地下洞室選址中的工程地質(zhì)問題探討

柴啟輝 李 乾 樊 華

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 4500111）

1 概述

地下工程是指建筑在地面以下及山體內(nèi)部的各類建（構(gòu)）筑物，如地下交通運(yùn)輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲(chǔ)存庫房用的地下車庫、油庫、水庫和物資倉庫等；地下生活用房用周圍介質(zhì)的有利功能，如把圍巖改造成洞室本身的支護(hù)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮圍巖的自承能力。由此可見，為確保地下洞室的安全和使用，應(yīng)研究圍巖的穩(wěn)定性和自承能力而出現(xiàn)的地質(zhì)問題。一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：

1.在選擇地下建筑工程位置時(shí)，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。這時(shí)，一般多從擬建洞室山體的地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件及其它影響建洞的不良地質(zhì)現(xiàn)象等方面來判定巖體的穩(wěn)定性。

2.在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個(gè)階段除進(jìn)行一般的巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)以外，還要解決一些與土建設(shè)計(jì)有關(guān)的巖體穩(wěn)定方面的問題，這些問題有：

（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評(píng)價(jià)（即巖體本身對(duì)襯砌支護(hù)的壓力評(píng)價(jià)）；

（2）巖體內(nèi)地下水壓力的評(píng)價(jià)（即地下水對(duì)襯砌支護(hù)的壓力）；

（3）提出保護(hù)圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；

2 地下工程總體位置的選擇

在進(jìn)行地下工程總體位置選擇時(shí)，首先要考慮區(qū)域穩(wěn)定性，此項(xiàng)工作的進(jìn)行主要是向有關(guān)部門收集當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)地震、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造史及現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等資料，進(jìn)行綜合地質(zhì)分析和評(píng)價(jià)。特別是對(duì)于區(qū)域性深大斷裂交會(huì)處，近期活動(dòng)斷層和現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈的地段，尤其要引起注意。

一般認(rèn)為，具備下列條件是宜于建洞的：

1.基本地震烈度一般小于8度，歷史上地震烈度及震級(jí)不高，無毀滅性地震；

2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，工程區(qū)無區(qū)域性斷裂帶通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造；

3.第四紀(jì)以來沒有明顯的構(gòu)造活動(dòng)。

區(qū)域穩(wěn)定性問題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進(jìn)一步就要選擇建洞山體，一般認(rèn)為理想的建洞山體具有以下條件：

1.在區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；

2.建洞區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層厚且產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少，無影響整個(gè)山體穩(wěn)定的斷裂帶；

3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅(jiān)硬或中等堅(jiān)硬的地層，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。

4. 無巖溶或巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進(jìn)洞生產(chǎn)面積的同時(shí)，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護(hù)地層；

5.無有害氣體及異常地?zé)幔?/p>

3 洞口選擇的工程地質(zhì)條件

洞口的工程地質(zhì)條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標(biāo)高、洞口的方向等問題。至于洞口數(shù)量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據(jù)工程的具體要求，結(jié)合所處山體的地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等慎重考慮，因?yàn)槌鋈肟谖恢玫拇_定，一般來說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。

3.1 洞口的地形和地質(zhì)條件

洞口宜設(shè)在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設(shè)置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時(shí)刷方太大，破壞原來的地形地貌。一般來說洞口不宜設(shè)在懸崖峭壁之下，免使巖塊掉落堵塞洞口。特別是在巖層破碎地帶，容易發(fā)生山崩和土石塌方，堵塞洞口和交通要道。

3.2 洞口底標(biāo)高的選擇

洞口底的標(biāo)高一般應(yīng)高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0m的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發(fā)時(shí)，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；如若離谷底較近，易聚集泥石流和有害氣體，各個(gè)洞口的高程不宜相差太大，要律意洞室內(nèi)部工藝和施工時(shí)所要求的坡度，便于各洞口之間的道路聯(lián)系。

3.3 洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象

在選擇洞口位置時(shí)，必須將進(jìn)出口地段的物理地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查清楚。洞口應(yīng)盡量避開易產(chǎn)生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產(chǎn)生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對(duì)工程造成不必要的損失。

4 洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等方面綜合分析來考慮確定。

4.1 布置洞室的巖性要求

洞室工程的布置對(duì)巖性的要求是：盡可能使地層巖性均一，層位穩(wěn)定，整體性強(qiáng)，風(fēng)化輕微，抗壓與抗剪強(qiáng)度較大的巖層中通過。一般說來，舉凡沒有經(jīng)受劇烈風(fēng)化及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的大多數(shù)巖層都適宜修建地下工程。

巖漿巖和變質(zhì)巖大部分均屬于堅(jiān)硬巖石，如花崗巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、安山巖、流紋巖、片麻巖、大理巖、石英巖等。在這些巖石組成的巖體內(nèi)建洞，只要巖石未受風(fēng)化，且較完整，一般的洞室（地面下不超過 200～300m，跨度不超過 10m）的巖石強(qiáng)度是不成問題的。也就是說，在這些巖石所組成的巖體內(nèi)建洞，其圍巖的穩(wěn)定性取決于巖體的構(gòu)造和風(fēng)化等方面。而不在于巖性。在變質(zhì)巖中有部分巖石是屬于半堅(jiān)硬的，如粘土質(zhì)片巖、綠泥石片巖、千枚巖和泥質(zhì)板巖等，在這些巖石組成的巖體內(nèi)建洞容易崩塌，影響洞室的穩(wěn)定性。

沉積巖的巖性比較復(fù)雜?？偟膩碚f，比上述兩類巖石差。在這類巖石中較堅(jiān)硬的有巖溶不太發(fā)育的石灰?guī)r、硅質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖、礫巖等，而巖性較為軟弱的有泥質(zhì)頁巖、粘土巖、泥砂質(zhì)膠結(jié)的砂、礫巖和部分凝灰?guī)r等，這些較軟弱的巖石往往具有易風(fēng)化的特性。例如：四川紅層中的粘土頁巖，從其中取出的新鮮巖石試件兩個(gè)月后就碎裂成 0.5cm的碎塊。遼寧某地采得的凝灰?guī)r新鮮巖石試件兩個(gè)月后裂成 1.0cm碎塊。在這類巖體中建洞，施工時(shí)圍巖容易變形和崩塌，或只有短期的穩(wěn)定性。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造與洞室軸線的關(guān)系

洞室軸線的位置確定，純粹根據(jù)巖性好壞往往是不夠的。通常與巖體所處的地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度有著密切的關(guān)系。在修建地下工程時(shí)，巖層的產(chǎn)狀及成層條件對(duì)洞室的穩(wěn)定性有很大影響，尤其是巖層的層次多、層薄或夾有極薄層的易滑動(dòng)的軟弱巖層時(shí)，對(duì)修建地下工程很不利。

當(dāng)巖層無裂隙或極少裂隙的傾角平緩的地層中壓力分布情況是：垂直壓力大，側(cè)壓力小。相反，巖層傾角陡，則垂直壓力小，而倒壓力增大。

5 結(jié)語

本文著重就建洞山體的基本工程地質(zhì)條件、地下工程總體位置和洞口、洞軸線的選擇要求，分別加以分析和討論。希望能在以后的地下工程中起到一點(diǎn)參考作用。

[1]李華曄.地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析[M] .北京中國水利水電出版社， 1999，1-15,68

[2]朱維申,王平.動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理在洞室群施工力學(xué)中的應(yīng)用[J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 1992，11 4 23-28?