金城，朱寿增，等.岩溶区含溶洞岩石地基稳定性分析［J］.岩土工程学报，2003，25(5):629 －634.［LIU Z K，LIANG J C，ZHU S Z，et al.Stability Analysis of Rock Foundation with Cave in Karst Area［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003， 25(5):629 － 634.(in Chinese)］

［2］刘之葵，粱金城，朱寿增，等.岩溶区土洞地基稳定性分析［J］.水文地质工程地质，2003，30(3):24－28.［LIU Z K，LIANG J C，ZHU S Z，et al.Stability Analysis of Soil Cave Foundation in Karst Area［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2003，30(3):24 －28.(in Chinese)］

［3］邱向荣.岩溶塌陷稳定性的灰色模型综合评判［J］.水文地质工程地质，2004，31(4):58 － 61.［QIU X R.Grey Fuzzy Synthetic Assessment for Stability of Karst Collapse［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2004，31(4):58 － 61.(in Chinese)］

［4］丁春林，甘百先，钟辉红，等.含土洞、溶洞的机场滑行道路稳定性评估［J］.石力学与工程学报，2003，22(8):1329 － 1333.［DING C L，GAN B X，ZHONG H H，et al.Stability evaluation of airfield runway subgrade containing earth caves and karst［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8):1329 －1333.(in Chinese)］

［5］周建普，李献民.岩溶地基稳定性分析评价方法［J］.矿冶工程，2003，23(1):47 － 51.［ZHOU J P，LI X M.Methods of Stability Anallsis in Karst Foundation ［J］. Mining and Metallurgical Engineering，2003，23(1):47 －51.(in Chinese)］

［6］杜蜀宾，谢春庆.西南地区机场中的重大工程地质问题研究［J］.西安科技学院学报，2004，24(1):76－79.［DU S B，XIE C Q.Major Engineering Geological Problem in Airport of Southwest China［J］.Journal of Xi'an University of Science and technology，2004，24(1):76 －79.(in Chinese)］

［7］王亨林，张洪.昆明新机场航站楼前区岩土工程详细勘察报告(阶段性成果报告)［R］.成都:中国建筑西南勘察设计研究院，2007.［WANG H L，ZHANG H.Kunming new airport terminal before the geotechnical investigation report(Initial results report)［R］.Chengdu:Southwestern Architectural design lnstitutes Co.Ltd，2007.(in Chinese)］

［8］李树德.活动断层研究［J］.水文地质工程地质，1995，22(5):33 － 35.［LI S D.Active Fault Research［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，1995，22(5):33 －35.(in Chinese)］

［9］宋建波，张倬元，于远忠，等.岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用［M］.北京:地质出版社，2002.［SONG J B，ZHANG Z Y，YU Y Z，et al.BROWN strength criterion and its application in geologicalengineering［M］.Beijing:Geological Publishing House，2002.(in Chinese)］

［10］宋建波，于远忠，张倬元.基于Hoek-Brown经验强度的滑移线理论体系［J］.西南工学院学报，2001，16(2):40－45.［SONG J B，YU Y Z，ZHANG Z Y.Characteristic Theory Based on Hoek-Brown Strength Criterion［J］.Journal of Southwest Institute of Tehchnology，2001，16(2):40 －45.(in Chinese)］

［11］宋建波，于远忠，张誉.Hoek-Brown准则求解均质岩基极限承载力的滑移线法［J］.西南工学院学报，2001，16(3):27 － 30.［SONG J B，YU Y Z，ZHANG Y.Characteristic Method Determining Ultimate Bearing Capacity of Isotropic Rock Foundation with Hoek-Brown Strength Criterion［J］.Journal of Southwest Institute of Tehchnology，2001，16(3):27 －30.(in Chinese)］

［12］宋建波，于远忠.剪切破坏模式下确定均质岩基极限承载力的两种方法［J］.工程地质学报，2001，9(3):317－320.［SONG J B，YU Y Z.Two Methods for Determining Ultimate Bearing Capacity of Isotropic Rock Foundation under Shear Failure Model［J］.Journal of Engineering Geology，2001，9(3):317 －320.(in Chinese)］

［13］宋建波，于远忠.岩体经验强度准则及其强度参数m，s的确定方法［J］.西南工学院学报，2001，16(1):26 － 29.［SONG J B，YU Y Z.Hoek-Brown Strength Criterion and Method Determining Parameters Mands［J］.Journal of Southwest Institute of Tehchnology，2001，16(1):26 －29.(in Chinese)］

［14］宋建波，彭盛恩.岩基破坏模式的划分及其极限承载力的确定方法［J］.四川建筑科学研究，2001，27(4):49 － 52.［SONG J B，PENG S E.Methods Classifying Failure Models and Determining Ultimate Bearing Capacity of Rock Foundation［J］.Building Science Research of Sichuan，2001，27(4):49 －52.(in Chinese)］

［15］GB50007—2002地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工程出版社，2002.［GB50007—2002 Foundation Design Code［S］.Beijing:China State Construction Engineering Publishing House，2002.(in Chinese)］