溫州市地下糧庫圍巖穩定性影響因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地質大隊,浙江溫州 325006)

溫州市地下糧庫圍巖穩定性影響因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地質大隊,浙江溫州 325006)

根據溫州市地下糧庫主通道開挖情況,從圍巖的巖石性質、結構面、地質構造、地下水和施工等方面對影響溫州市地下糧庫主通道圍巖穩定性因素進行了分析和討論,并從工程布置、硐室設計及施工等方面提出了科學合理的減緩措施和建議,對溫州市地下糧庫的建設具有指導意義。

糧庫主通道;圍巖穩定性;影響因素

1 前言

圍巖穩定性是指地下洞室開挖后在無支護條件下圍巖的自穩能力,主要體現在圍巖的變形和破壞兩個方面。地下洞室圍巖的穩定性主要與巖石的性質、巖體的結構與構造、地下水、巖體的天然應力狀態、地質構造等自然因素有關[1],并且還與開挖方式及支護的形式和時間等因素有關。這些主要因素中同時包括很多次一級、甚至多級的子因素。根據溫州市地下糧庫主通道開挖情況,對其圍巖穩定性影響因素進行分析,為溫州市地下糧庫的下一步建設和布置提供科學的參考依據。

2 工程概況

溫州市地下糧庫位于溫州市龍灣區瑤溪鎮底嶺下,地層巖性為下白堊統小平田組(K1x)凝灰巖,局部地段嚴重高嶺土化,其成因復雜,發育的規律性差。區內地質構造主要為斷層,共發育 6條斷層;圍巖節理裂隙發育,局部夾泥,產狀為:176～185∠56～88,200～230∠64～86,300～330∠65～86。地下水類型以基巖裂隙水為主,局部較發育。溫州市地下糧庫設計總倉容量為5萬噸。原設計是在溫州市糧庫后門設計一條近東西走向的主通道,高40m,直徑為 15m,間距為35m的立筒倉布置在主通道的兩側。在主通道開挖過程中,發現局部洞室圍巖穩定性較差,工程地質條件無法滿足立筒倉的建設要求,經過多方面論證后,決定將立筒倉改為寬 12m,高 12m,長分別為 25m、50m、100m的條形倉。主通道圍巖等級以Ⅲ級為主,局部為Ⅱ級,受斷層破碎帶或節理密集區的影響,圍巖等級為Ⅳ級,高嶺土化嚴重地段,圍巖等級可達Ⅴ級。其主要失穩形式為掉塊、片幫、冒頂及塌方。

3 穩定性影響因素

地下糧庫主通道施工過程中曾多次發生失穩現象,造成地下糧庫圍巖失穩的主要因素為圍巖的巖石性質、結構面、地質構造、地下水和施工。

3.1 圍巖性質

地下糧庫所在區域地層巖性為下白堊統小平田組(K1x)凝灰巖,巖體呈塊狀、鑲嵌、碎裂狀結構,強度大,圍巖等級為Ⅱ～Ⅲ級,屬脆性圍巖,圍巖的穩定性總體上較好。巖石本身的強度遠高于結構面巖石的強度,圍巖的穩定性主要取決于巖體的軟弱結構面。當巖體軟硬相間時,圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ級。軟巖層強度低,常因層間錯動成為軟弱圍巖而對圍巖的穩定性不利,發生片幫、冒頂等不穩定現象。地下糧庫所在區域高嶺土化發育,成因與熱動力因素、構造、巖性、風化因素等有關,分布規律性差,具有不確定性。圍巖高嶺土化后具有風化速度快、力學強度低、遇水易軟化、崩解等不良性質,屬塑性圍巖,對圍巖穩定性的影響主要取決于它的性狀和分布。當高嶺土化嚴重時,圍巖等級可降低至Ⅴ級,對洞室圍巖的穩定最為不利。主通道 K A0+292～KA0+392段圍巖嚴重高嶺土化,洞室圍巖的穩定性較差,掘進困難,易發生大規模塌方,需要采取架棚等加固措施。

3.2 圍巖的結構面

巖石強度大大超過圍巖承受的應力時,圍巖的變形破壞主要受結構面(尤其軟弱結構面)的發育、分布、空間組合以及洞室軸線方位的控制[2]。

圖 1 不穩定塊體的破壞形式

結構面控制型圍巖的變形破壞在塊狀和層狀的硬質巖體主要表現為不穩定塊體的直接塌落和滑移(圖 1),在碎裂和散體結構巖體中變形破壞的主要方式是松弛、松脫乃至崩潰[3]。當結構面與洞室軸線構成不利組合,或出現兩組或兩組以上的結構面時,易形成墜落的分離巖塊。特別是當分離體的尺寸小于洞室跨徑時,就有可能向洞內產生滑移,造成局部失穩。地下糧庫的圍巖節理裂隙發育,大致有三組:1、近東西走向 (與主硐同走向),產狀 176～185∠56～88,2、北西走向,產狀 200～230∠64～86,3、北東走向,產狀 300～330∠65～86。近東西走向節理裂隙面與主通道同走向,結構面與洞室軸線構成不利組合。在主通道施工過程中,經常因該結構面的存在而發生冒頂、片幫事故;當遇上節理密集發育時,易發生巖石的掉塊、片幫事故;當結構面存在黃泥夾層時,易發生片幫、冒頂等事故。

3.3 地質構造

地質構造運動破壞了巖層的完整性,降低了巖體的力學強度。一般來說,巖體經受構造變動的次數愈多,愈強烈,巖層的節理裂隙就愈發育,巖體的穩定性也就愈差[4]。當斷層的走向與洞室中線垂直或者大角度相交,則圍巖自穩能力相對較強,若小角度相交甚至與洞室中線平行時,則自穩能力相對較差。此外,斷層破碎帶物質的碎塊性質及其膠結情況也都影響圍巖的穩定性。

地下糧庫所在區域無任何褶皺現象,發育的地質構造主要為 6條斷層 (節理密集帶),斷層 (節理密集帶)及其影響范圍內巖體節理裂隙發育,巖體破碎、夾泥,巖石力學性質較差,圍巖級別多為Ⅳ級,圍巖穩定性差,是最常見的不良地質現象,同時也是地下水的最主要發育場所。當地下洞室通過斷層時,易在接觸范圍內發生片幫、冒頂、塌方等不穩定現象,對圍巖穩定性影響較大。

3.4 地下水

地下糧庫所在區域地下水發育,且以基巖裂隙水為主。地下水對圍巖的影響主要表現為溶蝕巖石和結構面中易溶膠物,潛蝕充填物中的細小顆粒,使巖石軟化、疏松、充填物泥化、強度降低、增加動、靜水壓力等,從而降低洞室圍巖的穩定性。調查資料表明,地下水對不同類別洞室圍巖穩定性影響程度存在明顯差異,地下水對硬巖組成的洞室圍巖穩定性影響甚微,可忽略不計;而對于弱巖,地下水影響較大[3]。主通道開挖結果表明,地下水對不同類別洞室圍巖的影響程度存在明顯差異:對于Ⅱ、III級圍巖,地下水對洞室圍巖的穩定性影響甚微,一般可忽略不計;而對于Ⅳ級及其以上的圍巖,特別是斷層破碎帶、嚴重高嶺土化地段,地下水對洞室圍巖的穩定性影響較大,將使圍巖級別提高 1～2級,使洞室圍巖發生失穩的可能性大大增加。

3.5 施工因素

開挖方法、炸藥用量等施工因素,對洞室圍巖具有一定的擾動或破壞,特別是對巖體質量較差的圍巖影響程度更大。洞室本質上是由圍巖構成的,圍巖是地下洞室的主要支承結構,施工中要盡可能避免對圍巖過多的擾動或破壞,充分保護圍巖的承載能力。

在地下糧庫主通道施工過程中,采用兩個施工隊從兩端對掘。1號口施工隊周邊眼布置少、大藥量裝藥爆破,爆破后洞室不規則,爆破孔殘留率低,頂板及兩幫存在的活巖較少,利于排險,施工過程中,沒有因圍巖失穩而發生一起安全事故。2號口施工隊周邊眼布置密、小藥量裝藥爆破,爆破后洞室規則,爆破孔殘留率高,但頂板及兩幫巖體局部鑲嵌形成活巖,不利于排險,施工過程中,多次因圍巖失穩而發生安全事故。分析結果表明:合理布置周邊眼、適當控制爆破裝藥量可避免對圍巖造成過多的擾動和破壞,減少對洞室圍巖穩定性的影響;這對圍巖巖體軟硬相間或為軟巖時的洞室穩定性控制極為重要。

4 減緩措施

影響溫州市地下糧庫圍巖穩定性的主要因素為圍巖的巖石性質、結構面、地質構造、地下水和施工。在工程建設過程中,我們可以針對這些影響機理的特性做重點的設計和施工,從而得到安全、經濟的工程建設方案。

首先要合理布置地下洞室,地下糧庫存在的主要不良工程地質問題為斷層 (節理密集區)、高嶺土化。在斷層(節理密集帶)及其附近,巖體破碎,圍巖穩定性差,巖石力學性質差,富水性良好,是地下水的良好通道,對地下洞室圍巖的穩定性有較嚴重的影響。圍巖嚴重高嶺土化后具有風化速度快、力學強度低、遇水易軟化、崩解等不良性質,當高嶺土化嚴重時,對地下洞室圍巖穩定性影響較重,不利于洞室圍巖穩定。故工程建設過程中,應盡量將洞室布置在無高嶺土化或高嶺土化輕微的中凝灰巖中,并避開斷層(節理密集區)。

其次合理布置洞室的走向,使洞室中線與斷層走向及結構面之間的組合更趨于穩定,從而增加洞室圍巖穩定性,這在斷層(節理密集區)的情況下十分必要。此外,洞室高度增加時,兩幫移動率增加;洞室寬度增加時,除兩幫位移會增大外,頂板位移也會增加,隨著兩者的增大圍巖中的應力狀態也會惡化,洞室圍巖穩定性變差。地下洞室以洞群的形式出現,每個洞室都會受到相鄰洞室的影響,洞室間距越小,受到的擾動就會越大。開挖后的洞室形狀不同造成洞室的應力分布也不同,圍巖穩定性不同。在同一圍巖中,拱形洞室圍巖較穩定;圓形或橢圓形洞室圍巖應力狀態以壓應力為主,對維持圍巖穩定性較好;而矩形或梯形洞室,頂板圍巖將出現較大拉應力,最終可導致巖體呈現張裂破壞趨勢。因此,在建設過程中,應根據場區地質環境條件,選擇合理的洞室高度、寬度、間距、形狀,來增加圍巖穩定性。

在施工過程中,要根據洞室周邊的地質環境條件,選擇合理的開挖開挖方法、炸藥用量,盡可能避免對圍巖過多的擾動或破壞,充分保護圍巖的承載能力。洞室開挖后,要充分利用圍巖的自穩時間,在圍巖應力釋放到較小值或一定限度的松弛變形值,巖體尚能自穩時,就適時施加支護可以有效地防止洞室坍塌[5],增加洞室穩定性。

5 結論與建議

影響溫州市地下糧庫圍巖穩定性的主要因素有圍巖的巖石性質、結構面、地質構造、地下水和施工。在工程建設過程中,可以通過以下方法來減少對圍巖穩定性的影響。①合理布置地下洞室,盡量將洞室布置在無高嶺土化或高嶺土化輕微的中凝灰巖中,并避開斷層 (節理密集區);②根據場區地質環境條件,選擇合理的洞室高度、寬度、間距及形狀;③要選擇合適的施工及支護方式。

建議在下一步工程建設過程中,做好以下幾個方面的工作。

(1)采用鉆孔、物探、地質填圖等手段和方法,查明場區周邊地質環境條件,特別是圍巖的巖石性質、結構面、地質構造、地下水的特征及其分布情況。

(2)設計前,應充分理解地質勘察資料;設計過程中應根據巖土體及地質構造分布情況,合理布置地下洞室,以避開不利地質區段;并根據巖體完整性、結構面發育狀況及巖體自然應力情況,合理選擇洞室洞室高度、寬度、間距、形狀,以增加開挖洞室的穩定性,減少工程投資。

(3)在開挖過程中,選擇合理的爆破方案和適當的支護時機,以減少圍巖擾動;同時做好圍巖巖體中地下水賦存條件與活動狀況記錄,為下一步洞室襯砌和儲糧防潮打下良好的基礎。

REFERENCES

[1] 張倬元.工程地質分析原理[M].北京,地質出版社,1981,15.

[2] 張慶賀.地下工程[M].上海:同濟大學出版社,2005,2.

[3] 徐銀燕.隧道工程圍巖穩定性影響因素分析與破壞基本判據[J]安徽建筑.2009,168(5),64-66.

[4] 王洪亮.隧道構造裂隙及其影響帶的治理[J].建材技術與應用.2001,02,63-65.

[5] 高新強,汪海濱.仇文革引水隧洞塌拱影響因素及其防治措施研究[J].地下空間與工程學報.2005.

Influencing Factors Analysis on Surrounding Rock Stability ofW enzhou Underground Gra in Storage

Q I N Hai-yan,XU Liang-ming
(The No.11 Geology Team of Zhejiang Province,Wenzhou,Zhejiang 325006,China)

Based on Excavation of the main channel ofWenzhou underground grain storage,the influencing factors of surrounding rock Stability are analyzed and discussed in this article.These factors include surrounding rock properties,structure surface,geological structure,groundwater,construction and so on.Some scientific and reasonable measures and recommendations are also suggested for the engineering layout and design and construction of chambers,which isof important guiding significance for underground grain storage inWenzhou City.

main channel;surrounding rock stability;influencing Factor

book=13,ebook=175

TU926

A

1009-3842(2010)03-0013-03

2010-06-28

秦海燕(1973-),男,廣西桂林人,地質工程師,研究方向為環境地質,E-mail:429369290@qq.com