某大型地下硐室群穩(wěn)定性分析及加固技術(shù)研究

肖益蓋 劉允秋 汪為平 王雨波 夏才初 徐 晨 呂志濤 林梓梁1

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

近年來，地下空間利用受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［1-3］，謝和平院士［4-6］指出，隨著全球自然災(zāi)害頻發(fā)、全球變暖、環(huán)境惡化、城市綜合癥等問題日益突出，深地空間資源開發(fā)與利用已成為人類未來活動(dòng)的趨勢(shì)。對(duì)于地下空間有效開發(fā)利用的前提是確保地下空間工程整體穩(wěn)定性，由于地下工程服務(wù)年限較長(zhǎng)，在各種自然環(huán)境和人為因素的影響下，巖體結(jié)構(gòu)退化，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致地下空間巖體工程失穩(wěn)損壞。要確保工程的整體安全、穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析和加固技術(shù)研究很有必要［7-8］。本研究以某大型地下硐室群為例，結(jié)合巖體工程地質(zhì)調(diào)查、巖體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法對(duì)其巖體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)該硐室群巖體特征，對(duì)相應(yīng)的巖體加固技術(shù)措施進(jìn)行討論。

1 研究背景

1.1 工程概況

某大型地下硐室群地處順昌仁壽—井垅斷裂帶與埔上斷裂帶之間，巖性為加里東期花崗巖類，屬典型的風(fēng)蝕花崗巖地貌。大型硐室群前期均采用人工開挖，中后期輔以爆破的方式進(jìn)行開挖。硐室群占地約3 000 m2，全長(zhǎng)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(zhǎng)43 m，寬35 m，平均高度14 m，最高達(dá)18 m，大廳中央留有11 m×8 m的擎天柱（圖1）。

1.2 硐室群節(jié)理裂隙發(fā)育特征

1.2.1 硐室群節(jié)理調(diào)查

為了準(zhǔn)確獲取大型硐室群巖體的節(jié)理產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、形態(tài)，本研究采用測(cè)線法對(duì)硐室群典型地段進(jìn)行節(jié)理精細(xì)測(cè)量，共完成32條測(cè)線，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置如圖2所示。

1.2.2 硐室群節(jié)理產(chǎn)狀優(yōu)勢(shì)分組

為了獲得大型硐室群巖體的節(jié)理分布規(guī)律，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，通過調(diào)查共獲得834條節(jié)理。本研究基于改進(jìn)的近鄰傳播算法（AP算法）［9］對(duì)節(jié)理數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分。該方法克服了傳統(tǒng)K均值聚類算法對(duì)初始聚類中心敏感且易陷入局部最優(yōu)的不足，具有更高的魯棒性與計(jì)算效率。

依據(jù)AP算法不同分組的Silhouette指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知：當(dāng)分組數(shù)為3時(shí)，Silhouette指標(biāo)最大，因而結(jié)構(gòu)面組數(shù)確定為3。采用該方法得到的巖體節(jié)理劃分結(jié)果如表2所示。3組普遍發(fā)育的節(jié)理產(chǎn)狀為J1183°∠72°，J267°∠83°，J3309°∠75°，3組節(jié)理平均跡長(zhǎng)分別為2.8、3.0、2.2 m。

根據(jù)上述調(diào)查分析表明：該大型硐室群巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，但大多數(shù)為高傾角節(jié)理裂隙，巖體穩(wěn)定性較好，自然邊坡穩(wěn)定，但局部地段風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石破碎。

2 大型硐室群巖體穩(wěn)定性分析研究

2.1 巖石力學(xué)試驗(yàn)

為掌握硐室群巖體物理力學(xué)性質(zhì)，本研究對(duì)工程區(qū)有代表性的巖石進(jìn)行取樣并進(jìn)行了力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。試驗(yàn)按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）進(jìn)行，結(jié)果見表3。

2.2 硐室群巖體穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法

對(duì)于地下工程，一般綜合采用多種分類方法進(jìn)行圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)，以RMR、Q與GSI為代表的巖體分級(jí)體系得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）分類體系［10-13］由HOEK等在RMR與Q分級(jí)的基礎(chǔ)上提出，被廣泛應(yīng)用于節(jié)理硬巖、軟巖及軟硬交互巖體中［14-15］。SONMEZ 等［16-17］考慮了基于巖體體積節(jié)理數(shù)的結(jié)構(gòu)特征等級(jí)SR和基于結(jié)構(gòu)面粗糙度、風(fēng)化程度及充填物情況的結(jié)構(gòu)面表面特征等級(jí)SCR確定了節(jié)理化巖體的GSI值；CAI等［18］提出了基于塊體尺寸Vb和結(jié)構(gòu)面條件因子JC的定量GSI圖表方法。目前，基于Q分級(jí)的Mathews穩(wěn)定圖表法已經(jīng)被成功應(yīng)用于錦州國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備大型地下硐室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。為此，本研究將穩(wěn)定性圖表法作為經(jīng)驗(yàn)方法應(yīng)用于大型硐室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

注：巖石試樣取自硐室內(nèi)，為風(fēng)干樣。

采用穩(wěn)定性圖表進(jìn)行評(píng)價(jià)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是巖體質(zhì)量級(jí)別和硐室暴露面的尺寸（水力半徑），硐室群均處于中風(fēng)化花崗巖巖體內(nèi)，因此巖體質(zhì)量級(jí)別相同，不同的是硐室暴露面尺寸的差異。由于大廳跨度最大，因此，首先對(duì)大廳的頂板及邊墻進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，若大廳硐室穩(wěn)定，則可認(rèn)為硐室群穩(wěn)定；若大廳硐室不穩(wěn)定，則依次對(duì)其他硐室進(jìn)行評(píng)價(jià)。大廳幾何模型如圖3所示。硐室長(zhǎng)寬均為43 m，中間巖柱長(zhǎng)寬均為8 m，硐室高度為18 m。硐室輪廓用A2、B2、…、F2進(jìn)行了標(biāo)記，邊墻用字母W表示，頂板用字母 R 表示，A2B2為邊墻 W1，B2D2為邊墻 W2。本研究評(píng)價(jià)主要針對(duì)頂板R1及邊墻W1和W2。

對(duì)頂板及邊墻求得的水力半徑HR如表4所示。

穩(wěn)定性圖表法所確定的巖體參數(shù)取值如表5所示。

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果表明：硐室大廳各暴露面均為穩(wěn)定狀態(tài)，大廳整體穩(wěn)定。

2.3 大型硐室群穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.3.1 三維數(shù)值模型構(gòu)建

通過建立與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符的硐室群模型，對(duì)硐室開挖進(jìn)行模擬，考慮斷層影響，本研究采用FLAC3D軟件程序建立硐室模型。該大型地下硐室群主要由10個(gè)規(guī)模較大的硐室及連接它們的通道組成，這些硐室群底板標(biāo)高為+470～+480 m，頂部標(biāo)高為+475.0～+496.5 m。其中，斷面最大的硐室為大廳，硐室斷面最大水平跨度約40 m。整個(gè)硐室群平面尺寸約165 m（南北向）×120 m（東西向）。根據(jù)硐室群特征及其周邊環(huán)境，所構(gòu)建的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。模型上表面取自地表，下表面標(biāo)高為+400 m，模型左右邊界寬度取為280 m，前后邊界寬度取為300 m。模型一共劃分為218 682個(gè)網(wǎng)格單元和39 855個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

硐室開挖順序?yàn)榍皬d→大廳→大悲咒洞→后通道→祖師洞、斗戰(zhàn)勝佛洞、千手觀音洞等4個(gè)小洞→念佛堂→臥佛參觀平臺(tái)→臥佛下通道→臥佛洞→北通道→西通道及禪堂。結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，巖體計(jì)算參數(shù)取值見表6，斷層帶的接觸面計(jì)算參數(shù)見表7。本研究數(shù)值計(jì)算中巖體參數(shù)選取參考了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）中的各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)，圍巖參數(shù)按照II～I(xiàn)II級(jí)圍巖標(biāo)準(zhǔn)取值。

2.3.2 三維數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

2.3.2.1 硐室群整體穩(wěn)定性分析

硐室群開挖后的地表整體位移分布特征如圖5所示。由圖5可知：硐室群開挖完成后，地表最大回彈變形值為2 mm，最大沉降值為4 mm，最大水平位移約1.4 mm。斷層帶附近的沉降變形相對(duì)較大，硐口附近圍巖發(fā)生了較小的回彈變形。在斷層破碎帶附近，地表在豎直方向上發(fā)生了一定的錯(cuò)動(dòng)變形?？傮w上，硐室開挖后地表整體變形較小。

硐室群開挖后的地表整體應(yīng)力分布特征如圖6所示。由圖6可知：地表的最大主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力值均很小。地表最大主應(yīng)力約0.05 MPa，圍巖以受壓為主，前、后山硐口區(qū)域地表圍巖應(yīng)力稍大，部分區(qū)域最大壓應(yīng)力超過2 MPa，但遠(yuǎn)小于我國(guó)中風(fēng)化花崗巖應(yīng)力σ（MPa）的最大應(yīng)力極限值，說明硐室開挖對(duì)地表應(yīng)力分布影響較小。

硐室群開挖后的1-1'剖面（圖3）后方圍巖位移及應(yīng)力分布特征分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：硐室群開挖完成后，圍巖向臨空面方向發(fā)生回彈變形，總體上表現(xiàn)為頂拱下沉變形和底板回彈變形及側(cè)壁內(nèi)鼓變形；硐室跨度越大，應(yīng)力重新分布的范圍越大。大廳內(nèi)圍巖最大拉應(yīng)力為0.35 MPa，最大壓應(yīng)力為3 MPa，最大剪應(yīng)力未超過3 MPa，整個(gè)大廳圍巖應(yīng)力均較小，說明整個(gè)硐室開挖對(duì)大廳的影響較小。前廳圍巖較薄弱的部位位于硐頂上方和硐口處，這兩處的圍巖受拉，但最大拉應(yīng)力值不高，小于0.12 MPa。在墻角、柱腳等部位有壓應(yīng)力集中，但最大壓應(yīng)力不超過5 MPa。在硐口部位，由于圍巖風(fēng)化程度相對(duì)較高，且裂隙較發(fā)育，應(yīng)采取防護(hù)措施，防止破碎巖體掉落。

綜上所述：硐室開挖后地表整體變形較小，大部分硐室（前廳、大廳、大悲咒洞、祖師洞、斗戰(zhàn)勝佛洞、千手觀音洞、念佛堂、北通道、西通道及禪堂等硐室）變形也較小，可以滿足變形要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但斷層破碎帶附近（后通道、臥佛洞）圍巖穩(wěn)定性較差，影響窟體的局部穩(wěn)定性。

2.3.2.2 大廳圍巖穩(wěn)定性分析

由于大廳跨度較大且高度達(dá)18 m，是所有硐室中斷面最大的一個(gè)硐室。因此，有必要針對(duì)大廳的穩(wěn)定性進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算分析。本研究構(gòu)建的大廳精細(xì)化數(shù)值模型上表面取自地表，下表面標(biāo)高為+400 m，模型東西向邊界寬度取為62 m，南北向邊界寬度取為36 m，模型一共劃分為160 838個(gè)網(wǎng)格單元和30 421個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

硐室開挖后圍巖的位移及應(yīng)力分布如圖9和圖10所示。從總體上看，硐室變形較小。硐室頂部最大沉降值約3.4 mm，底板最大回彈值為5.2 mm，最大沉降發(fā)生在巖柱北側(cè)約8 m處。由于硐室中間的巖柱支撐作用，較好地控制了硐室的豎向位移。硐室開挖后，圍巖收斂變形較小，洞壁最大水平位移約0.7 mm。從圖10可以看出，在大廳北側(cè)的兩個(gè)硐口處，圍巖剪應(yīng)力較大，圍巖最大剪應(yīng)力為1.8 MPa，而該處的圍巖正應(yīng)力為0.2 MPa，硐室內(nèi)部圍巖剪應(yīng)力在1.5 MPa以下，大廳總體穩(wěn)定性較好。

圖11為大廳開挖后圍巖塑性區(qū)分布情況，可以看出，大廳內(nèi)圍巖處于彈性狀態(tài)，沒有塑性區(qū)，因此大廳穩(wěn)定性較好。

大廳內(nèi)的4處位移監(jiān)測(cè)線記錄的硐室開挖后經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到的圍巖位移分布如圖12所示。由圖12可知：硐室開挖后，大廳圍巖豎向位移較小，硐頂沉降值為1.5～3.5 mm，底板回彈值為3.5～5.5 mm，硐內(nèi)圍巖水平位移較小，為0.2～0.6 mm，在巖柱附近圍巖的位移變化幅度較小?？梢?，該巖柱對(duì)控制圍巖豎向變形起到了一定的作用。

綜合以上數(shù)值分析結(jié)果可知：大型地下硐室群開挖后，整體硐室群相對(duì)較穩(wěn)定，且大部分硐室（前廳、大廳、大悲咒洞、祖師洞、斗戰(zhàn)勝佛洞、千手觀音洞、念佛堂、北通道、西通道及禪堂等硐室）的變形較小，可滿足圍巖穩(wěn)定性要求。

3 硐室群斷層帶加固方案

結(jié)合硐室群斷層分布現(xiàn)狀和加固原則，本研究提出了長(zhǎng)短錨注錨桿相結(jié)合的錨網(wǎng)噴+錨注加固方案，如圖13所示?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，破碎帶已經(jīng)冒落一定高度，首先將破碎帶表面噴射一定厚度的鋼纖維混凝土，然后掛上錨網(wǎng)，打入短錨桿固定錨網(wǎng)，而后繼續(xù)噴射鋼纖維混凝土，將塌落部分補(bǔ)齊后，再掛網(wǎng)，隨后從破碎帶周圍穩(wěn)固巖體打入長(zhǎng)錨桿，錨桿要保證伸入到穩(wěn)固巖體一定長(zhǎng)度，最后噴射混凝土，完成加固。由于斷層帶有滲水，為了防止后期地下水對(duì)硐室內(nèi)雕像的損壞，錨桿采用注漿錨桿，通過錨桿注漿將滲水裂隙封閉。

4 結(jié)論與建議

（1）分別通過工程地質(zhì)調(diào)查、穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)、數(shù)值模擬分析方法對(duì)大型地下硐室群安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，認(rèn)為硐室群開挖后，圍巖總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）針對(duì)硐室內(nèi)的斷層破碎帶和有局部塊體失穩(wěn)隱患部位，提出了以“錨桿與注漿、澆筑混凝土相結(jié)合”的錨網(wǎng)噴為主的加固技術(shù)方案，可保證其安全穩(wěn)定。

（3）針對(duì)硐室群滲水問題，建議及時(shí)采取防滲措施加以治理，查清裂隙走向、范圍，杜絕地表水沿裂隙滲入洞窟內(nèi)，同時(shí)嚴(yán)格按照技術(shù)要求對(duì)硐室內(nèi)滲水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵。

（4）建議對(duì)該大型地下硐室群進(jìn)一步采取安全監(jiān)測(cè)措施，加強(qiáng)對(duì)硐室圍巖的監(jiān)測(cè)，監(jiān)控硐室開挖后圍巖的長(zhǎng)期變形，并對(duì)開挖過程中的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。