巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與地下建筑物軸線關(guān)系初探

劉芙榮，熊 博，黃向春

（1. 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.水利部海委引灤工程管理局，河北 唐山064309）

1 地下建筑物的工程地質(zhì)

與其他建筑物相比，地下建筑物具有明顯特點(diǎn)，雖然規(guī)模各異，但都建在山體內(nèi)，具有特定橫斷面和一定長度， 圍巖的穩(wěn)定性決定了地下建筑物的安全和正常使用。

例如，水利水電工程的地下洞室大小不一，洞徑變化大，并且斷面形狀多樣，有圓形、馬蹄形、城門洞形、卵形等。 洞室多選擇巖石堅(jiān)固完整地區(qū)，以降低支護(hù)費(fèi)用。 一般情況下，洞室埋深不大，但有些洞室埋深較大。但地下洞室多屬于過水的永久建筑物，要求支護(hù)措施具有較好耐久性，洞壁平整光滑，襯砌與圍巖需共同承受內(nèi)水壓力。 圍巖穩(wěn)定性是主要工程地質(zhì)問題之一。

常見圍巖破壞形式多為滑動與坍塌、 松動與脫落、變形與膨脹、巖爆、巖溶突水突泥等。圍巖由巖塊和各種結(jié)構(gòu)面組成，結(jié)構(gòu)面切割巖體，破壞巖體完整性，使圍巖（巖體）具有不連續(xù)性和不均一性，而結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、性狀、規(guī)模、密度、類型差異較大，對地下建筑物的開挖和圍巖穩(wěn)定性的影響程度也有所不同。此外，結(jié)構(gòu)面也為地下水運(yùn)動創(chuàng)造了條件。可見，結(jié)構(gòu)面作為巖體的主要組成部分， 其存在對圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性具有決定性作用。

因此，結(jié)構(gòu)面的勘察與研究是必要的，尤其對復(fù)雜地質(zhì)條件、大洞室、洞群、勘察工作尤為重要。

2 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與地下建筑物軸線關(guān)系

2.1 隧洞

一般來說，陡傾角結(jié)構(gòu)面對高邊墻的穩(wěn)定不利；緩傾角結(jié)構(gòu)面對大跨度的洞室頂拱不利。

據(jù)SL279—2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，在滿足總體要求的條件下，洞線宜布置在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利及施工方便的地區(qū)。洞線與巖層、 構(gòu)造線及主要軟弱帶走向宜有較大的交角；對整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體及厚層并膠結(jié)緊密、巖石堅(jiān)硬完整的巖體，交角不宜小于30°；對薄層巖體、特別是層間結(jié)合較差的陡傾角薄巖層， 交角不宜小于45°。 隧洞通過較大的地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，綜合考慮，選定洞線方向。

據(jù)楊子文［2］等研究，隧洞軸線與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀關(guān)系如表1。

表1 隧洞軸線與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的相互關(guān)系

谷兆祺［3］研究發(fā)現(xiàn)，對中等埋深或淺埋深的洞室，若地應(yīng)力不大，洞室長軸宜布置在兩組結(jié)構(gòu)面的交角分角線上，但不宜平行結(jié)構(gòu)面走向。長而高的邊墻與陡傾角、表面光滑的結(jié)構(gòu)面宜有較大交角，不宜小于25°。 對深埋地下洞室，不僅考慮結(jié)構(gòu)面關(guān)系，還需考慮與地應(yīng)力關(guān)系。 當(dāng)洞室長軸與最大主應(yīng)力方向水平投影的夾角為15°～30°時(shí)， 其穩(wěn)定性較好，但洞室長軸不宜與結(jié)構(gòu)面走向平行。 在各向異性巖體中，若主應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)面、層理走向相近時(shí)，洞室長軸與結(jié)構(gòu)面走向夾角不小于35°。

據(jù)比尼奧斯基（Bieniawski）［4］提出的地質(zhì)力學(xué)分類法（RMR），不連續(xù)面產(chǎn)狀與隧洞關(guān)系如表2。

表2 隧洞中不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的走向和傾向?qū)鷰r穩(wěn)定的影響

由此可見， 地下洞線布置與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀密切相關(guān)，不同地質(zhì)條件下，需結(jié)合實(shí)際條件，綜合多因素后確定，盡可能利用有利因素，減少或降低不利因素影響。

2.2 地下廠房

一般而言， 地下廠房縱軸方向選擇以縱軸線與最大主應(yīng)力宜成小夾角或平行、 與巖體主要裂隙的走向呈較大夾角為主要原則。

據(jù)SL266—2014《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］，地下廠房主洞室的縱軸線走向， 宜與圍巖的主要構(gòu)造弱面（斷層、節(jié)理、裂隙、層面等）呈較大的夾角。 同時(shí)，應(yīng)注意次要構(gòu)造面對洞室穩(wěn)定的不利影響。 在高地應(yīng)力地區(qū)， 洞室縱軸線走向與地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平投影方向的交角宜采用較小角度。

據(jù)NB/T35090—2016《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］，地下廠房位置應(yīng)考慮地形地質(zhì)條件、樞紐布置、輸水系統(tǒng)水力條件、施工條件、機(jī)電設(shè)備布置、運(yùn)行要求及環(huán)境保護(hù)等主要因素，綜合選定。主體洞室宜布置在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體較完整、上覆巖層厚度適宜、地下水不發(fā)育、岸坡穩(wěn)定的地段，宜避開較大斷層、高應(yīng)力區(qū)、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)。 地下廠房主體洞室縱軸線方位選擇， 應(yīng)在滿足引水發(fā)電系統(tǒng)布置較為順暢的前提下， 與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角，在以構(gòu)造應(yīng)力為主的高地應(yīng)力區(qū)，與最大主應(yīng)力方位呈較小夾角。 巖石強(qiáng)度應(yīng)力比大于7.0時(shí)，宜主要考慮結(jié)構(gòu)面因素； 而巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于4.0時(shí)，宜主要考慮地應(yīng)力因素并兼顧結(jié)構(gòu)面因素。 主體洞室縱軸線與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向的夾角不宜小于50°；巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于4.0時(shí)，主體洞室縱軸線與最大主應(yīng)力方向的夾角不宜大于30°。

據(jù)李莉等［7］研究發(fā)現(xiàn)，以構(gòu)造為主和以自重為主的地應(yīng)力場，在廠房縱軸線方位選擇時(shí)存在差異。以構(gòu)造為主的地應(yīng)力場， 當(dāng)廠房縱軸線與σ1成小角度相交時(shí)，橢圓洞室周邊最大切向應(yīng)力取得較小值，對圍巖穩(wěn)定性較為有利； 而以自重應(yīng)力場為主的地應(yīng)力場， 當(dāng)σ1與縱軸線成小角度相交時(shí)， 并非最為有利。 地下廠房縱軸線方位的選取應(yīng)盡量避免洞室周邊切向出現(xiàn)量值較大的拉應(yīng)力， 當(dāng)洞室周邊只存在壓應(yīng)力時(shí)， 應(yīng)當(dāng)選擇使洞室周邊最大切向應(yīng)力為最小的縱軸線方位角。 當(dāng)洞室周邊同時(shí)存在拉壓應(yīng)力時(shí)， 應(yīng)當(dāng)使洞室周邊的切向拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都盡量接近較小值。

地下廠房具有自身特點(diǎn)，跨度和高度較大，其布置需兼顧結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等主要因素， 并需考慮自身結(jié)構(gòu)需求，達(dá)到工程自然協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

3 地質(zhì)勘察工作思路

與常規(guī)線性隧洞相比， 地下廠房多屬于地下洞群，主要有主體洞室、副廠房洞室、主變壓器洞室、交通洞、通（排）風(fēng)洞、尾水洞等，主體洞室長軸線的選擇影響因素較多，亦較為復(fù)雜。

為研究地下廠房的長軸線方向， 在查明廠房區(qū)巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面（層理、節(jié)理、裂隙、片理、斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面等） 發(fā)育規(guī)律基礎(chǔ)上， 繪制結(jié)構(gòu)面玫瑰花圖；然后依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分級和分類，確定巖體中發(fā)育的主要結(jié)構(gòu)面和次要結(jié)構(gòu)面， 以及可能影響；調(diào)查地應(yīng)力分布規(guī)律，確定地應(yīng)力方向和數(shù)值，以及影響；然后綜合巖體基本質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面條件、地應(yīng)力條件，以及建筑物布局，確定地下廠房長軸方向，充分利用地質(zhì)條件有利因素，限制或處理地質(zhì)條件不利或缺陷，達(dá)到工程與自然協(xié)調(diào)。

而常規(guī)線性隧洞，通常長度較大，主要研究沿線I級、II級區(qū)域性的構(gòu)造線分布規(guī)律與影響；其次查明沿線地層巖性，然后結(jié)合工程布局，確定洞線布置。

4 結(jié)語

由于地下工程具有其特殊性， 局限于現(xiàn)有勘察技術(shù)水平，地質(zhì)條件存在不確定性，但圍巖穩(wěn)定性是地下建筑物的主要工程地質(zhì)問題之一。

地下隧洞軸線宜與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向呈大角度相交，一般情況下，不宜小于30°；而小角度相交，較為不利；如埋深較大，需考慮地應(yīng)力，則洞室長軸與最大主應(yīng)力方向水平投影的夾角呈小角度， 一般情況下，不宜小于15°。

地下廠房縱軸方向與巖體主要結(jié)構(gòu)面的走向呈較大夾角，一般情況下，交角不小于50°；與最大主應(yīng)力水平投影方向的交角宜呈小角度，一般情況下，不大于30°。

地下洞室布置需兼顧功能、施工、地質(zhì)條件、運(yùn)行等因素，需綜合統(tǒng)籌，抓住核心和重點(diǎn)，充分利用自然條件，限制或處理其缺陷。