章璇,徐盛東,周宇渤

(浙江省工程勘察院，寧波 315012)

溫嶺市長嶼硐天硐室連接通道穩(wěn)定性評價

章璇,徐盛東,周宇渤

(浙江省工程勘察院，寧波 315012)

浙江省溫嶺市長嶼硐天廢棄礦山，經(jīng)過長期的開采，地表生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，并遺留了大量的地質(zhì)災(zāi)害隱患，需要進行環(huán)境治理。本文通過全面的調(diào)查，以半定量分析法為主，定性分析、有限元模擬分析為輔的評價方法，主要對長嶼硐天連接通道進行穩(wěn)定性評價，為長嶼硐天環(huán)境治理提供依據(jù)和建議。

長嶼硐天;環(huán)境治理;連接通道

1 引言

浙江省溫嶺市長嶼廢棄礦山位于浙江省東部沿海溫嶺市新河鎮(zhèn)長嶼村一帶，距溫嶺市區(qū)13 km，是一座開采歷史悠久、規(guī)模巨大的凝灰?guī)r石材礦山遺址。采石歷史可追溯到隋唐時期，在清代和20世紀70～80年代規(guī)?？涨?。長期的開采形成了約1.55 km2的采石區(qū)，區(qū)內(nèi)地表生態(tài)環(huán)境遭到了嚴重破壞，并遺留了大量的地質(zhì)災(zāi)害隱患，需要進行地質(zhì)環(huán)境治理。為了給出合理的治理建議，需要充分掌握長嶼硐天地質(zhì)災(zāi)害的分布特征、危害程度，因此浙江省工程勘察院對治理區(qū)內(nèi)的不規(guī)則硐室和連接通道進行了全面的工程地質(zhì)穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價。

2 礦山不良地質(zhì)特征

2.1 概述

長嶼硐天礦區(qū)經(jīng)過長期的開采，在山體內(nèi)部形成了眾多大大小小的礦硐，少數(shù)礦硐在地表以下的部分被回填，但大多數(shù)礦硐在地表以下的部分未回填，且積滿地下水。礦硐積水深淺不一，礦硐積水的水面標高因礦硐的位置不同而差異也較大，變化范圍據(jù)估測在10～20 m左右，這也說明節(jié)理裂隙的連通性很差，硐與硐之間貫通性節(jié)理較少。

由于采礦作業(yè)的影響，勘查區(qū)域內(nèi)部分巖體穩(wěn)定受到影響，容易發(fā)生巖體崩塌事故。1997年8月碧玉潭礦區(qū)發(fā)生大面積崩塌，造成了14人的重特大死亡事故，并造成巨大的財產(chǎn)損失。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，勘查區(qū)域為多年采礦形成的采空區(qū)，山體內(nèi)部形成大量空洞、巖石邊坡以及礦渣堆積區(qū)等，在風(fēng)化、降水等不利因素作用下，容易引發(fā)山體失穩(wěn)、巖體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。同時，由于受到節(jié)理切割作用的影響，山體邊坡、硐室?guī)r壁上容易出現(xiàn)危巖，對周邊活動人員安全造成威脅。

2.2 通道基本特征及主要地質(zhì)災(zāi)害

2.2.1 通道分布概況

勘查區(qū)域內(nèi)的通道主要分布于大型硐室之間，與硐室相連，將獨立硐室連接成大型地下網(wǎng)絡(luò)，如圖1。從勘查區(qū)域平面圖上可以看出，勘查區(qū)域內(nèi)沿碧玉潭邊緣的通道， 寬約3.5～4 m，為本次勘查區(qū)域的主干通道，連接進入華玄硐群和花居硐群通道；各硐室間的通道曲折相連，并形成閉合通道體系。

圖1 通道分布概況圖

2.2.2 通道內(nèi)部地質(zhì)特征

勘查區(qū)域內(nèi)通道均為人工爆破挖掘通道，開挖時僅作為采礦通道，經(jīng)勘查，通道地質(zhì)特征如下：

(1) 通道圍巖總體完整性較好，勘查通道均為裸硐，未采取任何支護措施，故內(nèi)部巖壁表面凹凸不平，如圖2。

圖2 通道內(nèi)部基面

(2) 通道斷面形式各異，大部分通道為不規(guī)則四邊形構(gòu)造(如圖3(a))，寬度多為2.4～4 m，高度多為2～3 m，少數(shù)通道為不規(guī)則多邊形，且表現(xiàn)出跨度較大或高度較大(如圖3(b))。

(3) 通道縱斷面形式變化較大，主要是根據(jù)采礦要求而變化，較短的通道多為直線型，而較長通道的走向和轉(zhuǎn)向半徑變化較大。

(4) 通道圍巖較為完整，大部分圍巖等級為II級或Ⅲ級，局部圍巖因節(jié)理極為發(fā)育或風(fēng)化嚴重，且經(jīng)過爆破影響，巖體較破碎為Ⅳ級圍巖。

圖3 通道斷面形式

(5) 巖體類型為凝灰?guī)r，含安山巖和輝綠巖巖脈，凝灰狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

(6) 巖體大部分完整性較好，少部分巖體因節(jié)理發(fā)育導(dǎo)致完整性較差，且節(jié)理多為剪切節(jié)理，多閉合節(jié)理，部分張開節(jié)理，受爆破影響，少量節(jié)理有地下水滲出。

現(xiàn)場調(diào)查顯示，大部分通道斷面較小，圍巖完整性較好，對通道穩(wěn)定有利。通道內(nèi)表現(xiàn)出的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象是大部分通道存在危巖和松動掉塊，以及通道周圍地下水作用明顯，部分節(jié)理有地下水滲出。

3 各硐室連接通道圍巖質(zhì)量分級及穩(wěn)定性評價

本次勘查區(qū)域內(nèi)的24條通道巖性基本為凝灰?guī)r，偶見安山巖脈，凝灰?guī)r飽和單軸抗壓強度RC在36.4～59.7 MPa之間，屬于較堅硬巖。

3.1 各通道圍巖分級評價

通過詳細勘查，查明了通道圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征，節(jié)理產(chǎn)狀、組合關(guān)系，張開閉合程度、力學(xué)屬性，延展及貫穿情況，對各通道圍巖的分級評價，評價內(nèi)容如圖4。

圖4 AT1 通道分段描述

3.2 各硐室連接通道穩(wěn)定性總體評價

通道是硐室與外界及硐室之間的連接平硐，為采石作業(yè)的運輸通道。一般高2～5 m，底部水平或緩傾，寬3～5 m，頂部一般呈現(xiàn)拱形。顯然，連接通道與大型硐室在跨度、高度等尺寸上完全不同。對各硐室連接通道穩(wěn)定性評價以半定量分析法為主，定性分析、有限元模擬分析為輔。主要評價指標為：

(1) 通道頂板厚跨比，根據(jù)近似的水平投影跨度和頂部最薄處厚度H，求出厚跨比H/l，作為安全厚度評價依據(jù)，不考慮頂板形態(tài)、荷載大小和性質(zhì)。因水平硐頂比拱形差，故取近似水平狀態(tài)的H/l作為估算安全厚度的最小比值，由經(jīng)驗知H/l≥0.5是安全的，一般可取H/l≥1.0作為安全界限。

(2) 巖體力學(xué)參數(shù)。

(3) 硐室圍巖結(jié)構(gòu)類型。

(4) 地下水滲流情況。

對通道的穩(wěn)定評價如表1。

由于通道在采礦過程中，僅作為運輸和行人的通道，故其埋深一般較深，本次共對24條通道進行勘查，其中23條通道為山體內(nèi)部開挖形成的通道，頂板厚跨比(H/l)最小值為1.44，最大值為37.70，均大于1.0；而通道AT3為巨型崩塌巖體與山體巖壁圍成的通道，且崩塌巖體和山體巖壁的完整性、穩(wěn)定性均較好。

表1 通道穩(wěn)定性評價表

4 典型通道AT8圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

4.1 計算剖面

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，本報告暫取AT8通道剖面為典型進行數(shù)值分析，如圖5所示。根據(jù)室內(nèi)試驗，計算參數(shù)取值如表2所示。

4.2 計算方法

主要采用有限元法模擬。坡體材料均為Mohr-Coulomb類型材料，采用非關(guān)聯(lián)流動法則。圖6給出了兩個計算剖面的數(shù)值模擬的典型網(wǎng)格圖。本模擬仍分2個計算工況。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

圖5 通道AT8剖面圖

圖6 通道AT8有限元模型

4.3 計算工況

本模擬共分2個計算工況，具體如表3所示。

表3 計算工況匯總表

4.4 計算結(jié)果與分析

4.4.1 工況一(自然狀態(tài))

(1) 圍巖應(yīng)力場

自然狀態(tài)下圍巖自重應(yīng)力場如圖7、圖8所示?？梢姡畲?、最小主應(yīng)力分布均呈現(xiàn)由地表向深層逐漸變大的特征，硐室邊界上大主應(yīng)力近似與邊界平行，小主應(yīng)力接近于0。兩硐室邊腳處應(yīng)力集中較為明顯，AT8-1節(jié)理端部應(yīng)力集中極為明顯，兩硐之間的局部圍巖應(yīng)力集中也十分明顯。但距離兩硐室外側(cè)壁3倍硐室平均寬度以外的范圍，大主應(yīng)力方向接近鉛垂方向，小主應(yīng)力呈水平方向。說明自然狀態(tài)下，由于圍巖自身力學(xué)性質(zhì)很好，因而兩硐室外圍巖體應(yīng)力分布受硐室形成和節(jié)理的影響較不顯著，但距離較近的兩硐之間圍巖應(yīng)力受硐室形成和節(jié)理的影響較為顯著。

圖7 最大主應(yīng)力圖

圖8 最小主應(yīng)力圖

(2) 潛在不穩(wěn)定區(qū)域

自然狀態(tài)下硐周圍巖中實際最大剪應(yīng)變分布如圖9(a)所示，在兩硐之間近馬蹄形硐室的局部圍巖最大剪應(yīng)變相對稍大，是相對易發(fā)生變形的區(qū)域。經(jīng)過極限分析發(fā)現(xiàn)，硐室的可能潛在破裂面位于兩硐之間近馬蹄形硐室的局部拱形區(qū)域，如圖9(b)所示，具有深埋硐室的一般破壞特征，但穩(wěn)定系數(shù)可達到7.47，說明自然狀態(tài)下硐室的穩(wěn)定性很好。

圖9 自然坡體潛在滑面分析結(jié)果

4.4.2 工況二(飽水狀態(tài))

(1) 圍巖應(yīng)力場

飽水狀態(tài)下圍巖自重應(yīng)力場如圖10、11所示?？梢?，最大、最小主應(yīng)力分布均呈現(xiàn)由地表向深層逐漸變大的特征，硐室邊界上大主應(yīng)力近似與邊界平行，小主應(yīng)力接近于0。兩硐室邊腳處應(yīng)力集中較為明顯，AT8-1節(jié)理端部應(yīng)力集中十分明顯，兩硐之間的局部圍巖應(yīng)力集中也較為顯著。但距離兩硐室外側(cè)壁3倍硐室平均寬度以外的范圍，大主應(yīng)力方向接近鉛垂方向，小主應(yīng)力呈水平方向。說明飽水狀態(tài)下，由于圍巖自身力學(xué)性質(zhì)仍較好，因而兩硐室外圍巖體應(yīng)力分布受硐室形成和節(jié)理的影響較不顯著，但距離較近的兩硐之間圍巖應(yīng)力受硐室形成和節(jié)理的影響較為顯著。

(2) 潛在不穩(wěn)定區(qū)域

飽水狀態(tài)下硐周圍巖中實際最大剪應(yīng)變分布如圖12(a)所示，受節(jié)理和圍巖強度弱化的影響，在兩硐之間近馬蹄形硐室的局部圍巖最大剪應(yīng)變相對較大，是相對易發(fā)生變形的區(qū)域。經(jīng)過極限分析發(fā)現(xiàn)，硐室的可能潛在破裂面位于兩硐之間近馬蹄形硐室的局部拱形區(qū)域，如圖12(b)所示，具有深埋硐室的一般破壞特征，穩(wěn)定系數(shù)可達到2.61，說明飽水狀態(tài)下硐室的穩(wěn)定性比自然狀態(tài)下有顯著下降，但整體仍呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

5 小結(jié)

本文以通道頂板厚跨比、巖體力學(xué)特征、圍巖巖體結(jié)構(gòu)、地下水滲流情況為評價指標，應(yīng)用半定量分析方法，對勘查區(qū)域內(nèi)大部分硐室通道的穩(wěn)定性進行評估。得出以下結(jié)論：

(1) 各通道圍巖主要為凝灰?guī)r，局部含有安山巖巖脈，凝灰?guī)r飽和抗壓強度為36.4～59.7 MPa，屬較硬巖；安山巖飽和抗壓強度為59.2～73.5 MPa，屬硬巖，有利于通道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖10 最大主應(yīng)力圖

圖11 最小主應(yīng)力圖

圖12 潛在滑面計算結(jié)果

(2) 多數(shù)通道采用爆破法開挖形成，受爆破沖擊波影響，通道圍巖節(jié)理相對硐室圍巖節(jié)理較發(fā)育，但通道尺寸較小，寬度多為2.4～4 m，高度多為2～3 m，且多為拱形，在勘查過程中未發(fā)現(xiàn)變形較大、大型破碎帶或大型貫通裂隙。

(3) 少數(shù)通道內(nèi)部，存在地下水沿硐壁節(jié)理滲流現(xiàn)象，但滲流量不大，僅表現(xiàn)為微滲，且為局部現(xiàn)象，故對通道穩(wěn)定性影響不大。

(4) 大部分通道圍巖受到爆破擾動，但影響范圍較小，巖體分級主要為II、III級，局部節(jié)理發(fā)育的巖體為IV級；圍巖完整性和穩(wěn)定性較好，但局部巖體因節(jié)理相互切割形成危巖或破碎，需要進行清理或采取適當(dāng)?shù)募庸谭椒ā?/p>

(5) 本次共對24條通道進行了詳細的勘查和穩(wěn)定性評價，其中穩(wěn)定狀態(tài)的通道為23個，基本穩(wěn)定狀態(tài)的通道為1個；處于穩(wěn)定狀態(tài)的通道主體結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，通過局部整治，能消除地質(zhì)災(zāi)害隱患；但處于基本穩(wěn)定的通道(A4T2)的主體結(jié)構(gòu)狀態(tài)較差，雖然目前通道處于穩(wěn)定狀態(tài)，但巖壁風(fēng)化嚴重、節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性較差，在外界不利因素作用下，易發(fā)生落石、塌方等不良地質(zhì)問題，危及人員安全，故建議繞避。

[1] 陽生權(quán).陽軍生.巖體力學(xué)[M].機械工業(yè)出版社，2008：5-6.

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STABILITY EVALUATION OF CONNECTING PASSAGES BETWEEN CHANGYU CAVES

ZHANG Xuan,XU Sheng-dong,ZHOU Yu-bo

(Zhejiang Engineering Investigation Institute,Ningbo 315012,China)

Changyu caves is an abandoned mine in Wenling city, Zhejiang Province. Environmental governance needs to be carried out in this area, because the ecological environment has been severely destroyed and there are lots of potential geological hazards brought by the long-term exploitation.The stability of connecting passages between Changyu caves were evaluated based on a comprehensive survey, using the method of semi-quantitative analysis, qualitative analysis and finite element simulation as supplement, which provides reference and suggestions for the environmental governance in Changyu caves.

Changyu Caves;environmental Governance; connecting Passages

許鵬飛(1984— )，男，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治方面的工作和研究。E-mail:xpdsj@163.com

1006-4362(2017)01-0083-08

2016-12-30 改回日期： 2017-01-21

TD167;TU457

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