黑洞大型古地下洞室群工程地質(zhì)條件及巖體穩(wěn)定性分析

尚彥軍, 楊志法, 李麗慧, 李天斌, 何萬通

1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059

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黑洞大型古地下洞室群工程地質(zhì)條件及巖體穩(wěn)定性分析

尚彥軍1, 楊志法1, 李麗慧1, 李天斌2, 何萬通1

1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059

位于浙江天臺(tái)縣蟹山山體內(nèi)的黑洞洞室群，以其優(yōu)越的工程地質(zhì)條件和完整的巖體結(jié)構(gòu)，自隋朝以來成為大型古地下采石場(chǎng)。洞室群包括總面積達(dá)24 000 m2的21個(gè)洞室，其長(zhǎng)軸方向基本沿兩組主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向展布。研究顯示：總體采石層系上白堊統(tǒng)塘上組(K2t)第6層灰白色含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r；巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值計(jì)算結(jié)果為53(I級(jí))。按現(xiàn)代地下洞室設(shè)計(jì)理念，其長(zhǎng)期穩(wěn)定最大跨度應(yīng)不大于50 m，但實(shí)際上5號(hào)洞最大跨度達(dá)81 m，可望成為地下人工巖石單洞跨度之最。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，古人在蟹山山腳殘留多處地質(zhì)探洞。古代工匠在洞室開挖過程中遇到斷層破碎帶時(shí)，采用了近垂直、小斷面、高臺(tái)階穿越技術(shù)方法，有效保證了不良地質(zhì)體中無支護(hù)開采的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,這對(duì)現(xiàn)代地下工程具有借鑒和工程類比意義。

黑洞；大型古地下采石場(chǎng)；斷層泥；巖體質(zhì)量；長(zhǎng)期穩(wěn)定

0 引言

洞室施工安全和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是地下工程研究和設(shè)計(jì)中的主要問題，無支護(hù)、大跨度洞室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定更成為關(guān)注重點(diǎn)。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段比選入口位置和洞線展布方向具有更重要的戰(zhàn)略意義。值得注意的是，這些困擾現(xiàn)代地下工程研究和設(shè)計(jì)者的理論和實(shí)踐難題[1]，可從天臺(tái)黑洞大型古地下采石場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的現(xiàn)狀中找到一些答案。

黑洞大型古地下洞室群位于浙江天臺(tái)縣城西、始豐溪南岸的蟹山山體內(nèi)(圖1)。該山體走向47°，長(zhǎng)650 m、寬300 m，相對(duì)高度50 m(黃海高程70～120 m，地理坐標(biāo)北緯29°07′20″，東經(jīng)120°57′30″)。在長(zhǎng)375 m、寬163 m的范圍內(nèi)該洞室群由21個(gè)主洞和42個(gè)支洞組成，總面積達(dá)24 000 m2。蟹山北面和東面山腳可見大的洞口5個(gè)。這一古洞室群始建于1 413年前的隋代。其中5號(hào)洞的跨度達(dá)81 m，很可能是世界上跨度最大的人工洞室。

1 地理和地質(zhì)條件

1.1 地理特征

研究區(qū)位于天臺(tái)盆地西部中低山區(qū)，海拔高度多為500～800 m。中低山區(qū)與盆地之間為海拔350～400 m的低山丘陵。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)型氣候，濕潤(rùn)多雨，年均溫度15～18 ℃,年均降水量1 400 mm,且集中在5——6月梅雨季節(jié)[2]。

黑洞位于始豐溪南岸山頭裘村和巖庵村南的蟹山內(nèi)，天臺(tái)縣城關(guān)S60°W方向，直線距離約5 km。蟹山正北約800 m的始豐溪自西向東流向天臺(tái)盆地。黑洞一帶白堊系凝灰?guī)r具有很高的建筑價(jià)值，自古以來一直被用作石料開采。大概考慮到該處位于下部的灰白色巖層的質(zhì)量?jī)?yōu)于上部的淡紫色巖層(前者的價(jià)格也高于后者)，黑洞一帶以地下開采為主。經(jīng)長(zhǎng)期開采，逐步形成了一個(gè)由幾十個(gè)大小不一的洞體組成的大型古地下洞室群，整個(gè)山體里面洞深大且很黑，故被當(dāng)?shù)厝朔Q為黑洞。

1.2 開發(fā)利用情況

洞口外半山坡上建有慈恩寺，有專人負(fù)責(zé)保護(hù)和發(fā)展設(shè)計(jì)。目前黑洞仍處于待開發(fā)階段，未做大規(guī)模開發(fā)和旅游，洞口外廣場(chǎng)在建寺門和樓房(圖2)。

底圖據(jù)Google Earth 2009。圖1 黑洞古地下采石場(chǎng)洞室群位置圖Fig.1 Location of the Heidong quarry at southwest of Tiantai County town

拍攝日期2011-03-04，鏡頭方向SW。圖2 黑洞慈恩寺建筑和1號(hào)洞口Fig.2 Ci’en temple and the entrance to cave No.1 of Heidong quarry

1.3 地質(zhì)條件

1.3.1 地層巖性

1.全新統(tǒng)沖積層；2.中——上更新統(tǒng)沖積-洪積層；3.中——上新統(tǒng)嵊縣組；4.上白堊統(tǒng)賴家組；5.上白堊統(tǒng)塘上組；6.下白堊統(tǒng)朝川組；7.下白堊統(tǒng)館頭組；8.上侏羅統(tǒng)d段；9.上侏羅統(tǒng)c段第二亞段；10.上侏羅統(tǒng)c段第一亞段；11.上侏羅統(tǒng)b段；12.上侏羅統(tǒng)a段；13.早白堊世安山玢巖；14.燕山晚期第三次侵入巖鉀長(zhǎng)花崗巖；15.燕山晚期第二次侵入巖鉀長(zhǎng)花崗巖；16.中性、酸性、石英脈；17.斷裂；18.燕山晚期火山穹窿構(gòu)造；19.流面和地層傾向；20.山峰和河流；21.村鎮(zhèn)。據(jù)文獻(xiàn)[2-3]修編。圖3 天臺(tái)地區(qū)黑洞地質(zhì)圖Fig.3 Geologic map of the area nearby Heidong quarry

黑洞處于華南地層區(qū)，地層為上白堊統(tǒng)塘上組(K2t)的一套紫灰色、黃綠帶褐色塊狀流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r,玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r,流紋巖夾沉凝灰?guī)r，紫紅色凝灰質(zhì)粉砂巖和砂礫巖，厚250～2 600 m(地層剖面位置見圖3中水南——塘上——大坪頭、鼻下許——石獅山虛連線)。K2t以火山碎屑巖的中酸性(英安質(zhì)晶屑玻屑)熔結(jié)凝灰?guī)r為主，屬噴發(fā)相的爆發(fā)亞相，位于黃坦洋——南屏火山穹窿構(gòu)造的北部。燕山晚期第二次侵入巖中性巖體為山頭鄭角閃石英閃長(zhǎng)巖體，出露面積7.8 km2。燕山晚期第三次侵入巖體為黃坦洋石英二長(zhǎng)巖體，出露面積13.6 km2，黑云母K-Ar測(cè)年結(jié)果為85.7 Ma[2,4]。黑洞古地下采石場(chǎng)所在的地層為K2t第8——6層。從上至下依次為灰紫色塊狀流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r(第8層)、紫紅色塊狀凝灰質(zhì)礫巖(第7層)和灰白色塊狀流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r(第6層)。在最大跨度5號(hào)洞室測(cè)得第7層產(chǎn)狀為10°N～24°W, ∠15°～28°。第6層灰白色塊狀流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r為人工采石對(duì)象(表1)。

在天臺(tái)北6.8 km塔頭寺保存完好的唐碑碑體上發(fā)現(xiàn)了3條淺黃色條帶，這一特殊結(jié)構(gòu)在黑洞大型古地下采石場(chǎng)1、3、5——7號(hào)等洞的圍巖中都有(圖4a，b)。對(duì)取自黑洞中的淺黃色條帶樣鏡下鑒定表明，它是一種呈脈狀分布的具有細(xì)晶結(jié)構(gòu)的鈉長(zhǎng)石、黑云母和方解石的集合體(圖4c)。塔頭寺唐碑石材、山頭裘村家譜、天臺(tái)縣城北的隋代國(guó)清寺石材等證據(jù)顯示，黑洞采石開始于距今約1 400年的隋代，至建國(guó)初期還有零星采石，黑洞南東約2 km為現(xiàn)在的露天采石場(chǎng)(圖1)。

1.3.2 地質(zhì)構(gòu)造

黑洞所在的蟹山處于華南褶皺系的浙東南褶皺帶之麗水——寧波隆起中的新昌——定海斷隆四級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)，其中分布著晚燕山期陸緣活化階段形成的凝灰?guī)r和火山角礫巖[4]。本區(qū)以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造不發(fā)育,以燕山早期以來NNE向新華夏系構(gòu)造最為發(fā)育，為主要構(gòu)造格架，壓性結(jié)構(gòu)面為主。

從區(qū)域構(gòu)造上看，長(zhǎng)約250 km形成于燕山早期的衢州——天臺(tái)大斷裂(走向?yàn)镹EE——EW)，從天臺(tái)縣城南12 km穿過。此外還有形成于燕山期NE和NW走向的斷裂，控制了天臺(tái)斷陷盆地的形成。衢州——天臺(tái)大斷裂切過白堊系，蟹山的斷層、節(jié)理區(qū)域上主要受其影響。黑洞古洞室群分布區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂和節(jié)理為主。在2號(hào)洞南墻中找到了一條產(chǎn)狀為200°∠65°的斷層F1(圖5)，夾泥層厚達(dá)0.3～0.4 m。另外，筆者在現(xiàn)場(chǎng)還測(cè)到85組節(jié)理和斷層組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀(圖6)。結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖(圖6a)顯示有兩組主要結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別約為N7°E,∠89°和N82°W,∠50°。同時(shí)傾角分布直方圖(圖6b)顯示大部分傾角在50°以上，以80°～90°居多。

上述塘上組第6層屬巨厚層(可見厚度5.0～10.0 m)，節(jié)理裂隙相對(duì)不發(fā)育，巖體較為完整，僅為微風(fēng)化，因其圍巖的工程地質(zhì)條件最好，故成為主要的開采對(duì)象；第7層層厚僅為0.3～1.0 m，水平結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體軟弱破碎，屬于中風(fēng)化，其工程地質(zhì)條件最差；第8層也屬于巨厚層(可見厚度5.0～8.0 m)，但其地表部分為強(qiáng)風(fēng)化，其他部分則為中風(fēng)化、較完整，其工程地質(zhì)條件中等。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地層產(chǎn)狀傾角小而有一定變化，在2號(hào)和21號(hào)洞室測(cè)得緩傾地層產(chǎn)狀分別為340°∠24°和330°∠20°，即總體傾向NNW，傾角20°左右。

表1 黑洞采石場(chǎng)K2t三個(gè)巖石層位特征對(duì)比

a. 在6、7號(hào)洞交界處發(fā)現(xiàn)的淺黃色條帶；b. 在黑洞古地下采石場(chǎng)5號(hào)洞后端墻上發(fā)現(xiàn)淺黃色條帶；c. 黃色條帶放大后顯示為呈脈狀的具細(xì)晶結(jié)構(gòu)鈉長(zhǎng)石、黑云母和方解石集合體。圖4 黑洞古地下采石場(chǎng)凝灰?guī)r中淺黃色條帶現(xiàn)場(chǎng)和鏡下特征Fig.4 Features of slight yellow belts appeared in tuffs at the Heidong quarry

圖5 黑洞地下洞室群平面分布圖Fig.5 Distribution of caverns at the Heidong quarry

a. 結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖；b. 結(jié)構(gòu)面傾角分布頻數(shù)直方圖。圖6 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布圖Fig.6 Charts of discontinuities in tuffs of the Heidong quarry

1.3.3 區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定性

天臺(tái)縣抗震設(shè)防烈度不大于6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值不大于0.05g。工程地質(zhì)分區(qū)上屬于華南丘陵山地及平原區(qū)之淮陽山地——東南丘陵低山亞區(qū)(II3)，區(qū)域地殼穩(wěn)定性分級(jí)為穩(wěn)定區(qū)I類[5]。

2 巖體結(jié)構(gòu)和巖體質(zhì)量

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6]，黑洞古地下采石場(chǎng)質(zhì)量最好的圍巖(第6層)可定為II類圍巖。按該規(guī)范對(duì)II類圍巖“毛洞穩(wěn)定情況”描述:“毛洞跨度5～10 m時(shí)，圍巖能較長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)月至數(shù)年)維持穩(wěn)定，僅出現(xiàn)局部小塊掉落”。 大量工程實(shí)踐和理論研究[7-8]表明，地下工程跨度越大、建設(shè)難度越大，其建設(shè)水平要求也越高?；蛘哒f，地下工程跨度是反映建設(shè)難度和水平的一個(gè)綜合指標(biāo)?，F(xiàn)代意義上的最大跨度地下洞室當(dāng)屬挪威冬奧會(huì)地下冰球場(chǎng)(跨度達(dá)62 m)[9]。

在黑洞古洞室群的21個(gè)洞室中5號(hào)、1號(hào)、2號(hào)和9號(hào)洞(位置見圖5)卻具有不同答案和特色。例如,作為5號(hào)洞的毛洞跨度已是上述規(guī)范中洞跨的8倍，而穩(wěn)定則長(zhǎng)達(dá)1 400多年，遠(yuǎn)超國(guó)家規(guī)范中的“數(shù)年”。這說明現(xiàn)代圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)與黑洞古工程的真實(shí)情況之間存在巨大差異。對(duì)這種差異的研究，可望促進(jìn)工程地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)的理論認(rèn)識(shí)。

表2給出了現(xiàn)場(chǎng)采集的巖樣力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果平均值。按照巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值計(jì)算公式[10]，第6層整體狀凝灰?guī)r的Q值計(jì)算結(jié)果為53，按照圍巖分類屬于I級(jí)。Q值計(jì)算公式為

式中：RQD為迪爾的巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja為節(jié)理蝕變影響系數(shù)；Jw為水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

這里Q值僅代表著地質(zhì)條件最優(yōu)越的第6層。如果將其上的第7和第8層一起考慮進(jìn)去，則Q值將會(huì)降低(大致等于10～50，即II——I級(jí))。

據(jù)文獻(xiàn)[10]可知, 無支護(hù)跨度或洞高與ESR之比(ESR為開挖支護(hù)比)約為10。對(duì)臨時(shí)和永久礦山巷道，ESR分別為3.0～5.0和1.6。由此可得相應(yīng)跨度分別為30～50 m和16 m。這樣看來，即使是計(jì)算最大巷道的跨度為50 m，仍小于黑洞5號(hào)洞81 m的實(shí)際跨度[11]。

3 圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性

古人采用開挖探洞比較地質(zhì)條件優(yōu)劣后選擇入洞口、大角度垂直和小斷面穿越斷層破碎帶、手工裂石采石刻鑿、拱腳堆放棄碴等技術(shù)方法，有效保證了黑洞大型古地下采石洞室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.1 蟹山腳多處地質(zhì)探洞

在蟹山四周山腳不同部位發(fā)現(xiàn)了一些殘留的小規(guī)模采石坑和入洞口，尤以面向始豐溪便于石材上船水運(yùn)的北坡腳數(shù)量最多。古人在穿過風(fēng)化破碎帶之后發(fā)現(xiàn)巖體條件仍不好，就主動(dòng)放棄而改采他處。在現(xiàn)在的古洞室群1號(hào)洞兩側(cè)留下了一些小探洞口和探坑(圖7)。

3.2 大角度小斷面穿越斷層破碎帶

在采掘過程中，古人觀察到了一些不利結(jié)構(gòu)面，尤其是規(guī)模較大的斷層時(shí)，采用了垂直橫穿斷層和洞徑變小的思路和方法。

從工程地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)看，采石場(chǎng)中的斷層F1對(duì)2號(hào)洞南邊墻，乃至于2號(hào)洞的穩(wěn)定性都有較大影響。根據(jù)調(diào)查也許可以作出如下猜想：當(dāng)古代工匠在支洞2-1的A和支洞2-2的B點(diǎn)(圖5)發(fā)現(xiàn)斷層F1后，似已意識(shí)到斷層對(duì)洞室及采石安全的嚴(yán)重影響。于是他們采取了以下兩方面措施：第一，在A和B點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了斷層F1出露，之后就改變了采石方向，即不再繼續(xù)向南采下去，而是向南縮小采石空間，以減小F1的出露面積；第二，在F1出露點(diǎn)A和B附近采用了一種沿著南邊墻設(shè)有多個(gè)小洞的方法(圖8)。這樣可以較有效地解決因F1的出現(xiàn)而造成多采石與安全采石之間的矛盾。當(dāng)然如果發(fā)現(xiàn)前方地質(zhì)情況很差或者存在很大的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，古人也會(huì)主動(dòng)放棄而改變開采方向和部位。

從現(xiàn)場(chǎng)采集的斷層泥樣品看，其軟塑性特征明顯，塊體呈現(xiàn)表面光亮的透鏡狀。室內(nèi)分析測(cè)試結(jié)果表明:斷層泥HD15-3的塑性指數(shù)IP=11.94,屬于亞黏土；液性指數(shù)IL<0，屬于堅(jiān)硬土。X射線衍射分析(XRD)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其礦物成分以伊利石為主，有少量蒙脫石(圖9a)。從干燥飽和吸水率結(jié)果看，屬于弱膨脹范疇(20%～50%)[12]， 其中斷層泥膨脹性相對(duì)高些(表3)。 而樣品HD15-4 礦物成分以伊利石為主(圖9b)，屬微膨脹(表3)。電子掃描電鏡(SEM)圖像(圖10)顯示，樣品HD15-3許多顆粒邊緣出現(xiàn)蒙脫石特有的卷曲和渦旋狀外貌，而HD15-4中的伊利石多呈現(xiàn)出帶有尖角的片狀。這說明了兩者的結(jié)構(gòu)和礦物成分存在一定差別，在電子顯微鏡同樣放大倍數(shù)下，兩者的密實(shí)程度也呈現(xiàn)出有明顯差別。

表2 黑洞圍巖室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

a. 陡崖下的探坑; b. 山腳部位的探坑。圖7 蟹山山腳遺留下的探坑Fig.7 Relics of trial pits at the Xie Hill foot

a. 垂直穿越和縮小斷面(鏡頭向N)；b. 發(fā)現(xiàn)軟弱破碎的斷層帶后主動(dòng)放棄繼續(xù)穿越(鏡頭向S)。圖8 大角度小斷面穿越斷層帶的采掘思路和方法Fig.8 Obliquely excavating through faults in underground quarrying

黑洞古地下洞室群主要開挖工程地質(zhì)條件最好的是第6層，其圍巖條件較好，邊墻較為完整和堅(jiān)硬。另外，工程地質(zhì)條件最差的第7層，被古人置于拱腳部位，避免了頂板大面積失穩(wěn)問題。這一符合工程地質(zhì)學(xué)原理的樸素科學(xué)思想和高超的工程處理方法對(duì)于現(xiàn)代大型地下工程的設(shè)計(jì)者來說，可以得到這樣的啟示：對(duì)于淺埋洞室拱頂受拉而拱角受壓的情況,通過巧妙設(shè)計(jì)，把巖體質(zhì)量較好的部分安排在較易發(fā)生破壞之處(拱頂)，而把體質(zhì)量較差的部位安排在不易發(fā)生破壞的地方(拱角)，從而可使各部位的穩(wěn)定程度較為接近，取得可靠而經(jīng)濟(jì)的效果。

采用有限差分軟件Flac3D對(duì)跨度最大的5號(hào)洞N22°E向(圖11中y軸正向)剖面進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，材料力學(xué)參數(shù)采用表2結(jié)果。分析后發(fā)現(xiàn)，拱頂下沉為3.310 mm，南側(cè)、北側(cè)拱腳向臨空面位移分別為0.267 mm、0.230 mm,塑性破壞區(qū)不發(fā)育，局限在左南側(cè)拱腳(圖11)。

CPS為每秒探測(cè)到的粒子數(shù)。從上至下的3條曲線分別表示對(duì)于<2 μm樣品測(cè)定自然定向片(N)、乙二醇飽和處理片(擴(kuò)展)(E)和加熱550加熱片(T)等處理?xiàng)l件下的XRD譜。圖9 黑洞2號(hào)洞中F1斷層樣品XRD衍射譜線圖Fig.9 XRD curves of the gouges at Heidong quarry

樣品號(hào)黏土礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%SI/SIKCC/S混層比/%I/SC/S含水率/%液限/%塑限/%干燥飽和吸水率/%備注HD15-3-90415-30-7.2520.328.3830.59綠灰色夾紅色條帶透鏡狀斷層泥,有垂向鏡面擦痕。弱膨脹HD15-4-881011-50-4.8320.09上盤棕灰色致密似油質(zhì)蠟層斷層硬塊,貝殼狀斷口。微膨脹

注：S.蒙脫石；I.伊利石；K.高嶺石；C.綠泥石；I/S.伊/蒙混層；C/S.綠泥石/蒙脫石混層。

a. HD15-3; b. HD15-4。圖10 黑洞2號(hào)洞中F1斷層樣品SEM圖像Fig.10 SEM images of gouges sampling at the No.2 cavern of Heidong quarry

圖11 采石挖空后5號(hào)洞圍巖塑性破壞區(qū)分布Fig.11 Block state of cavern No.5 of Heidong quarry

a. 古代垂直石板刻槽的裂石采石刻鑿方法遺跡; b.現(xiàn)代電鋸切采石法；c. 電鋸切石后留下痕跡。圖12 黑洞地區(qū)采石方法對(duì)比Fig.12 Comparison of quarrying methods at Heidong cavern group and nearby region

3.3 手工開鑿方法

據(jù)有關(guān)規(guī)范[6]，淺埋大跨度古洞室(尤其是5號(hào)洞)似早應(yīng)失穩(wěn)跨塌，但實(shí)際上它居然穩(wěn)定了上千年而無恙。作者認(rèn)為該古地下工程是采用垂直石板刻槽的裂石采石刻鑿方法開挖[13]，而技術(shù)規(guī)范所服務(wù)的現(xiàn)代地下工程則是用鉆爆等快速施工方法開挖的。這一對(duì)比告訴人們，爆破所造成圍巖的損壞(例如形成了松動(dòng)圈等)是很大的，但以前往往對(duì)此認(rèn)識(shí)不足。據(jù)此可以認(rèn)為，強(qiáng)調(diào)在圍巖的關(guān)鍵部位采取有效措施控制爆破對(duì)圍巖的損壞是有科學(xué)根據(jù)的[14]?，F(xiàn)在當(dāng)?shù)匦∫?guī)模采石常用電鋸來操作，在巖塊均勻條件下切割出整齊的石條(圖12)。

3.4 洞室墻腳堆放棄碴

古人在采石中采用了將廢碴石堆填到采空區(qū)的方法?，F(xiàn)場(chǎng)量測(cè)表明，5號(hào)洞中最厚的廢石堆高達(dá)9.4 m。據(jù)分析，古人所采用的這一方法的好處是：第一，可減少將廢石碴運(yùn)出洞的工作費(fèi)用；第二，可以加強(qiáng)對(duì)洞體的支撐，提高其穩(wěn)定性；第三，廢石不出洞或少出洞也有利于對(duì)洞外地表農(nóng)田和生態(tài)的保護(hù)。據(jù)初步估算，黑洞洞室群的廢棄石碴約為40 000 m3，如果全部運(yùn)出去，必將侵占洞外大片良田和坡地，破壞河流生態(tài)等。

堆在采空區(qū)上的最高達(dá)6.8 m的廢石堆對(duì)于1、2號(hào)洞來說，既省下運(yùn)石出洞的費(fèi)用又能提高洞室的穩(wěn)定性(數(shù)值計(jì)算表明棄碴堆積使圍巖位移減少了約2 mm，且剪切破壞單元減少183個(gè)，拉伸破壞單元減少874個(gè))，并保護(hù)了洞外的良田和植被等。

4 結(jié)論

古人手工開鑿出塘上組以第6層為主體的黑洞古地下洞室群，避開不良地質(zhì)條件(斷層破碎帶)而采用地質(zhì)探洞，選擇最佳入洞口，洞室內(nèi)兩個(gè)方向軸線基本平行于兩組主要結(jié)構(gòu)面，大角度小斷面穿越最不利的斷層破碎帶，體現(xiàn)了古人選址和工程布置時(shí)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制觀。而手工開鑿方法、堆棄碴于邊墻腳等，相當(dāng)于增加了支護(hù)抗力，有利于該類圍巖中的大跨度洞室保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。在當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力低下的條件下，古人根據(jù)地質(zhì)條件變化特點(diǎn)，采用了不同的技術(shù)措施加以處理，既提高了采石效率、避免了對(duì)圍巖的損傷和破壞，同時(shí)也保持了洞室的長(zhǎng)期穩(wěn)定。這相對(duì)于現(xiàn)在采用電鋸切實(shí)、鉆爆法提高效率的同時(shí)嚴(yán)重破壞了圍巖相比，無疑具有重要的啟示。

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Study of the Engineering Geological Conditions and Rock Mass Stability of Heidong Large Ancient Underground Caverns

Shang Yanjun1, Yang Zhifa1, Li Lihui1, Li Tianbin2, He Wantong1

1.KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics,InstituteofGeologyandGeophysics,
ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityof
Technology,Chengdu610069,China

The favorable engineering geological conditions and the structural integrity of rock mass make the Heidong ancient man-made underground caverns in Tiantai County, Zhejiang Province a large scale subterraneous quarry ever since the Sui Dynasty. Consisting of 21 single caverns, the group caverns situated in Xieshan cover an area of 24 000 m2, and the long axis of the caverns tend towards the same direction of the strike of the major two sets of geological structural planes. The lithology of the overall quarrying area is composed of the Upper Cretaceous Tangshang Formation layer No.6 off-white vitric ignimbrite. The value of the rock mass quality indexQis 53(class I). If the concept of modern underground caverns’ architectural design is held, the maximum allowable span for the caverns’ secular stability should not be greater than 50 m, and the maximum span of cavern No.5 actually reaches 81 m-promises to be perhaps the greatest span of single cavern. The several geological exploratory holes excavated by the ancients in the foot of Xieshan and the large angle-small section-high bench passing technique adopted in regional fault fracture zone effectively ensure the safety and secular stability of unsupported mining in unfavorable geological bodies. By piling massive quarrying waste in the cavern, the stability of the side walls is enhanced to some extent, and besides, the disposal method is also beneficial to the environment.

Heidong; large scale ancient quarry; gouge; rock mass quality; long term stability

10.13278/j.cnki.jjuese.201501203.

2014-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41372324, 41172269)；國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目 (SKLGP2011K007)；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-05-02)

尚彥軍(1967——)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)研究工作，E-mail:jun94@mail.igcas.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501203

P642.3

A

尚彥軍，楊志法，李麗慧，等. 黑洞大型古地下洞室群工程地質(zhì)條件及巖體穩(wěn)定性分析.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(1):214-224.

Shang Yanjun, Yang Zhifa, Li Lihui, et al. Study of the Engineering Geological Conditions and Rock Mass Stability of Heidong Large Ancient Underground Caverns.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):214-224.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501203.