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。     

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。     

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。     

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。     

中国地下水电站洞室群工程特点分析

近年来,我国的水电能源开发得到了空前的发展,取得了世界瞩目的成就。总结、归纳已有工程的特点,对地下工程建设具有重要的指导和借鉴意义。在收集、整理大量的国内外地下水电站洞室群资料的基础上,根据多年来地下水电站厂房工程实践,分析了我国地下水电站洞室群工程的特点。研究得出:随着时代的进步和开挖技术的发展,地下洞室群的断面面积、高度、宽度和长度均呈指数式快速增长,规模之大,居世界第一。花岗岩、灰岩、砂岩约占洞室围岩总数的67%,总体上围岩介质强度高,工程地质条件好。随着水电能源开发向西推进,地下洞室埋深的加大,原始地应力值越来越大,高地应力的地下洞室超过50%,导致地下洞室群出现了超乎寻常的变形和破坏事件。除重力驱动型破坏之外,应力驱动型和复合型破坏模式日益增多。建议针对高烈度、高地应力、围岩条件较差的洞室,应考虑采用曲线体形而不是沿袭拱顶直边墙体形。     

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。     

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。     

长屿硐天采石古工法及其工程地质条件适应性研究——以水云硐大型古洞室群为例

我国古代采石业发展辉煌,具有规模大、历时长、遗留采石遗迹众多等特征,其中尤以浙江省的石材开采最为著名,因古代石材开采所遗留的众多古采石场目前都得到了极好的再利用。浙江省温岭市长屿硐天大型古地下采石场目前已被纳入世界地质公园及国家矿山公园。在现场考察过程中,发现了古代采石者所创造的一套由"探"、"扩"、"避"、"采"、"排"、"运"、"填"等7个主要工序所组成的长屿采石古工法。作为古代地下采石遗迹,长屿硐天拥有以水云硐大型古洞室群为典型代表的28个大型古洞室群,总体规模巨大。该工艺的发现,说明古代采石者从长期工程实践中所创造的长屿采石古工法是行之有效的。进而研究得出,他们所创的采石古工法其合理性,不仅在于其充分考虑了当时采石工具的材质条件,而主要在于其适应了当地的工程地质条件。     

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。     

地震荷载作用下地下洞室不利地质结构塌落机制研究

目前地下结构地震动力分析主要研究围岩响应特征,对围岩中赋存的岩体结构的动力响应规律、塌落机制还缺乏深入研究。结合大岗山水电站工程地下洞室群,基于块体理论选取3种不利地质结构组合作为地下洞室群动力分析的主要结构形式,接着运用离散元程序UDEC研究两种地震动工况作用下不同不利地质结构组合切割的地下洞室围岩动力响应、变形特征以及节理的张开、滑移特征,分析开挖面附近块体的塌落机制。研究结果表明,陡倾角结构面切割形成不利地质结构对地下洞室围岩变形破坏机制影响较大;在地震荷载作用下,陡倾不利地质结构沿节理面的滑塌具有突发性,并且塌落模式随地震强度增加可能发生变化。     

温岭观夕硐古采石场工程地质条件评价

观夕硐是古人地下采石活动形成的洞室群。其历史可追溯到1500年前,属于大型地下工程。为解答观夕硐长期稳定,千年不倒的原因,研究洞区的工程地质条件。此研究既为长屿洞天地质公园大型地下古采石场遗址的保护和旅游安全积累地质资料,也可为现代大型地下工程的选址和建设提供工程类比资料。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

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。     

复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

断层构造是制约地下工程设计与施工的关键因素。综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的耦合关系,采用三维地质建模方法建立实现了地层体、断层体与地下洞室群结构的统一模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念,为水利水电工程地下厂房洞室群的选址方案分析提供了一种新的手段。针对地下围岩稳定性问题,提出基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法,搜索地下厂房洞室群内可能的失稳区域。上述方法已成功应用在某水电工程地下厂房洞室群分析中,在设计方案优化分析中取得了良好的效果。     

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。     

龙滩水电站地下厂房洞室围岩弹塑性数值分析

根据龙滩水电站地下厂房的工程地质条件与开挖设计，采用二维弹塑性有限元法对地下洞室群围岩进行了数值模拟计算，研究了开挖过程中及完成后围岩的变形与应力、各洞室之间的相互影响，提出了设计与施工建议。     

基于三维地质模型的地下洞室群地震动力响应分析

工程区域地质条件是影响地下洞室群稳定的重要因素,而通用数值分析软件在建立复杂地质模型时存在建模时间长、准确度低、不能真实反映复杂地质特征等困难。针对此问题,采用以非均匀有理B样条（NURBS)为主的混合数据结构,对复杂区域地质构造进行了三维建模,建立了西南某水电站大型地下洞室群的三维地质模型。并以此模型为基础,建立了包括空间曲面断层、地层等复杂地质因素的数值模型,结合ABAQUS的隐式和显式分析,对洞室开挖和地震作用下的动力时程响应进行了仿真分析。分析结果表明,该方法不仅较大程度地反映了实际地质情况,而且有利于数值仿真分析的网格剖分与计算,从而为分析地下洞室群地震反应提供了三维数值模型,为地震作用下洞室的安全性评价提供了重要的技术支持。