基于結(jié)構(gòu)面特征的合掌巖石窟穩(wěn)定性分析評價

劉 奔，簡文彬,3，鄭 智，陳雪珍，劉青靈

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；

基于結(jié)構(gòu)面特征的合掌巖石窟穩(wěn)定性分析評價

劉 奔1,2，簡文彬1,2,3，鄭 智1,2，陳雪珍1,2，劉青靈1,2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；

合掌巖石窟屬于淺埋洞室，其開挖和雕刻過程中的失穩(wěn)情況主要是洞壁局部塊體掉落。為分析評價洞壁的塊體穩(wěn)定性，進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、聲波測試、以及室內(nèi)試驗等工作，得到結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀以及巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。采用BQ法對圍巖等級進(jìn)行劃分，并采用基于結(jié)構(gòu)面特征的赤平投影對洞室穩(wěn)定性進(jìn)行定性評價，運用塊體理論進(jìn)行定量評價。計算結(jié)果表明，洞壁及洞頂塊體不穩(wěn)定需進(jìn)行加固。

淺埋洞室；穩(wěn)定性；赤平投影；極限平衡法；石窟

因巖鑿窟即為石窟，歷經(jīng)時間洗禮，附加卸荷、水侵蝕、風(fēng)化和溫度應(yīng)力等自然營力以及結(jié)構(gòu)面發(fā)育等因素的作用，大跨度石窟洞室的物理力學(xué)性能下降，嚴(yán)重影響石窟的穩(wěn)定性[1-2]。對于淺埋地下工程而言，由于處于低地應(yīng)力狀態(tài)下，圍巖中的各類結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)松散、應(yīng)力釋放，圍巖基本處于碎裂狀態(tài)[3]。因此洞室圍巖的穩(wěn)定性是一個重大工程地質(zhì)問題。

上述研究為基于結(jié)構(gòu)面的洞室穩(wěn)定性分析提供了理論基礎(chǔ)，但由于不同的洞室開挖情況導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)面情況的差異性以及地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域性差異，因此本文以福建順昌合掌巖石窟為研究對象，通過工程地質(zhì)勘察、測繪、取樣，對洞室圍巖的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行研究，逐一進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性的定性和定量分析?？偨Y(jié)了圍巖可能的破壞形式，以期對淺埋人工開挖地下洞室的研究和支護(hù)等工作提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 場地概況

合掌巖石窟于2003年3月開山鑿洞，2005年開始雕刻佛像，石窟占地約3 000 m2，全長146 m，由前廳、大廳、后通道、念佛堂、閉關(guān)洞等相連而成，其中大廳長43 m，寬35 m，通高14 m，最高處18 m，正廳中央留有11 m×8 m的擎天柱。石窟內(nèi)外雕塑總面積超10 000 m2，大小佛像逾萬尊，已初步成型。

1.2 地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

場地屬構(gòu)造侵蝕低山丘陵地貌，地勢總體西北高，東南低。最高海拔為合掌巖主峰550.4 m，最低160.0 m，相對高差約400 m。山脊呈北北西走向，地形坡度一般20°～35°，植被發(fā)育。地形切割中等，溝谷較發(fā)育，溝谷形態(tài)多呈“U”或“V”字型，水流分別向東、南兩方向匯入富屯溪及金溪水系。地處閩西北隆起帶浦城—洋源隆起構(gòu)造單元東南緣。地質(zhì)構(gòu)造位于仁壽—何厝坑復(fù)式向斜南東翼，南北向仁壽—沙坪斷層帶南段西側(cè)。合掌巖石窟最小洞徑4.0 m，最大洞徑43.0 m；頂板覆蓋層最小厚度10.0 m，最大厚度55.8 m。因此，合掌巖石窟屬淺埋型地下洞室。場區(qū)及周邊無全新活動斷裂通過，歷史上未發(fā)生過較大級別的地震，區(qū)域穩(wěn)定較好。工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1工程地質(zhì)剖面圖

1.3 地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)特征

場區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單，表層分布坡殘積土，下部為燕山早期第三階段侵入含斑中細(xì)?；◢弾r(γ52(3)c)及其風(fēng)化殼。巖體為肉紅色，中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)，裂隙塊狀構(gòu)造。由石英、長石、云母等礦物組成，中等風(fēng)化。風(fēng)化裂隙發(fā)育，并略受渲染，節(jié)理裂隙多呈閉合高傾角狀。巖芯多呈柱狀，少數(shù)呈碎塊狀，巖芯采取率85%～95%。巖石堅硬程度等級為較硬巖—堅硬巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。石窟內(nèi)側(cè)壁上部多屬本層，洞內(nèi)部分地段本層有軟弱夾層及破碎帶穿插分布。通過點、線、面結(jié)合的現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查測繪得到所選取的研究點發(fā)育的主要結(jié)構(gòu)面，并通過統(tǒng)計和分析繪制結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀的玫瑰花圖和極點等密圖，如圖2、圖3所示。

由玫瑰圖和等密圖可知，研究點范圍內(nèi)走向85°(傾向175°)的一組裂隙較發(fā)育，傾向NE傾角大于60°小于90°為優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。

圖2 節(jié)理玫瑰花圖

圖3節(jié)理極點等密圖

1.4 水文地質(zhì)條件和人類工程活動

場區(qū)地下水主要為賦存于淺部殘坡積層中的孔隙潛水和賦存于基巖風(fēng)化帶中的裂隙水兩種類型，地層富水性弱。由于洞室開挖改變了場地地下水的動力條件，地下水沿著洞室揭露的節(jié)理裂隙、斷層破碎帶流出成為主要的排泄方式。地下水流量隨季節(jié)變化，出水點的位置和水量有隨石窟開鑿揭露的節(jié)理裂隙分布而轉(zhuǎn)移變化的趨勢。

人類工程活動主要為地下洞室開鑿、洞內(nèi)佛像雕刻等活動，目前洞室已貫通，洞室開鑿及雕刻主要采用切割、釬鉆及研磨等器具。

1.5 研究區(qū)圍巖等級分類

對研究區(qū)內(nèi)圍巖質(zhì)量等級進(jìn)行分類，采用現(xiàn)行《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T 50218—2014)第5.2.1條～5.2.4條規(guī)定的圍巖質(zhì)量指標(biāo)Mbq值判別法。計算Mbq修正[Mbq]。

機(jī)械正壓通氣用于重癥哮喘合并呼吸衰竭的患者急診搶救，可以顯著改善患者目前呼吸困難造成的缺氧情況，及時為患者提供持續(xù)的呼吸支持，從而改善患者組織缺氧、呼吸衰竭等情況。臨床治療搶救過程中，如發(fā)現(xiàn)該類患者呼吸衰竭進(jìn)行性加重，且患者進(jìn)行支氣管擴(kuò)張藥物和糖皮質(zhì)激素抗炎治療效果不佳，動脈血氣分析重度呼吸衰竭，兩肺布滿響亮的哮鳴音和濕羅音，則要考慮患者呼吸肌、支氣管痙攣沒有得到緩解，呼吸肌疲勞，可以及時采取機(jī)械通氣進(jìn)行搶救。

[Mbq]=100+3Rc+250Kv-100(K1+K2+K3)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；Kv為巖體完整性系數(shù)；K1為地下水修正系數(shù)；K2為主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。

利用洞室?guī)r體及巖塊聲波測速成果，計算巖體完整性系數(shù)Kv=0.61。采取了巖石試樣測定其單軸抗壓強(qiáng)度Rc=60.6 MPa。代入上式得到[Mbq]為364，圍巖等級為2級。

2 基于巖體結(jié)構(gòu)面特征的石窟穩(wěn)定性分析評價

結(jié)合合掌巖石窟洞室現(xiàn)場踏勘情況和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察資料，選取一處洞室關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性的定性分析評價。前洞口(K0+000)共測量5組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面及臨空面產(chǎn)狀

左洞壁結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性的定性評價：左洞壁坡面產(chǎn)狀40°∠89°,裂隙發(fā)育，節(jié)理密度6組/3 m。節(jié)理面光滑，有滴水并且受鐵錳質(zhì)浸染。左洞壁優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與洞壁組合赤平投影如圖4所示。根據(jù)傾向的相互關(guān)系及傾角大小的相互關(guān)系可知，結(jié)構(gòu)面1#、3#交線與臨空面同向且與臨空面傾向夾角小于40°，傾角小于臨空面，節(jié)理切割臨空面發(fā)生楔形體(陰影部分)破壞，易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動，屬于不穩(wěn)定區(qū)。

圖4洞室赤平投影

右洞壁結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性的定性評價：右側(cè)洞壁較完整，洞壁面產(chǎn)狀220°∠89°，裂隙面干燥，有三組節(jié)理，節(jié)理密度為7組/4 m。結(jié)構(gòu)面①、③交線與臨空面同向且臨空面傾向夾角小于40°，傾角小于臨空面，節(jié)理切割臨空面發(fā)生楔形體(陰影部分)破壞，易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動，屬于不穩(wěn)定區(qū)。

拱頂結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性的定性評價：拱頂部位有一通長破碎帶，寬度0.6 m～1.0 m，局部達(dá)2 m～3 m。由于拱頂為近水平產(chǎn)狀，發(fā)育三組節(jié)理裂隙，交匯處裂隙出水狀態(tài)為滴雨狀。三組節(jié)理相互切割與洞頂臨空面形成楔形體，易發(fā)生掉塊，屬不穩(wěn)定區(qū)。

3 結(jié)構(gòu)面塊體穩(wěn)定性的極限平衡法分析與評價

3.1 計算方法

在洞室的一些部位，由于節(jié)理裂隙的切割，致使洞室?guī)r體變得比較破碎，形成一些獨立的塊體、楔形體，并且有發(fā)生掉塊的可能。為了對該部分塊體的穩(wěn)定性有更清楚地認(rèn)識，通過分析模型圖圖5，引入極限平衡法來對塊體進(jìn)行分析[14-15]。

圖5洞頂、洞壁塊體穩(wěn)定性分析圖

(1) 洞壁塊體穩(wěn)定性計算模型。根據(jù)圖5，洞壁塊體的穩(wěn)定性計算式為：

(1)

式中：Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；W2為塊體的重力，kN；θ為結(jié)構(gòu)面L4的傾角，(°)；φ為結(jié)構(gòu)面L4的內(nèi)摩擦角，(°)；c4為結(jié)構(gòu)面L4的黏聚力，kPa；L4為結(jié)構(gòu)面L4的長度,m。

(2) 洞頂塊體穩(wěn)定性計算模型。根據(jù)圖5，洞頂塊體的穩(wěn)定性計算式為：

(2)

式中：Fs為穩(wěn)定性系數(shù)；c1、c2分別為結(jié)構(gòu)面L1、L2的黏聚力，kPa；L1、L2分別為結(jié)構(gòu)面L1、L2的長度，m；α、β分別為結(jié)構(gòu)面L1、L2的傾角，(°)；γ為巖體的重度，kN/m3；L3為結(jié)構(gòu)面L1、L2之間的距離，m。

當(dāng)Fs≥2時，塊體穩(wěn)定；Fs<2時，塊體不穩(wěn)定。

3.2 巖體穩(wěn)定性計算和分析

左洞壁發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面，右洞壁為3組結(jié)構(gòu)面，定性分析時僅選取兩組結(jié)構(gòu)面的組合進(jìn)行計算，由第2章部分定性判斷可知左洞壁結(jié)構(gòu)面①和③，右洞壁③和④，洞頂結(jié)構(gòu)面②、④、⑤交線與臨空面形成的楔形體屬于不穩(wěn)定區(qū)域，需進(jìn)行穩(wěn)定性計算，其余組合情況穩(wěn)定，不需進(jìn)行分析計算。

結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T 50218—2014)附錄D獲取。已知研究區(qū)圍巖等級為II級，巖體屬于較堅硬巖，但由于埋深較淺，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差。因此結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角為15°，黏聚力為0.02 MPa。巖體密度和結(jié)構(gòu)面長度傾角根據(jù)現(xiàn)測量和室內(nèi)試驗得到。計算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 結(jié)構(gòu)面及臨空面產(chǎn)狀

表3 洞頂結(jié)構(gòu)面及臨空面產(chǎn)狀

從表2、表3計算結(jié)果可知：

左右洞壁及洞頂穩(wěn)定性較低，其穩(wěn)定性系數(shù)均小于2大于1，符合其不穩(wěn)定區(qū)的定性判斷。定量評價穩(wěn)定性系數(shù)為1.32、1.46、1.73。雖然穩(wěn)定性系數(shù)大于1表明塊體下滑力小于抗滑力，但由于極限平衡法僅考慮平面情況，對于多面滑動情況沒有很好的解決方法，所以計算結(jié)果偏于不安全，因此，規(guī)定穩(wěn)定性系數(shù)小于2為不穩(wěn)定，得到結(jié)論塊體不穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 合掌巖石窟為淺埋洞室，場區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單，表層分布薄層坡殘積土，下伏燕山早期第三階段侵入含斑中細(xì)?；◢弾r。但淺埋洞室對穩(wěn)定不利。

(2) 研究區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。包括洞室開挖的卸荷裂隙、鑿刻佛像的外力裂隙以及斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等構(gòu)造裂隙。巖體受節(jié)理裂隙、斷層破碎帶等結(jié)構(gòu)面切割，在洞室中出現(xiàn)拱頂、邊墻局部小型楔形體掉塊的問題。

(3) 統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，繪制玫瑰花圖，確定優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。根據(jù)赤平投影將測量得到的結(jié)構(gòu)面與洞室壁面進(jìn)行組合定性判定：洞壁和洞頂屬于欠穩(wěn)定區(qū)域。

(4) 基于結(jié)構(gòu)面定性分析的結(jié)果，采用極限平衡法對欠穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行定量分析得到結(jié)論：左右洞壁及洞頂塊體穩(wěn)定系數(shù)小于2，不穩(wěn)定，需進(jìn)行加固。

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StabilityAnalysisandEvaluationofHezhangyanGrottoesBasedontheFeatureoftheStructuralPlane

LIU Ben1,2, JIAN Wenbin1,2,3, ZHENG Zhi1,2, CHEN Xuezhen1,2, LIU Qingling1,2

(1.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;2.InstituteofGeotechnicsandEngineeringGeology,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;3.FujianProvincialKeyLaboratoryofGeologicalHazards,Fuzhou,Fujian350002，China)

Hezhangyan grottoes is a shallow buried cave. During its excavation and carving process, it appears some instability situation which is mainly the fallen of local blocks. In order to analyze and evaluate the block stability of the cave wall. Several works has been done including engineering geological survey, engineering drilling, acoustic test and laboratory test. The physical and mechanical properties of the rock mass and the orientation of structure plane are obtained. BQ method is adopted to classify the surrounding rock. Stereographic projection, which based on the feature of structural plane is adopted in qualitative analysis on the stability of the cave. Quantitative analysis on the stability of the cave is done by using block theory. The calculation results show that the cave wall and the roof block are unstable which need to be reinforced.

shallowburiedcave;stability;stereographicprojection;methodoflimitequilibrium；grottoes

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.033

2017-07-20

2017-08-18

福建省自然科學(xué)基金項目(2015J01164)

劉 奔(1992—)，男，福建泉州人，碩士研究生，研究方向地質(zhì)災(zāi)害防治。E-mail：abcd16300@163.com

簡文彬(1965—)，男，福建龍巖人，教授，博導(dǎo)，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、工法創(chuàng)新研究工作。E-mail：jwb@fzu.edu.cn

3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，福建 福州 350002)

TU457

A

1672—1144(2017)06—0168—05