楊 丹,胡卸文,2，胡亞運

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院,四川 成都 610031；2.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,四川 成都 610031；3.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012)

浙江省溫嶺市長嶼硐天遺址公園是有著一千五百多年石材開采歷史的廢棄礦區(qū),遺留了多達28個硐室群、1 000多個采空硐室[1]。但是由于石材的大量開采,嚴重地破壞了長嶼硐天地區(qū)的原始地質(zhì)環(huán)境,并遺留了大量地質(zhì)災(zāi)害隱患。1997年,碧玉潭硐群因礦柱被采發(fā)生礦山塌陷,瞬間的塌陷又進一步引發(fā)巨大的山體崩塌,造成嚴重的人員傷亡事故和巨大的財產(chǎn)損失。鑒于這些突出的礦山地質(zhì)環(huán)境問題,2001年溫嶺市政府山全面停止了長嶼礦山采石活動,將其建設(shè)成為長嶼硐天采石遺址公園。長嶼硐天遺址公園內(nèi)生態(tài)環(huán)境破壞嚴重,人類石材開采活動誘發(fā)的危巖體分布較多,如發(fā)生崩塌落石,對景區(qū)及游人的傷害不可估量。因此,開展長嶼硐天景區(qū)危巖體的全面調(diào)查與分析是十分必要的。

在危巖體研究方面,國內(nèi)外專家、學者以及工程技術(shù)人員重點開展了危巖體的發(fā)生機理、失穩(wěn)模式以及治理措施等研究[2～3],如陳洪凱等[4]、樂琪浪等[5]、黃波林等[6]等深入研究了三峽地區(qū)危巖體的危巖主控結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)計算方法、損傷斷裂機理、防治與錨固措施等,并發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)危巖鏈式規(guī)律[6～9]；高永才等[10～12]分別對云臺山景區(qū)、樂山大佛景區(qū)以及瀘定縣觀音閣等危巖體穩(wěn)定性和治理措施進行了研究。但是多數(shù)研究成果以邊坡危巖體為研究對象,而針對大型硐室內(nèi)危巖體特征的研究成果較少。然而硐室內(nèi)部危巖體與常規(guī)邊坡上的危巖體存在著顯著不同。

本文以長嶼硐天遺址公園的花居硐群、華玄硐群、碧玉潭硐群三大硐群的24個硐室為研究對象,詳細調(diào)查硐室內(nèi)部42處危巖體，并發(fā)現(xiàn)了12處“片狀”危巖體，分析了片狀危巖體的形成機理。

1 危巖體分布及特征

1.1 研究區(qū)域危巖體特征

長嶼硐天遺址公園內(nèi)巖體雖為完整性較好的塊狀凝灰?guī)r,但受石材開采的影響,硐室內(nèi)壁上形成多處危巖體,經(jīng)現(xiàn)場勘查華玄硐群、花居硐群、碧玉潭硐群,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)42處危巖體的主要特征如下：

(1)危巖體規(guī)模不大,最大危巖體僅為200 m3左右,最小危巖體不足1 m3,其中72%的危巖體體積不超過10 m3,19%的危巖體體積為10～50 m3,2%的危巖體體積為50～100 m3,大于100 m3的危巖體僅有7%。

(2)由于受到硐室和通道空間區(qū)域的限制,危巖體一般距地面高度不大,其中59%的危巖體距地面高度小于5 m,30%的危巖體距地面高度為5～10 m,9%的危巖體距地面高度為10～20 m,僅2%的危巖體距地面高度超過20 m。

從危巖體規(guī)?？?長嶼硐天硐室內(nèi)壁危巖體與邊坡危巖體具有較大區(qū)別,雖然長嶼硐天礦區(qū)危巖體規(guī)模不大,分布高度多為20 m以內(nèi),但危巖體對于景區(qū)內(nèi)游人卻存在巨大的安全隱患,如果出現(xiàn)失穩(wěn),則瞬間產(chǎn)生的沖擊力將對游人造成巨大傷害(圖1)。

圖1 硐壁上崩落的危巖體Fig.1 A dangerous rock collapsed from the cavern rockwall

1.2 片狀危巖體分布及特征

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域內(nèi)存在一種“片狀”危巖體(分布見圖2),共計12處,此類片狀危巖體面積較大,厚度較小,與塊狀危巖體及楔形危巖體顯著不同：

圖2 片狀危巖體分布圖Fig.2 Occurrence of the quasi layered rock mass

(1)片狀危巖體多分布于硐室內(nèi)部,露天巖壁上分布較少,在勘查中發(fā)現(xiàn)的片狀危巖體中僅1處分布在露天巖壁上,其余均分布在硐室內(nèi)壁上。

(2)片狀危巖體發(fā)生區(qū)域巖體均為塊狀凝灰?guī)r,巖層完整性較好,無層理面或大量平行節(jié)理。切割片狀危巖體的結(jié)構(gòu)面較少,一般發(fā)育1～3條結(jié)構(gòu)面；在危巖體與母巖之間形成切割面,依靠未貫通結(jié)構(gòu)面維持危巖體的穩(wěn)定。

(3)危巖體呈薄片狀,厚度小,與其長度、寬度相差較大,寬高比一般在1～2之間,而厚高比僅為0.01～0.2之間,具體見表 1。

(4)危巖體多位于硐室?guī)r壁上,且?guī)r壁傾角在70°～90°之間,而危巖體下部支撐條件較差,多為凹腔或通道門(圖3),使危巖體處于懸空狀態(tài)。

(5)片狀危巖體主要形成于近現(xiàn)代的石材開采活動中,規(guī)模相對較大,而在古代采石活動中形成的危巖體較少,規(guī)模相對較小。

圖3 陡壁上的片狀危巖體Fig.3 Schistose dangerous rock on the steep

2 場地地質(zhì)條件

長嶼硐天景區(qū)位于我國浙江省溫嶺市沿海丘陵平原地區(qū),氣候溫和,四季分明,雨量充沛,采空硐室內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境溫差較大[1]；受降雨影響,部分硐室有積水。長嶼地區(qū)其附近的區(qū)域構(gòu)造格架以北東、北西向為主,但區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件較為簡單,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙,且節(jié)理性質(zhì)屬壓剪性,部分組合屬共軛關(guān)系。

勘查區(qū)域及其附近主要出露地層為上侏羅統(tǒng)西山頭組二段-三段(J3x2-J3x3)和第四系殘坡積物。巖體以空落相的凝灰?guī)r為主,山體中局部有安山巖巖脈分布。巖體組構(gòu)的粒度不均,從大的集塊和角礫,到細凝灰和局部的黏土礦物,均有分布。這些不同成分、不同粒度的組合排列沒有明顯的成層性,大多呈塊狀構(gòu)造,巖體完整性較好,節(jié)理裂隙發(fā)育較少。

3 危巖體形成機理分析

長嶼地區(qū)凝灰?guī)r為空落相火山巖,塊狀,巖體完整性較好,構(gòu)造節(jié)理不發(fā)育。因此,形成片狀危巖體的結(jié)構(gòu)面并非巖體的層面,也并非早期節(jié)理裂隙帶,而是由后期硐室開挖時應(yīng)力釋放產(chǎn)生的卸荷拉力形成的。為了深入研究片狀危巖體的形成過程與發(fā)生機理,本文以W42危巖體為例進行詳細分析與研究。

3.1 危巖體結(jié)構(gòu)特征分析

W42危巖體位于采石遺留硐室A2H10大廳P3面上(圖4),寬11 m,高12.76 m,厚0.5～1.6 m,主要巖性為凝灰?guī)r,危巖穩(wěn)定性主要受面壁上裂隙發(fā)育情況控制,結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖5,結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1。根據(jù)現(xiàn)場勘查,W42危巖體主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為70°∠83°,閉合,無填充,裂隙面粗糙且干燥,貫通度較好,延伸長度約為8 m。

圖4 W42片狀危巖體Fig.4 Schistose dangerous rock W42

3.2 力學特征分析

本文采用FLAC2D軟件對硐室開挖前后的圍巖應(yīng)力場進行計算,以分析硐室開挖對圍巖應(yīng)力場的影響以及卸荷作用影響范圍。

硐室剖面見圖5。地層初始地應(yīng)力場采用彈性模型,硐室開挖后的圍巖應(yīng)力計算采用摩爾庫倫模型,以分析硐室圍巖的彈塑性變形情況；巖體參數(shù)取值綜合考慮了巖石室內(nèi)試驗結(jié)果并按圍巖級別參照規(guī)范[14]建議值進行了修正,見表2。通過計算得出以下結(jié)論：

圖5 危巖體W42的示意圖Fig.5 Dangerous rock W42

(1)硐室開挖前,巖體處于受壓狀態(tài),但由于受地形起伏影響,存在一定的偏壓情況,最大主應(yīng)力在1～2 MPa之間,最小主應(yīng)力在0.2～0.4 MPa之間,且均為壓應(yīng)力(FLAC軟件中壓應(yīng)力為負,拉應(yīng)力為正)(圖6)。

(2)硐室開挖后,在應(yīng)力重分布的作用下,危巖體附近的圍巖在豎直方向處于受壓狀態(tài),壓應(yīng)力為0.5～1.5 MPa之間；在水平方向處于受拉狀態(tài),拉應(yīng)力為0.25 MPa(圖7),遠小于巖體抗拉強度1.98 MPa?？梢?危巖體及其周圍巖體的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均未達到巖體破壞標準,即危巖體壓應(yīng)力和拉應(yīng)力并不是巖體穩(wěn)定的主要影響因素。

(3)對比開挖前后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn),硐室開挖對圍巖產(chǎn)生了顯著的卸荷作用。本文將開挖后與開挖前的應(yīng)力比值定義為卸荷比,并繪制了卸荷比等值線,如圖8。根據(jù)卸荷比等值線,危巖體最大主應(yīng)力卸荷比為0.1～0.3,最小主應(yīng)力卸荷比為-0.05～-0.3(負值表示開挖前圍巖受壓,開挖后圍巖受拉)?？梢?硐室開挖后,危巖體附近圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大變化,在應(yīng)力重分布過程中,發(fā)生了較為復雜的應(yīng)力調(diào)整,但圍巖應(yīng)力調(diào)整的范圍有限,在距離開挖面3 m左右時,卸荷比為0.8；距離開挖面1.5 m時,卸荷比為0.5 左右。可見,硐室開挖的卸荷作用的影響范圍為3 m,特別是對開挖面1.5 m范圍的圍巖影響更大,這為片狀危巖體的形成提供了有利條件。

表1 危巖體特征統(tǒng)計表Table 1 Characteristics of the dangerous rocks

表2 巖體物理力學性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical properties of rock mass

圖6 開挖前圍巖最大、最小主應(yīng)力圖Fig.6 Diagram showing the maximum and minimum principal stresses of the surrounding rock before excavation

圖7 開挖后圍巖最大、最小主應(yīng)力圖Fig.7 Diagram showing the maximum and minimum principal stresses of the surrounding rock after excavation

圖8 卸荷比等值線圖Fig.8 Contour map of the unloading ratio

3.3 危巖形成機理分析

根據(jù)危巖體的應(yīng)力狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)面特征分析可知,W42片狀危巖體形成的主要原因是硐室開挖的卸荷作用,導致圍巖應(yīng)力重分布,在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下,巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的原生裂隙發(fā)生了拉剪(I型)型破壞,導致微裂隙不斷擴展形成了切割危巖體的結(jié)構(gòu)面。根據(jù)胡峰[15]的研究結(jié)果,拉剪應(yīng)力作用下原生裂紋開裂角θ0(以下簡稱起裂角)方程與原生裂紋起裂的應(yīng)力強度因子方程為：

σn=σ1cos2α+σ2sin2α

(1)

τs=(σ1-σ2)sinαcosα

(2)

(3)

式中：α——原生裂隙傾角/(°)；

Cl——原生裂縫半長/m；

θ0——起裂角/(°)；

σn——裂隙面的正應(yīng)力；

τs——裂隙面的剪應(yīng)力。

將式(1)、(2)代入式(3),得到下式：

(4)

為了進一步計算應(yīng)力強度因子KI值,按照以下方法確定相關(guān)參數(shù)值：

(1)根據(jù)前文有限元計算得到,σ1=1.5 MPa,σ2=0.25 MPa；

(2)根據(jù)文[16]相關(guān)研究成果,巖體內(nèi)部裂隙傾角α在45°～66.6°時,容易發(fā)生剪應(yīng)力驅(qū)動的滑動裂紋破壞,故選擇α=45°、50°、55°、60°、66.5°,進行計算分析；

(3)由于巖體內(nèi)部原生裂縫長度難以確定,在綜合考慮長嶼硐天礦區(qū)巖體裂隙勘查的情況的基礎(chǔ)上,假設(shè)原生裂隙半長Cl為0～4 m；

(4)由于巖體原始裂紋起裂角影響因素較為復雜,本文選擇θ0為0°～90°之間變化。

將相關(guān)參數(shù)代入式(4)進行計算可知,應(yīng)力強度因子KI受α、θ0、Cl的影響而顯著變化,并得到以下規(guī)律：

(1)KI的最大值隨α的增大,呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,并在α=56°時,KI達到最大值2.785,此時θ0=78°、Cl=4 m(圖9)。

(2)當θ0≤13.5°時,KI≤0,根據(jù)應(yīng)力強度因子KI的定義,KI小于零無實際工程意義,故θ0的取值范圍應(yīng)為13.5°～90°(圖10)。

(3)KI的值隨θ0的增大,呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,在θ0=78°時,各種情況下的KI均達到最大值(圖11)。

(4)根據(jù)文[17],凝灰?guī)r的斷裂韌性(臨界應(yīng)力強度因子)KIC為1.22～1.96,從圖12中可知,當θ0>36°、Cl>0.8 m,KI值可滿足KI>KIC的巖體裂紋開裂條件。

根據(jù)以上分析,長嶼硐天礦區(qū)巖體在卸荷荷載作用下,能夠達到巖體內(nèi)部原生裂紋開裂條件,特別θ0在60°～90°時,KI值較大,容易發(fā)生開裂。而且,根據(jù)現(xiàn)場勘查,研究區(qū)域內(nèi)硐室內(nèi)壁上的結(jié)構(gòu)面傾角均較大或近直立(圖11)。而W42危巖的主控結(jié)構(gòu)面傾角為83°,符合計算獲得的開裂條件。

圖9 原生裂隙角與應(yīng)力強度因子曲線圖Fig.9 Curves of the primary fracture angle and stress intensity factor

圖10 應(yīng)力強度因子隨起裂角及原生裂隙半長變化曲線圖Fig.10 Curve of the stress intensity factor with the initial crack angle and half length of the primary fracture

圖11 A2H2硐室一側(cè)巖壁節(jié)理素描圖Fig.11 Sketch of joint of the A2H2 cavern rock wall

圖12 應(yīng)力強度因子隨起裂角及原生裂隙半長變化曲面圖Fig.12 Surface graph showing the variation of the stress intensity factor with the initiation angle and the half length of the primary fracture

4 危巖體穩(wěn)定性評價

根據(jù)前文的數(shù)值模擬計算分析,危巖體及其周圍巖體的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均遠小于巖體抗壓強度和抗拉強度,故危巖體的穩(wěn)定性主要受巖體結(jié)構(gòu)面控制。為此,本節(jié)深入研究分析了在巖體結(jié)構(gòu)面影響下的危巖體穩(wěn)定性。

(1)荷載類型

假定危巖體自重產(chǎn)生的重力以及人工振動或地震產(chǎn)生的地震力均作為集中應(yīng)力作用在危巖體重心上。張開的節(jié)理裂隙中的靜水壓力及淺滑壓力均按線性分布的靜水壓力考慮。本文將危巖體視為平面應(yīng)變問題,即取單位寬度的危巖體進行計算。

危巖體自重：危巖體體積與天然容重的乘積。

地震力：主要考慮水平地震力,為危巖體自重與水平地震系數(shù)的乘積。長嶼地區(qū)天然地震較少,地震基本烈度小于Ⅵ度,震動峰值加速度小于0.05g,因此水平地震作用系數(shù)為0.05[19]。

(2)荷載組合

根據(jù)長嶼地區(qū)地質(zhì)背景,危巖體穩(wěn)定性評價時應(yīng)考慮以下三種荷載組合情況：

組合1：自重+孔隙水壓力(天然狀態(tài))

組合2：自重+孔隙水壓力(暴雨狀態(tài))

組合3：自重+孔隙水壓力(天然狀態(tài))+地震力。

其中,墜落式只考慮荷載組合1與3,滑移式同時考慮三種情況。

(3)危巖體力學參數(shù)

危巖巖體為凝灰?guī)r,巖體容重根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果獲得。根據(jù)文[7]與[19],危巖體抗拉強度根據(jù)巖石抗拉強度標準值乘以0.20的折減系數(shù)確定。巖體力學參數(shù)如表2。當結(jié)構(gòu)面未完全貫通時,以貫通段與未貫通段按長度取加權(quán)平均值可求得危巖結(jié)構(gòu)面的黏聚力和摩擦角的標準值。

(4)危巖體穩(wěn)定系數(shù)計算

根據(jù)現(xiàn)場勘查情況(表 1),大多數(shù)片狀危巖體的破壞模式均為墜落式,僅有兩處為滑塌式。危巖體的穩(wěn)定系數(shù)可根據(jù)文[19]中提出的危巖穩(wěn)定系數(shù)計算方法進行分類計算,具體計算公式見表 3。

表3 危巖穩(wěn)定性計算公式Table 3 Formula for the calculation of the stability of dangerous rocks

表中各變量意義如下：W為危巖體自重/kN；P為水平地震力/kN；Q為裂隙水壓力/kN；β為主控結(jié)構(gòu)面傾角；H為危巖體高度/m；c、φ為結(jié)構(gòu)面的等效強度參數(shù)。

根據(jù)表 3中的公式可依次計算出各危巖體的安全系數(shù)Fs。由于長嶼硐天景區(qū)為采石遺址公園,是要對游客開放的公共區(qū)域,因此按照文[19]中危巖防治工程等級標準,將長嶼地區(qū)安全等級定義為一級區(qū)域,對應(yīng)滑塌式危巖的安全系數(shù)應(yīng)大于1.40,墜落式危巖的安全系數(shù)應(yīng)大于1.60。

5 結(jié)論

(1)雖然長嶼硐天地區(qū)塊狀凝灰?guī)r完整性較好,節(jié)理裂隙較少,但是卻出現(xiàn)多處片狀危巖體。這類片狀危巖體的節(jié)理裂隙并非原生層理面,也并非后期節(jié)理裂隙帶,而是典型的卸荷作用引起的結(jié)構(gòu)面切割而形成的危巖體。雖然卸荷作用在巖體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力并未超過巖體抗拉強度,但是由于巖石開采導致巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布,造成巖體內(nèi)部滿足一定條件的原生節(jié)理裂隙進一步發(fā)展形成了多組結(jié)構(gòu)面,并相互切割形成了危巖體。

(2)片狀危巖體的形成機理為具有較大傾角(大于45°)的原生節(jié)理裂隙的開裂角較大,一般在60°～90°之間,特別是在78°左右時,應(yīng)力強度因子KI較大,更容易發(fā)生開裂,進而發(fā)展成切割危巖體的結(jié)構(gòu)面。經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),長嶼硐天景區(qū)硐室圍巖的節(jié)理多為陡傾節(jié)理或近直立,這一點與本文分析結(jié)論較為吻合。

(3)由于卸荷作用引起的危巖應(yīng)力調(diào)整范圍較小,一般僅在3 m范圍內(nèi)較為顯著,特別1.5 m范圍內(nèi)的圍巖影響非常大,但在超出5 m的范圍后,卸荷作用并不顯著,所以巖體開挖后,表層巖體受應(yīng)力重分布影響形成了片狀危巖體。

(4)片狀危巖體的破壞模式以墜落式為主,由于在卸荷作用的影響下,原生結(jié)構(gòu)裂隙開裂長度有限,基本未造成破壞性切割,再加上片狀危巖體的體積相對較小、重量相對較小,所以多數(shù)危巖體處于欠穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài),但為了提高安全系數(shù),確保景區(qū)與游人安全,可以通過錨桿進行加固。

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