洞室结构对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

龙游大型古地下洞室群开挖于白垩系衢县组泥质粉砂岩中,具有大跨度、超浅埋、支撑小和稳定时间长等特点。根据现代岩石力学观点,该洞室群是不足以保持上千年稳定的。这一看似违背现代岩石力学观点的客观现象引起了诸多学者的关注和深入研究。本文即是基于上述考虑,致力于揭示该洞室群得以保持上千年稳定的机理。通过现场调查发现,该洞室群具有斜顶、斜墙、鱼尾形岩柱及柱托等特殊结构,该结构是古人偶然为之还是精心设计？其是不是使洞室群得以保持长期稳定的决定性因素？本文通过数值计算对其进行回答。计算结果表明,斜顶设计能较好地解决浅埋问题,鱼尾形岩柱和柱托有利于洞室稳定,斜墙设计有利于改善洞室围岩的应力状态,从而得出了洞室群的特殊结构是使洞室保持长期稳定的决定性因素的结论。     

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。     

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。     

充水对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

对龙游大型古地下洞室群的现场调查表明:完整地下洞室群均充满水,而非完整地下洞室群均未充满水或未充水,直观结论即充水是使洞室群保持上千年完整的重要因素之一。本文对充水洞室与非充水洞室内凿痕进行了定性和定量对比,结果发现洞内充满水可以减缓洞室围岩的风化速度。通过对围岩的受力情况以及洞室顶板的垂向的对比分析表明,洞室充满水,一方面可以有效地改变洞室围岩的受力:减少拉应力单元以及减小最大拉、压应力值; 另一方面可以减小顶板的下沉量,对洞室的稳定极为有利。而洞室内部分充水或未充水,对洞室顶板围岩的应力改善作用不明显,反而加大洞室顶板的Z向位移,不利于洞室稳定。从而肯定了洞内充满水是使龙游大型古地下洞室群保持千年稳定的重要因素。     

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。     

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。     

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。     

并行ENN-FEM分析力学参数对洞室群稳定性的影响

将洞室群视为一特定系统,采用并行进化神经网络有限元（ENN-FEM）方法建立该系统与岩体力学参数之间的相对应关系。采用遗传算法分析得到对围岩稳定性最不利的参数组合,对组合中任一参数可通过参数敏感度函数分析其敏感度,并由此综合评估各软岩力学参数对洞室群稳定性的影响,确定出关键岩层以给设计和施工提供指导性建议。实例计算表明该方法是合理的,且具有智能化和综合分析的优点。     

基于虚拟现实的古洞室三维场景构建与实现

虚拟现实技术是在计算机图形学、传感技术、计算机仿真、显示技术等多学科基础上发展起来的一种交叉融合的计算机技术。本文针对虚拟现实技术在古洞室保护方面应用较少的现状,以具有重要文物和旅游价值的浙江省蛇蟠岛野人洞景区洞房花烛夜古洞室为例,基于虚拟现实对其在历史上存在过的古场景及与之相关的空间环境进行虚拟再现,为洞房花烛夜古洞室的保护与旅游开发提供依据,是对虚拟现实技术应用于古洞室保护进行的有益尝试。     

温岭长屿硐天古洞室群的科学价值分析

借助于对温岭长屿硐天景区的现场考察,作者做出了有关长屿硐天古洞室群的工程地质条件总体良好的评价,并以此为基础,通过对古人采石板的方法的深入研究,发现了该方法所蕴藏的符合岩石力学原理的古工程科学和技术亮点。另外,作者还对地下音乐厅的声学依据等方面进行了分析。作者认为,以上这些构成了长屿硐天大型古地下洞室群的科学价值。     

基于强度折减原理的地下洞室群整体安全系数计算方法探讨

为解决大型地下洞室群的整体稳定性评价这一难题,吸收边坡强度折减有限元的优点,提出了基于强度折减技术的地下洞室群整体安全系数求解方法。该方法采用Mohr-Coulomb屈服准则,以洞室之间的等效塑性应变贯通作为洞室群整体失稳的临界判据。洞群整体安全系数计算是通过搜索折减系数F,将岩土材料的力学强度参数（黏聚力c和内摩擦角?）按F值折减代入数值计算中,使计算模型的洞室间正好出现明显的贯通性等效塑性应变来实现。拉西瓦水电站地下发电枢纽洞室群和锦屏二级水电站A、B辅助洞两个典型工程实例的整体安全系数计算表明,该方法可以便捷、客观地获得洞室群的整体安全系数,可为大型地下多洞室的稳定性评价和开挖与支护设计提供定量指标和科学依据。     

工程地质领域的3个值得关注的研究方向——以此纪念中国科学院地质与地球物理研究所工程地质水文地质研究室60周年

众所周知,工程地质学在国家工程建设中一直起着重要的作用。不仅如此,作者还注意到近几年来工程地质界越来越重视岩石风化、古地质工程和地质灾害防治方面的应用研究,并分别形成了有关岩石风化速度测试和评价、大型古地下工程洞室群工程地质力学研究及针对山地旅游地质灾害防治的山区旅游规划工程地质方法等3个新的研究方向。     

某大型地下洞室群围岩稳定性分类研究

根据地下洞室群的特点 ,选取岩体质量综合级别、块体状况、开挖位移及破坏区、岩爆烈度四因素为分类指标 ,建立了大型地下洞室群围岩稳定性分类体系。针对不同稳定性等级 ,提供了相应的开挖方式和支护处理建议。最后 ,运用该分类体系对某地下洞室群的主厂房进行了分析评价。     

大型洞室群稳定性与优化的进化有限元方法研究

随着地下洞室群规模的日益扩大，迫切需要一种更新的全局优化方法以提高效率、优化结构在保证工程稳定性的同时能最大限度地减小工程造价。遗传算法的最新发现使得大型洞室群稳定性的最优建模和获得全局最优解成为可能。针对某地下洞室群工程，提出了进化有有限元方法，对工程软岩置换方案进行了优化。将有限元与遗传进化算法相结合，由遗传算法产生一组初始可行方案，以洞室开挖引起的破损区体积大小与参考值的增量比为评价指标，经过遗传变异操作，产生一组新的软岩置换方案，对每种方案进行应力分析，确定破损区大小，最终得到损坏区体积最小的方案即为最优软岩置换方案。这种方法可以优化得到全局最优解，并且搜索速度较快，较目前其它方法更易于在微机上实现。运用于实例中，得出了合理的置换方案，并提出了施工的合理化建议。     

大型地下洞室群参数反演及其工程应用

基于三维弹塑性有限元及遗传算法,结合西龙池抽水蓄能电站工程实际,首先用小模型分段模拟工程中有明显差异的几个不同段位,并反演得到围岩物理力学参数及支护前围岩位移释放系数。在此基础上,对洞室进行了二期开挖计算,成功预测了二期开挖后洞室变位、围岩稳定、锚杆锚索应力等状况,揭示了洞室应力集中和围岩的潜在破坏部位,对工程施工具有重要指导意义。     

自然地应力场对含断层地下洞室围岩稳定性影响规律

自然地应力场及结构面分布特征是地下岩体工程围岩稳定性的主要内在控制因素。本文基于数值计算和实际工程的变形监测分析表明:①随侧压系数的增大,含断层围岩的稳定性变差;②不同应力状态下断层分布位置对围岩稳定性的控制作用差异明显;③当围岩附近断层与洞室开挖面不相交且水平构造应力场较大时,围岩可能产生更大的变形或更大范围的失稳。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。     

葡萄山公路隧道通风机房洞室群施工力学分析

在长大隧道施工过程中,通风机房洞室群的施工是整个隧道施工过程的关键。本文借助ANSYS通用软件,结合葡萄山特长公路隧道通风机房洞室群开挖施工过程,建立了基于D-P准则的非线性三维有限元分析模型,对通风机房洞室群在施工过程中围岩的稳定性进行了研究。以应力和位移变化最为明显的送风通道轴线剖切模型所得到的断面为例,分析了施工步的变化及各支洞的开挖对主隧道位移、应力和塑形区的影响,并与隧道监控量测资料进行了对比分析,得到了计算位移与监测资料比较一致的结论,为隧道通风机房洞室群优化设计和安全施工提供了依据。     

大型地下洞室群地震动输入机制探讨

当前地下工程地震稳定性分析中对地震响应规律研究较多,而对分析中地震动输入机制研究则明显不足。本文针对这一现状,对大型地下洞室群地震响应分析中的地震动输入机制进行了一定的讨论。首先提出将分析中所涉及的地震动分为指定的实测强震记录、优选的实测强震记录、人工地震波3类,分别讨论了每种地震动的选取方法,形成了一套实用性较强的选取流程。随后提出了对设计地震动基准面(点)的建议,并研究了基于基准面(点)的人工边界输入地震动量值的确定方法,形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法。将上述地震波的合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法相组合,最终形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。最后以白鹤滩水电工程地下洞室群为工程实例,对本文提出的地震动合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法进行了工程应用,表明本文的方法为工程抗震设防分析提供了优质的地震输入参数。