溫州市地下糧庫圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì),浙江溫州 325006)

溫州市地下糧庫圍巖穩(wěn)定性影響因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì),浙江溫州 325006)

根據(jù)溫州市地下糧庫主通道開挖情況,從圍巖的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和施工等方面對(duì)影響溫州市地下糧庫主通道圍巖穩(wěn)定性因素進(jìn)行了分析和討論,并從工程布置、硐室設(shè)計(jì)及施工等方面提出了科學(xué)合理的減緩措施和建議,對(duì)溫州市地下糧庫的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

糧庫主通道;圍巖穩(wěn)定性;影響因素

1 前言

圍巖穩(wěn)定性是指地下洞室開挖后在無支護(hù)條件下圍巖的自穩(wěn)能力,主要體現(xiàn)在圍巖的變形和破壞兩個(gè)方面。地下洞室圍巖的穩(wěn)定性主要與巖石的性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地下水、巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造等自然因素有關(guān)[1],并且還與開挖方式及支護(hù)的形式和時(shí)間等因素有關(guān)。這些主要因素中同時(shí)包括很多次一級(jí)、甚至多級(jí)的子因素。根據(jù)溫州市地下糧庫主通道開挖情況,對(duì)其圍巖穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析,為溫州市地下糧庫的下一步建設(shè)和布置提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2 工程概況

溫州市地下糧庫位于溫州市龍灣區(qū)瑤溪鎮(zhèn)底嶺下,地層巖性為下白堊統(tǒng)小平田組(K1x)凝灰?guī)r,局部地段嚴(yán)重高嶺土化,其成因復(fù)雜,發(fā)育的規(guī)律性差。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為斷層,共發(fā)育 6條斷層;圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,局部夾泥,產(chǎn)狀為:176～185∠56～88,200～230∠64～86,300～330∠65～86。地下水類型以基巖裂隙水為主,局部較發(fā)育。溫州市地下糧庫設(shè)計(jì)總倉容量為5萬噸。原設(shè)計(jì)是在溫州市糧庫后門設(shè)計(jì)一條近東西走向的主通道,高40m,直徑為 15m,間距為35m的立筒倉布置在主通道的兩側(cè)。在主通道開挖過程中,發(fā)現(xiàn)局部洞室圍巖穩(wěn)定性較差,工程地質(zhì)條件無法滿足立筒倉的建設(shè)要求,經(jīng)過多方面論證后,決定將立筒倉改為寬 12m,高 12m,長分別為 25m、50m、100m的條形倉。主通道圍巖等級(jí)以Ⅲ級(jí)為主,局部為Ⅱ級(jí),受斷層破碎帶或節(jié)理密集區(qū)的影響,圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí),高嶺土化嚴(yán)重地段,圍巖等級(jí)可達(dá)Ⅴ級(jí)。其主要失穩(wěn)形式為掉塊、片幫、冒頂及塌方。

3 穩(wěn)定性影響因素

地下糧庫主通道施工過程中曾多次發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,造成地下糧庫圍巖失穩(wěn)的主要因素為圍巖的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和施工。

3.1 圍巖性質(zhì)

地下糧庫所在區(qū)域地層巖性為下白堊統(tǒng)小平田組(K1x)凝灰?guī)r,巖體呈塊狀、鑲嵌、碎裂狀結(jié)構(gòu),強(qiáng)度大,圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí),屬脆性圍巖,圍巖的穩(wěn)定性總體上較好。巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面巖石的強(qiáng)度,圍巖的穩(wěn)定性主要取決于巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面。當(dāng)巖體軟硬相間時(shí),圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。軟巖層強(qiáng)度低,常因?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)成為軟弱圍巖而對(duì)圍巖的穩(wěn)定性不利,發(fā)生片幫、冒頂?shù)炔环€(wěn)定現(xiàn)象。地下糧庫所在區(qū)域高嶺土化發(fā)育,成因與熱動(dòng)力因素、構(gòu)造、巖性、風(fēng)化因素等有關(guān),分布規(guī)律性差,具有不確定性。圍巖高嶺土化后具有風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易軟化、崩解等不良性質(zhì),屬塑性圍巖,對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要取決于它的性狀和分布。當(dāng)高嶺土化嚴(yán)重時(shí),圍巖等級(jí)可降低至Ⅴ級(jí),對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定最為不利。主通道 K A0+292～KA0+392段圍巖嚴(yán)重高嶺土化,洞室圍巖的穩(wěn)定性較差,掘進(jìn)困難,易發(fā)生大規(guī)模塌方,需要采取架棚等加固措施。

3.2 圍巖的結(jié)構(gòu)面

巖石強(qiáng)度大大超過圍巖承受的應(yīng)力時(shí),圍巖的變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面(尤其軟弱結(jié)構(gòu)面)的發(fā)育、分布、空間組合以及洞室軸線方位的控制[2]。

圖 1 不穩(wěn)定塊體的破壞形式

結(jié)構(gòu)面控制型圍巖的變形破壞在塊狀和層狀的硬質(zhì)巖體主要表現(xiàn)為不穩(wěn)定塊體的直接塌落和滑移(圖 1),在碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體中變形破壞的主要方式是松弛、松脫乃至崩潰[3]。當(dāng)結(jié)構(gòu)面與洞室軸線構(gòu)成不利組合,或出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí),易形成墜落的分離巖塊。特別是當(dāng)分離體的尺寸小于洞室跨徑時(shí),就有可能向洞內(nèi)產(chǎn)生滑移,造成局部失穩(wěn)。地下糧庫的圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,大致有三組:1、近東西走向 (與主硐同走向),產(chǎn)狀 176～185∠56～88,2、北西走向,產(chǎn)狀 200～230∠64～86,3、北東走向,產(chǎn)狀 300～330∠65～86。近東西走向節(jié)理裂隙面與主通道同走向,結(jié)構(gòu)面與洞室軸線構(gòu)成不利組合。在主通道施工過程中,經(jīng)常因該結(jié)構(gòu)面的存在而發(fā)生冒頂、片幫事故;當(dāng)遇上節(jié)理密集發(fā)育時(shí),易發(fā)生巖石的掉塊、片幫事故;當(dāng)結(jié)構(gòu)面存在黃泥夾層時(shí),易發(fā)生片幫、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞了巖層的完整性,降低了巖體的力學(xué)強(qiáng)度。一般來說,巖體經(jīng)受構(gòu)造變動(dòng)的次數(shù)愈多,愈強(qiáng)烈,巖層的節(jié)理裂隙就愈發(fā)育,巖體的穩(wěn)定性也就愈差[4]。當(dāng)斷層的走向與洞室中線垂直或者大角度相交,則圍巖自穩(wěn)能力相對(duì)較強(qiáng),若小角度相交甚至與洞室中線平行時(shí),則自穩(wěn)能力相對(duì)較差。此外,斷層破碎帶物質(zhì)的碎塊性質(zhì)及其膠結(jié)情況也都影響圍巖的穩(wěn)定性。

地下糧庫所在區(qū)域無任何褶皺現(xiàn)象,發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造主要為 6條斷層 (節(jié)理密集帶),斷層 (節(jié)理密集帶)及其影響范圍內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎、夾泥,巖石力學(xué)性質(zhì)較差,圍巖級(jí)別多為Ⅳ級(jí),圍巖穩(wěn)定性差,是最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象,同時(shí)也是地下水的最主要發(fā)育場(chǎng)所。當(dāng)?shù)叵露词彝ㄟ^斷層時(shí),易在接觸范圍內(nèi)發(fā)生片幫、冒頂、塌方等不穩(wěn)定現(xiàn)象,對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。

3.4 地下水

地下糧庫所在區(qū)域地下水發(fā)育,且以基巖裂隙水為主。地下水對(duì)圍巖的影響主要表現(xiàn)為溶蝕巖石和結(jié)構(gòu)面中易溶膠物,潛蝕充填物中的細(xì)小顆粒,使巖石軟化、疏松、充填物泥化、強(qiáng)度降低、增加動(dòng)、靜水壓力等,從而降低洞室圍巖的穩(wěn)定性。調(diào)查資料表明,地下水對(duì)不同類別洞室圍巖穩(wěn)定性影響程度存在明顯差異,地下水對(duì)硬巖組成的洞室圍巖穩(wěn)定性影響甚微,可忽略不計(jì);而對(duì)于弱巖,地下水影響較大[3]。主通道開挖結(jié)果表明,地下水對(duì)不同類別洞室圍巖的影響程度存在明顯差異:對(duì)于Ⅱ、III級(jí)圍巖,地下水對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性影響甚微,一般可忽略不計(jì);而對(duì)于Ⅳ級(jí)及其以上的圍巖,特別是斷層破碎帶、嚴(yán)重高嶺土化地段,地下水對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性影響較大,將使圍巖級(jí)別提高 1～2級(jí),使洞室圍巖發(fā)生失穩(wěn)的可能性大大增加。

3.5 施工因素

開挖方法、炸藥用量等施工因素,對(duì)洞室圍巖具有一定的擾動(dòng)或破壞,特別是對(duì)巖體質(zhì)量較差的圍巖影響程度更大。洞室本質(zhì)上是由圍巖構(gòu)成的,圍巖是地下洞室的主要支承結(jié)構(gòu),施工中要盡可能避免對(duì)圍巖過多的擾動(dòng)或破壞,充分保護(hù)圍巖的承載能力。

在地下糧庫主通道施工過程中,采用兩個(gè)施工隊(duì)從兩端對(duì)掘。1號(hào)口施工隊(duì)周邊眼布置少、大藥量裝藥爆破,爆破后洞室不規(guī)則,爆破孔殘留率低,頂板及兩幫存在的活巖較少,利于排險(xiǎn),施工過程中,沒有因圍巖失穩(wěn)而發(fā)生一起安全事故。2號(hào)口施工隊(duì)周邊眼布置密、小藥量裝藥爆破,爆破后洞室規(guī)則,爆破孔殘留率高,但頂板及兩幫巖體局部鑲嵌形成活巖,不利于排險(xiǎn),施工過程中,多次因圍巖失穩(wěn)而發(fā)生安全事故。分析結(jié)果表明:合理布置周邊眼、適當(dāng)控制爆破裝藥量可避免對(duì)圍巖造成過多的擾動(dòng)和破壞,減少對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響;這對(duì)圍巖巖體軟硬相間或?yàn)檐泿r時(shí)的洞室穩(wěn)定性控制極為重要。

4 減緩措施

影響溫州市地下糧庫圍巖穩(wěn)定性的主要因素為圍巖的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和施工。在工程建設(shè)過程中,我們可以針對(duì)這些影響機(jī)理的特性做重點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工,從而得到安全、經(jīng)濟(jì)的工程建設(shè)方案。

首先要合理布置地下洞室,地下糧庫存在的主要不良工程地質(zhì)問題為斷層 (節(jié)理密集區(qū))、高嶺土化。在斷層(節(jié)理密集帶)及其附近,巖體破碎,圍巖穩(wěn)定性差,巖石力學(xué)性質(zhì)差,富水性良好,是地下水的良好通道,對(duì)地下洞室圍巖的穩(wěn)定性有較嚴(yán)重的影響。圍巖嚴(yán)重高嶺土化后具有風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易軟化、崩解等不良性質(zhì),當(dāng)高嶺土化嚴(yán)重時(shí),對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性影響較重,不利于洞室圍巖穩(wěn)定。故工程建設(shè)過程中,應(yīng)盡量將洞室布置在無高嶺土化或高嶺土化輕微的中凝灰?guī)r中,并避開斷層(節(jié)理密集區(qū))。

其次合理布置洞室的走向,使洞室中線與斷層走向及結(jié)構(gòu)面之間的組合更趨于穩(wěn)定,從而增加洞室圍巖穩(wěn)定性,這在斷層(節(jié)理密集區(qū))的情況下十分必要。此外,洞室高度增加時(shí),兩幫移動(dòng)率增加;洞室寬度增加時(shí),除兩幫位移會(huì)增大外,頂板位移也會(huì)增加,隨著兩者的增大圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)惡化,洞室圍巖穩(wěn)定性變差。地下洞室以洞群的形式出現(xiàn),每個(gè)洞室都會(huì)受到相鄰洞室的影響,洞室間距越小,受到的擾動(dòng)就會(huì)越大。開挖后的洞室形狀不同造成洞室的應(yīng)力分布也不同,圍巖穩(wěn)定性不同。在同一圍巖中,拱形洞室圍巖較穩(wěn)定;圓形或橢圓形洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主,對(duì)維持圍巖穩(wěn)定性較好;而矩形或梯形洞室,頂板圍巖將出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,最終可導(dǎo)致巖體呈現(xiàn)張裂破壞趨勢(shì)。因此,在建設(shè)過程中,應(yīng)根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件,選擇合理的洞室高度、寬度、間距、形狀,來增加圍巖穩(wěn)定性。

在施工過程中,要根據(jù)洞室周邊的地質(zhì)環(huán)境條件,選擇合理的開挖開挖方法、炸藥用量,盡可能避免對(duì)圍巖過多的擾動(dòng)或破壞,充分保護(hù)圍巖的承載能力。洞室開挖后,要充分利用圍巖的自穩(wěn)時(shí)間,在圍巖應(yīng)力釋放到較小值或一定限度的松弛變形值,巖體尚能自穩(wěn)時(shí),就適時(shí)施加支護(hù)可以有效地防止洞室坍塌[5],增加洞室穩(wěn)定性。

5 結(jié)論與建議

影響溫州市地下糧庫圍巖穩(wěn)定性的主要因素有圍巖的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和施工。在工程建設(shè)過程中,可以通過以下方法來減少對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。①合理布置地下洞室,盡量將洞室布置在無高嶺土化或高嶺土化輕微的中凝灰?guī)r中,并避開斷層 (節(jié)理密集區(qū));②根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件,選擇合理的洞室高度、寬度、間距及形狀;③要選擇合適的施工及支護(hù)方式。

建議在下一步工程建設(shè)過程中,做好以下幾個(gè)方面的工作。

(1)采用鉆孔、物探、地質(zhì)填圖等手段和方法,查明場(chǎng)區(qū)周邊地質(zhì)環(huán)境條件,特別是圍巖的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的特征及其分布情況。

(2)設(shè)計(jì)前,應(yīng)充分理解地質(zhì)勘察資料;設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)巖土體及地質(zhì)構(gòu)造分布情況,合理布置地下洞室,以避開不利地質(zhì)區(qū)段;并根據(jù)巖體完整性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況及巖體自然應(yīng)力情況,合理選擇洞室洞室高度、寬度、間距、形狀,以增加開挖洞室的穩(wěn)定性,減少工程投資。

(3)在開挖過程中,選擇合理的爆破方案和適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī),以減少圍巖擾動(dòng);同時(shí)做好圍巖巖體中地下水賦存條件與活動(dòng)狀況記錄,為下一步洞室襯砌和儲(chǔ)糧防潮打下良好的基礎(chǔ)。

REFERENCES

[1] 張倬元.工程地質(zhì)分析原理[M].北京,地質(zhì)出版社,1981,15.

[2] 張慶賀.地下工程[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2005,2.

[3] 徐銀燕.隧道工程圍巖穩(wěn)定性影響因素分析與破壞基本判據(jù)[J]安徽建筑.2009,168(5),64-66.

[4] 王洪亮.隧道構(gòu)造裂隙及其影響帶的治理[J].建材技術(shù)與應(yīng)用.2001,02,63-65.

[5] 高新強(qiáng),汪海濱.仇文革引水隧洞塌拱影響因素及其防治措施研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào).2005.

Influencing Factors Analysis on Surrounding Rock Stability ofW enzhou Underground Gra in Storage

Q I N Hai-yan,XU Liang-ming
(The No.11 Geology Team of Zhejiang Province,Wenzhou,Zhejiang 325006,China)

Based on Excavation of the main channel ofWenzhou underground grain storage,the influencing factors of surrounding rock Stability are analyzed and discussed in this article.These factors include surrounding rock properties,structure surface,geological structure,groundwater,construction and so on.Some scientific and reasonable measures and recommendations are also suggested for the engineering layout and design and construction of chambers,which isof important guiding significance for underground grain storage inWenzhou City.

main channel;surrounding rock stability;influencing Factor

book=13,ebook=175

TU926

A

1009-3842(2010)03-0013-03

2010-06-28

秦海燕(1973-),男,廣西桂林人,地質(zhì)工程師,研究方向?yàn)榄h(huán)境地質(zhì),E-mail:429369290@qq.com