浙江龙游牛场古地下洞室群1号洞顶板长期抗拉强度估算

根据牛场古地下洞室群1号洞顶板的拉裂现象,利用Ansys 建立与牛场古地下洞室群初始及边界条件相符的模型,通过FLAC-3D计算获得拉裂缝所在单元垂直裂缝方向的拉应力范围,即0.037~0.469 MPa。由于顶板拉裂缝是经过长期变形而产生的,结合材料力学第一强度理论,该范围可以作为牛场古地下洞室群1号洞顶板围岩的长期抗拉强度。     

龙游石窟1～3号洞室稳定性分析及安全通道路线的选择

龙游石窟是一个大型古地下洞室群,具有重要文物价值。但龙游石窟正面临着风化速度加快,围岩变形破坏越来越严重等问题。在洞室群内部设置安全通道的方法是保证旅游安全和实现洞室群长期保护的一个重要措施。为制定设计安全通道的合理方案,对洞室群分布区的变形破坏现象进行了现场地质调查,并根据调查结果重点分析了洞室群洞口区域、顶板、公共边墙和岩柱的变形破坏特征。并利用有限差分程序FLAC3D进行了数值计算分析,对安全通道所经过区域的洞室围岩稳定性进行了评价。在计算过程中,利用网格单元的安全系数计算方法对比分析了安全通道的不同设计方案,初步确定了龙游地下洞室群1～3号洞室安全通道的设计路线。     

龙游大型古地下洞室群1～5号洞水文地质与工程地质条件研究

一个超浅埋大型古地下洞室群于1992年在浙江省龙游县被四个农民发现。该洞室群的发现引起了各方面专家和学者的广泛关注。但从发现至今已出现了多种破坏现象,如顶板脱落、洞间壁坍塌、柱子拉张或剪切破坏以及由于渗水导致的洞室围岩的干湿交替引发的风化现象等等。本文从工程地质调查入手,对龙游古地下洞室群的工程地质条件、水文地质条件等进行了分析,为下一步的保护工作提供地质基础。     

龙游石窟1号洞破坏成因及加固对策研究

龙游石窟1号洞和其他4个洞体,开发16a来,在取得了丰硕的社会经济效益和学术成果的同时,洞体在自然力的作用下,出现了严重的破坏。构成石窟的柱、墙和顶板陆续出现裂缝。其原因是构成洞体的泥质砂岩易于风化、易于流变,在干湿交替和温度变化的情况下极易破坏。同时处于浅埋状态的洞室顶板、柱子、墙体强度不足,在自重作用下发生以冲切、剪切、弯曲为主要特征的破坏形式。开发时施加的外部荷载加剧了这种破坏。针对这些破坏形式,加固方案宜采用整体设计分步实施的方案。先柱墙,后顶板。柱墙加固以柱支撑为主要手段,顶板以梁支撑为主要手段。两者相互联系形成一个美观的加固体系。     

龙游牛场古地下洞室群岩柱的长期抗拉强度反演

在龙游县上畈村附近的牛场有一处由2个洞室组成的古地下洞室群。现场调查发现,在其中1号洞的岩柱1上出现了一条竖直的张开裂缝。据分析,这是上覆岩层对该岩柱施加过大荷载的结果,这一发现为本文研究岩体长期抗拉强度提供了条件。作者即以根据牛场古地下洞室群1号洞内岩柱1的拉裂现象为研究对象,根据最大拉应力论来反演岩体的长期抗拉强度。这不仅对长期强度研究具有理论意义,而且在古工程保护方面也具有应用价值。     

龙游石窟3-2号岩柱变形破坏对3号洞应力变化的影响

作为具有大跨度、超浅埋等特点的千年古地下洞室群,龙游石窟吸引着众多前来研究的岩石力学家和工程地质学家。近些年来,龙游石窟的3号洞顶板多处出现了开裂和离层。安装在3-1号岩柱周围起支撑洞室作用钢柱上的应变片数值也发生了变化。据分析,这些现象出现的一个重要原因是3-2号岩柱强度降低引起洞室围岩受力条件的改变。利用FLAC3D数值软件,借鉴强度折减法,对3-2号岩柱强度降低引起上述变化的情况进行了模拟。数值模拟的结果可以较好地解释上述现象。在此基础上,进一步对3号洞顶板和其他岩柱的应力变化等进行了数值分析。结果表明:①3-2号岩柱的强度已有所下降,并有继续降低的趋势;②随着3-2号岩柱强度的降低,顶板的裂缝将不断增长、增多。其结果可为3-2号岩柱强度降低过程中洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。     

龙游石窟3号洞第3-2号岩柱的监测与开裂机理分析

龙游石窟1-5号洞室群几百年来一直处于水下,1992年首次被抽干水用于开发旅游。由于抽水前后环境的强烈改变,以及洞内干湿交替明显,所以洞室围岩风化和破坏都十分严重。其中,本文所讨论的3号洞第3－2号岩柱就是已发生严重开裂,并亟待加固。为对该岩柱的加固提供科学依据,需准确把握变形破坏发展情况和据此研究它的变形破坏机理。为此,作者采用JSYCB-73系列电感式测缝仪和钢尺等手段对岩柱开裂的宽度和长度进行监测。根据监测所取得的大量数据和地质条件,对该岩柱的开裂机理进行了分析,得出了以下结论:（1）用来加固邻区的混凝土喷层的重力部分转移到该岩柱上,从而增加了荷载;（2）由于洞内渗水严重、干湿交替、温差变化较大等使风化作用加大。结果,导致该岩柱的强度降低。（3）该岩柱强度的降低和所施加荷载的增加等两个因素最终导致了岩柱被压裂。根据上述研究结论,并考虑文物保护和旅游的需要,提出了治水、地表卸荷、岩柱加锚、加箍等加固措施。加固后的监测数据表明,开裂已不再发展,岩柱已处于稳定     

龙游石窟3号洞窟顶板裂缝发育机理及加固支护研究

龙游石窟3号洞顶板裂缝发育迅速, 为控制裂缝的进一步发育, 本文采用因素调查、力学计算、监测分析的方法, 对顶板裂缝的发育机理及规律开展研究。研究结果表明:裂缝在多因素交互影响下发育加剧; 裂缝产生的主要原因是围岩的断裂韧度较低; 在已支护区范围内裂缝的发育得到缓解, 未支护区范围裂缝发育速度加快; 已支护区范围外的顶板出现不均匀沉降现象, 原有的支护和监测措施已显不足。针对裂缝发育区本文提出了一套支顶式加固方案, 并采用BIM(Building Information Modeling)技术对洞室和支护结构进行了可视化展示。最后提出了智能化监测方案, 对支护结构和洞室进行监测, 以使支护结构更好地发挥作用。支护方案和监测方案的实施可为古地下洞室的长期稳定提供保障。     

浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示

作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。     

关于龙游石窟23号古地下洞室23-1号斜坡柱稳定问题的讨论

龙游石窟是一个大型的古地下洞室群,具有重要科学和文物价值。为论证古人在龙游石窟23号古地下洞室的洞口设置23-1号斜坡柱的科学性,开展了稳定问题的相关研究。通过对23号洞的地形地貌、地层、构造、地震等方面开展现场地质调查、三维激光扫描和电镜扫描、X射线衍射试验,分析了23-1号斜坡柱岩体的微观性质。结合岩石的物理力学试验和数值反分析方法,反演分析获得了23-1号斜坡柱的物理力学参数。在以上研究的基础上,通过采用假想相同平均截面,同体积的直立岩柱代替原有的23-1号斜坡柱,利用FLAC3D软件对比分析了两种不同岩柱的洞体力学特征。研究结果证明了古人设置23-1号斜坡柱明显优于直立的同体积岩柱,有利于洞室的稳定性,由此论证了古人设置倾斜岩柱的科学性。这一科学发现对现代采矿工程、地下空间的开发与利用、岩土工程的设计与施工具有重要的参考价值。     

微环境对龙游石窟粉砂岩风化的影响

通过龙游石窟2号洞离洞口较近的洞内围岩的风化程度比离洞口较远的洞内围岩的风化程度更为严重的事实来论证微环境对粉砂岩风化的影响。为了描述围岩风化的严重程度,利用橡皮泥压模法对龙游石窟2号洞洞口附近围岩和洞内围岩的凿痕深度进行了量测。量测结果表明,洞内围岩凿痕的最大高差和最大起伏度的平均值分别为10.2mm和0.43。与之相比,洞口附近围岩凿痕的相应值都较小,分别为8.0mm和0.35。以上数据说明洞口围岩凿痕的风化深度较大,粗糙程度较小,被"磨平"的趋势更严重。作者认为,2号洞洞口附近和洞内的微环境差异(主要包括降水、温度、光照和苔藓等)造成了上述围岩风化程度的差异。     

安徽花山古代大型地下洞室群工程地质条件与变形破坏规律研究

本文从工程地质条件和岩石力学两方面对古洞室群围岩的变形破坏规律，特别是支顶岩柱拉裂和剪裂破坏及顶板掉块等进行了研究，对洞室群的稳定性做出了初步评价。在此基础上，提出了以防止地表水沿裂隙入渗和建立一个高效监测系统为主要手段的建议。     

黑洞大型古地下洞室群工程地质条件及岩体稳定性分析

位于浙江天台县蟹山山体内的黑洞洞室群, 以其优越的工程地质条件和完整的岩体结构, 自隋朝以来成为大型古地下采石场。洞室群包括总面积达24 000 m²的21个洞室, 其长轴方向基本沿两组主要地质结构面走向展布。研究显示:总体采石层系上白垩统塘上组(K₂t)第6层灰白色含玻屑熔结凝灰岩;岩体质量指标Q值计算结果为53(I级)。按现代地下洞室设计理念, 其长期稳定最大跨度应不大于50 m, 但实际上5号洞最大跨度达81 m, 可望成为地下人工岩石单洞跨度之最。现场调查发现, 古人在蟹山山脚残留多处地质探洞。古代工匠在洞室开挖过程中遇到断层破碎带时, 采用了近垂直、小断面、高台阶穿越技术方法, 有效保证了不良地质体中无支护开采的安全性和长期稳定性, 这对现代地下工程具有借鉴和工程类比意义。     

温岭大型古地下采石场长屿硐天凌霄硐洞室群工程地质条件评价

世界地质公园大型古地下采石场长屿硐天位于浙江省温岭市新河镇。据调查,这一由28个洞室群,占地面积约16km2的大型古地下采石场的采石史可追溯到1500a前的南北朝。凌霄硐洞室群是上述28个洞室群之一。其主洞的高度、跨度分别达55m和28m。问题是这些巨型洞室何以千年不倒,为了回答这一问题,也为了为这些重要古洞室的保护和安全旅游提供基础资料,本文开展了以凌霄硐为例的有关长屿硐天大型古洞室群的工程地质条件的研究。     

龙游石窟洞室围岩长达8a的风化速度及风化时限研究

本文以龙游石窟围岩表面凿痕为研究对象,采用压模法,自2004年开始,每4a一次对凿痕进行了3次测量,提取了凿痕的几何特征曲线,并量化了其几何特征。通过不同时间的测量结果对比,对洞室围岩的风化速度进行了研究,并对洞室围岩凿痕的风化趋势给出了预测。研究结果表明,在2004~2012年8a内的平均风化速度0.28~0.5mma-1,最大风化速率为0.46~0.89mma-1。且后4a内的平均风化速率要小于前4a的风化速率。洞室内凿痕在目前环境条件下的风化时限为30a左右,即其可保持的时间尺度在百年范围内。换句话说,在近百年后,洞室内的精美凿痕将消失殆尽。基于此,本文提出了减缓风化的初步建议。该成果可为更好地保护龙游石窟、科学开发国家古文物、减少管理风险提供科学依据。     

爆炸平面波作用下大跨度洞室稳定性模型试验研究

通过抗爆模型试验,研究了爆炸平面波作用下大跨度毛洞和锚喷衬砌支护洞室的受力变形和稳定状态。介绍了模型试验原理及方法,根据试验实测数据分析了洞室围岩的受力特征、洞壁的运动变形特征、洞室的破坏形态及承载能力等。研究表明：设计工况和超载工况下,锚喷衬砌支护洞室侧墙部位垂直应力、拱顶加速度正峰值、拱顶位移峰值及残余值、洞壁环向应变峰值均明显小于毛洞;超载试验后,毛洞破坏严重,丧失了承载能力,而锚喷衬砌支护洞室破坏明显轻微,承载能力可提高约60%。     

平面装药条件下洞室受力特征试验研究

通过抗爆结构模型试验,研究了洞室围岩与衬砌结构受力变形特征。介绍了模型试验原理及平面装药爆炸模型试验方法,根据试验实测结果分析了设计爆炸荷载和超载条件下毛洞与衬砌洞室的洞周应力峰值分布特点,给出了两种工况条件下洞室围岩变形特征,从拱顶-底板相对位移、洞壁应变峰值、洞壁应变随时间变化等方面进行了对比分析。试验结果表明,衬砌支护措施可有效提高洞室的抗爆能力,是提高工程抗力等级的重要技术手段     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

龙游石窟群工程地质条件分析及保护对策初步研究

新发现的龙游石窟群 ,由于其规模之大 ,地下开挖水平之高 ,也由于存在着许多疑团而引起广泛的关注。本文将从其工程地质条件、古石窟群开挖技术中的科学技术亮点、围岩的主要变形破坏类型以及这一古石窟群的保护对策等方面进行研究。