某大型地下硐室群稳定性分析及加固技术研究

2020-10-26肖益盖刘允秋汪为平王雨波夏才初吕志涛林梓梁1

金属矿山 2020年9期

肖益盖刘允秋汪为平王雨波夏才初徐晨吕志涛林梓梁1

（1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；3.同济大学土木工程学院，上海200092）

近年来，地下空间利用受到了学术界的广泛关注［1-3］，谢和平院士［4-6］指出，随着全球自然灾害频发、全球变暖、环境恶化、城市综合症等问题日益突出，深地空间资源开发与利用已成为人类未来活动的趋势。对于地下空间有效开发利用的前提是确保地下空间工程整体稳定性，由于地下工程服务年限较长，在各种自然环境和人为因素的影响下，岩体结构退化，强度降低，导致地下空间岩体工程失稳损坏。要确保工程的整体安全、稳定，对其进行围岩稳定性分析和加固技术研究很有必要［7-8］。本研究以某大型地下硐室群为例，结合岩体工程地质调查、岩体稳定性分析评价方法对其岩体稳定性进行研究，在此基础上，针对该硐室群岩体特征，对相应的岩体加固技术措施进行讨论。

1 研究背景

1.1 工程概况

某大型地下硐室群地处顺昌仁寿—井垅断裂带与埔上断裂带之间，岩性为加里东期花岗岩类，属典型的风蚀花岗岩地貌。大型硐室群前期均采用人工开挖，中后期辅以爆破的方式进行开挖。硐室群占地约3 000 m2，全长146 m，由前厅、大厅、后通道、念佛堂、闭关洞等相连而成，其中大厅长43 m，宽35 m，平均高度14 m，最高达18 m，大厅中央留有11 m×8 m的擎天柱（图1）。

1.2 硐室群节理裂隙发育特征

1.2.1 硐室群节理调查

为了准确获取大型硐室群岩体的节理产状、规模、密度、形态，本研究采用测线法对硐室群典型地段进行节理精细测量，共完成32条测线，现场测线布置如图2所示。

1.2.2 硐室群节理产状优势分组

为了获得大型硐室群岩体的节理分布规律，对所有测点数据进行整理分析，通过调查共获得834条节理。本研究基于改进的近邻传播算法（AP算法）［9］对节理数据进行划分。该方法克服了传统K均值聚类算法对初始聚类中心敏感且易陷入局部最优的不足，具有更高的鲁棒性与计算效率。

依据AP算法不同分组的Silhouette指标计算结果见表1。由表1可知：当分组数为3时，Silhouette指标最大，因而结构面组数确定为3。采用该方法得到的岩体节理划分结果如表2所示。3组普遍发育的节理产状为J1183°∠72°，J267°∠83°，J3309°∠75°，3组节理平均迹长分别为2.8、3.0、2.2 m。

根据上述调查分析表明：该大型硐室群岩体节理裂隙较发育，但大多数为高倾角节理裂隙，岩体稳定性较好，自然边坡稳定，但局部地段风化作用强烈，岩石破碎。

2 大型硐室群岩体稳定性分析研究

2.1 岩石力学试验

为掌握硐室群岩体物理力学性质，本研究对工程区有代表性的岩石进行取样并进行了力学指标测试。试验按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）进行，结果见表3。

2.2 硐室群岩体稳定性经验评价法

对于地下工程，一般综合采用多种分类方法进行围岩质量评价，以RMR、Q与GSI为代表的岩体分级体系得到学术界的广泛关注。地质强度指标（GSI）分类体系［10-13］由HOEK等在RMR与Q分级的基础上提出，被广泛应用于节理硬岩、软岩及软硬交互岩体中［14-15］。SONMEZ 等［16-17］考虑了基于岩体体积节理数的结构特征等级SR和基于结构面粗糙度、风化程度及充填物情况的结构面表面特征等级SCR确定了节理化岩体的GSI值；CAI等［18］提出了基于块体尺寸Vb和结构面条件因子JC的定量GSI图表方法。目前，基于Q分级的Mathews稳定图表法已经被成功应用于锦州国家战略石油储备大型地下硐室围岩稳定性评价中。为此，本研究将稳定性图表法作为经验方法应用于大型硐室围岩稳定性评价。

注：岩石试样取自硐室内，为风干样。

采用稳定性图表进行评价的两个关键因素是岩体质量级别和硐室暴露面的尺寸（水力半径），硐室群均处于中风化花岗岩岩体内，因此岩体质量级别相同，不同的是硐室暴露面尺寸的差异。由于大厅跨度最大，因此，首先对大厅的顶板及边墙进行稳定性评价，若大厅硐室稳定，则可认为硐室群稳定；若大厅硐室不稳定，则依次对其他硐室进行评价。大厅几何模型如图3所示。硐室长宽均为43 m，中间岩柱长宽均为8 m，硐室高度为18 m。硐室轮廓用A2、B2、…、F2进行了标记，边墙用字母W表示，顶板用字母 R 表示，A2B2为边墙 W1，B2D2为边墙 W2。本研究评价主要针对顶板R1及边墙W1和W2。

对顶板及边墙求得的水力半径HR如表4所示。

稳定性图表法所确定的岩体参数取值如表5所示。

稳定性评价结果表明：硐室大厅各暴露面均为稳定状态，大厅整体稳定。

2.3 大型硐室群稳定性数值模拟分析

2.3.1 三维数值模型构建

通过建立与现场实际情况相符的硐室群模型，对硐室开挖进行模拟，考虑断层影响，本研究采用FLAC3D软件程序建立硐室模型。该大型地下硐室群主要由10个规模较大的硐室及连接它们的通道组成，这些硐室群底板标高为+470～+480 m，顶部标高为+475.0～+496.5 m。其中，断面最大的硐室为大厅，硐室断面最大水平跨度约40 m。整个硐室群平面尺寸约165 m（南北向）×120 m（东西向）。根据硐室群特征及其周边环境，所构建的FLAC3D数值计算模型如图4所示。模型上表面取自地表，下表面标高为+400 m，模型左右边界宽度取为280 m，前后边界宽度取为300 m。模型一共划分为218 682个网格单元和39 855个网格节点。

硐室开挖顺序为前厅→大厅→大悲咒洞→后通道→祖师洞、斗战胜佛洞、千手观音洞等4个小洞→念佛堂→卧佛参观平台→卧佛下通道→卧佛洞→北通道→西通道及禅堂。结合岩石力学试验结果，岩体计算参数取值见表6，断层带的接触面计算参数见表7。本研究数值计算中岩体参数选取参考了《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）中的各级围岩物理力学指标，围岩参数按照II～III级围岩标准取值。

2.3.2 三维数值模拟稳定性分析

2.3.2.1 硐室群整体稳定性分析

硐室群开挖后的地表整体位移分布特征如图5所示。由图5可知：硐室群开挖完成后，地表最大回弹变形值为2 mm，最大沉降值为4 mm，最大水平位移约1.4 mm。断层带附近的沉降变形相对较大，硐口附近围岩发生了较小的回弹变形。在断层破碎带附近，地表在竖直方向上发生了一定的错动变形。总体上，硐室开挖后地表整体变形较小。

硐室群开挖后的地表整体应力分布特征如图6所示。由图6可知：地表的最大主应力及最大剪应力值均很小。地表最大主应力约0.05 MPa，围岩以受压为主，前、后山硐口区域地表围岩应力稍大，部分区域最大压应力超过2 MPa，但远小于我国中风化花岗岩应力σ（MPa）的最大应力极限值，说明硐室开挖对地表应力分布影响较小。

硐室群开挖后的1-1'剖面（图3）后方围岩位移及应力分布特征分别如图7和图8所示。由图7和图8可知：硐室群开挖完成后，围岩向临空面方向发生回弹变形，总体上表现为顶拱下沉变形和底板回弹变形及侧壁内鼓变形；硐室跨度越大，应力重新分布的范围越大。大厅内围岩最大拉应力为0.35 MPa，最大压应力为3 MPa，最大剪应力未超过3 MPa，整个大厅围岩应力均较小，说明整个硐室开挖对大厅的影响较小。前厅围岩较薄弱的部位位于硐顶上方和硐口处，这两处的围岩受拉，但最大拉应力值不高，小于0.12 MPa。在墙角、柱脚等部位有压应力集中，但最大压应力不超过5 MPa。在硐口部位，由于围岩风化程度相对较高，且裂隙较发育，应采取防护措施，防止破碎岩体掉落。

综上所述：硐室开挖后地表整体变形较小，大部分硐室（前厅、大厅、大悲咒洞、祖师洞、斗战胜佛洞、千手观音洞、念佛堂、北通道、西通道及禅堂等硐室）变形也较小，可以满足变形要求，处于稳定状态，但断层破碎带附近（后通道、卧佛洞）围岩稳定性较差，影响窟体的局部稳定性。

2.3.2.2 大厅围岩稳定性分析

由于大厅跨度较大且高度达18 m，是所有硐室中断面最大的一个硐室。因此，有必要针对大厅的稳定性进行精细化计算分析。本研究构建的大厅精细化数值模型上表面取自地表，下表面标高为+400 m，模型东西向边界宽度取为62 m，南北向边界宽度取为36 m，模型一共划分为160 838个网格单元和30 421个网格节点。

硐室开挖后围岩的位移及应力分布如图9和图10所示。从总体上看，硐室变形较小。硐室顶部最大沉降值约3.4 mm，底板最大回弹值为5.2 mm，最大沉降发生在岩柱北侧约8 m处。由于硐室中间的岩柱支撑作用，较好地控制了硐室的竖向位移。硐室开挖后，围岩收敛变形较小，洞壁最大水平位移约0.7 mm。从图10可以看出，在大厅北侧的两个硐口处，围岩剪应力较大，围岩最大剪应力为1.8 MPa，而该处的围岩正应力为0.2 MPa，硐室内部围岩剪应力在1.5 MPa以下，大厅总体稳定性较好。

图11为大厅开挖后围岩塑性区分布情况，可以看出，大厅内围岩处于弹性状态，没有塑性区，因此大厅稳定性较好。

大厅内的4处位移监测线记录的硐室开挖后经数值计算得到的围岩位移分布如图12所示。由图12可知：硐室开挖后，大厅围岩竖向位移较小，硐顶沉降值为1.5～3.5 mm，底板回弹值为3.5～5.5 mm，硐内围岩水平位移较小，为0.2～0.6 mm，在岩柱附近围岩的位移变化幅度较小。可见，该岩柱对控制围岩竖向变形起到了一定的作用。

综合以上数值分析结果可知：大型地下硐室群开挖后，整体硐室群相对较稳定，且大部分硐室（前厅、大厅、大悲咒洞、祖师洞、斗战胜佛洞、千手观音洞、念佛堂、北通道、西通道及禅堂等硐室）的变形较小，可满足围岩稳定性要求。

3 硐室群断层带加固方案

结合硐室群断层分布现状和加固原则，本研究提出了长短锚注锚杆相结合的锚网喷+锚注加固方案，如图13所示。现场调查可知，破碎带已经冒落一定高度，首先将破碎带表面喷射一定厚度的钢纤维混凝土，然后挂上锚网，打入短锚杆固定锚网，而后继续喷射钢纤维混凝土，将塌落部分补齐后，再挂网，随后从破碎带周围稳固岩体打入长锚杆，锚杆要保证伸入到稳固岩体一定长度，最后喷射混凝土，完成加固。由于断层带有渗水，为了防止后期地下水对硐室内雕像的损坏，锚杆采用注浆锚杆，通过锚杆注浆将渗水裂隙封闭。