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。     

龙游牛场古工程洞室群变形破坏调查及工程地质条件分析

建于南宋的龙游牛场古洞室是国保单位小南海石室（即龙游石窟）的重要组成部分。这一由两个古洞室组成的洞室群,因开挖年代悠久,并因具有罕见的“边墙-顶板斜撑结构”（2号洞）和“塞式支顶结构”（1号洞）而引人关注。但两洞（包括洞口边坡）的变形破坏都十分严重。为长期保护这一重要的不可移动文物,作者从工程地质条件分析入手,对发生的严重变形破坏作了详细的调查分析。分析表明,长期风化（特别是生物风化）和由缓倾角红层构成的顶板过薄等是造成牛场古洞室发生较严重变形破坏的主要原因。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

锦绣黄岩蟠龙洞古地下洞室群的科学发现及初步分析

位于浙江黄岩的蟠龙洞是古人采石后遗留下来的一座大型地下洞室群,目前已被开发为锦绣黄岩旅游区。实地量测表明,洞室群中的3号洞高达64.3m,是世界上目前已知大型古地下工程的最高者。作者对该古地下工程数百年不倒的原因进行了初步分析,并发现了诸多蕴藏于其中的古代朴素科学思想和高超技术。     

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。     

贵州平寨水库左岸底层灌浆廊道大型充填溶洞及其形成机制

平寨水库坝址区以碳酸盐岩为主,岩溶较发育,水库左岸底层灌浆廊道大型充填溶洞,是水库地下工程施工开挖中揭露的规模最大、对水库渗漏影响最大、设计及施工处理难度最大的溶洞。本文以工程前期地质勘察工作为基础,在区域地貌、地质构造格局、地层岩性、地表及地下水系发育特征研究的基础上,结合工程防渗施工揭露的岩溶水文地质现象、洞穴充填物研究等,从可溶性岩层、地下水来源及运移途径、暗河冲刷与洞顶坍塌作用4个方面,对溶洞发育形成机制进行了研究。分析认为,鸡场背斜北西翼纵向张裂隙和横张裂隙及层间滑脱、断裂破碎带,为五里大洞鸡场洼地上坝洼地地下水向三岔河的径流提供了运移的原始空间与通道,形成溶洞的地下水为五里大洞鸡场洼地上坝洼地地下暗河,长期溶蚀作用使裂隙通道变为溶蚀宽缝并最终转化为岩溶管道,岩溶水沿此通道在左岸底层灌浆廊道桩号0+238～0+296m附近下中部岩体呈虹吸状循环,地下水的强烈冲刷与洞顶坍塌在溶洞形成过程中的作用巨大,后因深部径流条件改变,岩溶管道被逐渐堵塞,形成如今的大型充填溶洞。     

关于龙游石窟4号洞4-2号岩柱长期抗剪强度反分析问题的讨论

对于地下工程来说,围岩的长期抗剪强度从来是工程设计者和研究者所关心的课题。但历来仅根据持续时间十分 有限的试验来确定。因此从某种意义上说,由这类试验所得到的,并非真正意义上的长期抗剪强度。所以,本文提出的根据 龙游大型古地下工程即龙游石窟岩柱(包括柱础)的剪坏现象反算岩柱的长期抗剪强度的成果,是很有理论价值的。本文将 以龙游石窟4号洞的4-2号岩柱为对象作古地下工程岩柱长期抗剪强度的反演研究。为了在反演中能进一步考虑剪切面上 各部位的应力变化,作者还借助于FLAC-3D分析结果对不同部分分别进行研究,从而取得了较好的反演结果。     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性