考慮地應力環境下的地下空間開發的最大限量

丁 滿

地下空間資源的開發和利用在很大程度上化解了人類生存空間危機,城市用地不足、交通擁擠、環境污染、防災抗毀、空間飽和等難題,從而使人類走可持續發展道路成為可能。

城市地下工程往往建設在市區繁華地段,在其施工、使用過程中,常引起周圍地區的位移、變形、沉降和塌陷等地質環境效應,對周圍地面建筑物及基礎、地下早期構筑物、公用地下管線和各種地下設施以及城市道路的路基、路面等都可能構成不同程度的危害;另一方面,地下空間開發,必然造成城市地質環境的累積損傷,當地下空間開發到一定容量時,地質環境損傷達到一定程度,就會反過來影響地下空間的進一步開發和利用。研究依據城市地質環境條件正確計劃城市地下空間的開發容量,從地下空間開發導致地質環境損傷角度出發,建立地下空間容量綜合評價體系,具有重大的理論價值和工程意義。本文擬使用地質動力區劃的方法對地下開挖的周圍巖體的初始應力進行評價,然后再在初始應力的基礎上疊加由于地下開挖產生的附加應力,從而建立起在考慮地應力作用下的地下空間開發容量的評價體系。

1 地質動力區劃在我國的應用現狀

1)北票礦區動力區劃[1]。東煤公司鑒于北票礦區煤與瓦斯突出、礦震、巖爆等動力現象頻繁,嚴重威脅安全生產,決定與全蘇地質力學研究院合作,對北票礦區進行地球動力區劃。區劃結果:精確查明了穿過北票礦區的一條正在形成的非連續的北西方向的Ⅰ級斷裂(定名為北票斷裂),查明了北票礦區其他各級斷裂,評價了它們的活動性,劃出了北票礦區Ⅳ級,Ⅴ級斷塊,查明了 7個水平最大主應力超過 60MPa的構造應力區,最大主應力為壓應力,方向 N25°E。2)吉林油田地質動力區劃。吉林油田地質動力區劃,精確確定了油田開采區和探區的活動斷裂,查明了巖體斷塊構造,評價了油層的滲透性和應力狀態,合理布設了探區的開采鉆井位置,指定了采區中應切縫以增加產量的井位。3)臺吉礦地應力對開采沉陷規律的影響研究。對臺吉礦進行地質動力區劃,獲得了臺吉礦地應力呈現為東西方向的最大水平壓應力為53 500 kPa,觀察了水平壓應力對開采呈現規律的影響特征:使巖體移動范圍擴大、采區底板移動劇烈、發生礦震等。

人類在地表所進行的基本經濟活動深入到巖石圖的距離已達 10 km～15 km,這必將破壞地球的穩定性,導致地應力重新分布以維持新的平衡,所以地應力分析的地球動力區劃法必然有其很大的應用范圍。

2 地質動力區劃法簡介

2.1 地質動力區劃法的理論基礎

地質動力區劃法以地球動力學為理論基礎,以地球中的動力現象影響著地殼表面地質構造塊的相互作用為前提,以“總體到局部的原則”來查明地殼的地質構造破壞,將其分組,在此基礎上查明仍在活動著的現代地質構造,評價其應力狀態,并與地下開挖的附加應力場迭加,預報地下開挖活動所在的地質構造斷塊及其附近巖體應力的時空變化,為地下工程保護提供依據。

2.2 地質構造斷塊劃分

現代地形地貌的形成是由地質構造運動所造成的,風雨侵蝕仍被認為是次要因素,所以用地形地貌勘查分析法進行構造斷塊的劃分,并遵循一定原則,以考慮各種侵蝕的影響。具體劃分遵循以下兩個原則[2]:

1)斷塊最高的部分應是被侵蝕作用觸動的最少的部分。

2)斷塊邊界以下列標志確定:河谷或坡底的直線地段、連續分布的河谷的膝狀彎曲、鏈狀湖泊、構造階地、等高線輪廓等。

斷塊劃分到Ⅵ級即為礦區范圍大小的斷塊,劃分到Ⅴ級即滿足本文的要求。各級斷塊劃分需要在相應比例尺地形圖上進行,且按相應的高差范圍,最小高度差范圍由下式確定:

其中,Hmax,Hmin分別為地形圖上的最大、最小地形標高。

3 應用地質動力區劃法的技術方案及實現的可能性

3.1 技術方案

1)遵循“總體到局部的原則”,利用地貌學知識對各種比例尺地形圖、航空攝影照片和地球資源衛星照片,查明地形地貌中隱伏的地殼現代構造斷裂;2)以地質、地球物理資料驗證已查明的隱伏構造斷裂;3)根據地貌學資料確定斷塊相互動力作用;4)在已確定的斷塊的相互動力作用的基礎上,確定地下工程開挖所在斷塊的原始應力。

3.2 實現的可能性

1)目前我國已出版 1∶2 500 000,1∶1 000 000,1∶100 000,1∶50 000的比例尺地形圖,1∶5 000的地形圖各開挖區均具有;2)地應力測量方法和測量儀器已經非常完善,具體方法參照相關文獻[3];3)數值模擬方法已經得到很大的發展,如數值計算軟件ANSYS,斷塊構造應力有限元程序(TPS-H軟件)或斷塊構造應力邊界元程序(BLOCKS軟件)等。

4 應用地質動力區劃法對某一開挖地區的具體應用方案

1)根據Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級地形圖繪出相應的Ⅳ級,Ⅴ級地形圖,及相關的地質地貌學知識[1],完成地質動力區劃,在Ⅴ級斷塊的基礎上,建立該地區的地質模型和相應的邊界。2)根據這個模型,結合地質、地震等資料,綜合分析區域構造應力場特征。3)利用原有的地質資料對開挖地區進行區域地質構造分析,得到該區域內的新構造運動。4)選擇合適的地應力測量地點,得到該區的地應力場的相關數據,如最大、最小主應力,方向角和傾角等。5)根據試驗確定該區巖體的基本力學參數,如彈性模量E、泊松比μ等。6)在地質構造模型的基礎上建立有限元模型,在計算模型圖上生成網格劃分圖,用有限元程序計算得到開挖地區的最大、最小主應力和剪應力等值線圖。7)根據應力進行構造應力區劃,進行相應的動力現象預測。

5 結語

以區域構造形式劃分得到的斷裂區劃圖和數值計算得到的區域巖體應力圖,劃分出應力升高區、應力降低區和應力梯度區,根據應力分布狀態、區域構造形式、斷裂的活動性、已發生的動力現象等數據,用多因素分析的方法進行動力現象預測,劃分出安全區、危險區,為合理的開發地下空間提供保障。

[1] 于廣明,邵 軍.構造應力對巖土工程損害及其防護研究[J].中國地質災害及防護學報,1999,10(3):8-13.

[2] 劉寶琛,顏容貴.開挖引起的巖體移動[Z].冶金工業部長沙礦冶研究所,1980.

[3] 于廣明.地層沉陷非線性原理、監測與控制[M].長春:吉林大學出版社,2000.

[4] 沈曉舟.淺析中等城市地下空間開發的利用[J].山西建筑, 2010,36(5):45-46.