地下洞室選址中的工程地質問題探討

柴啟輝 李 乾 樊 華

（華北水利水電大學，鄭州 4500111）

1 概述

地下工程是指建筑在地面以下及山體內部的各類建（構）筑物，如地下交通運輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲存庫房用的地下車庫、油庫、水庫和物資倉庫等；地下生活用房用周圍介質的有利功能，如把圍巖改造成洞室本身的支護結構，發揮圍巖的自承能力。由此可見，為確保地下洞室的安全和使用，應研究圍巖的穩定性和自承能力而出現的地質問題。一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質問題有如下方面：

1.在選擇地下建筑工程位置時，判定擬建工程的區域穩定性和山體巖體的穩定性（包括洞口邊坡穩定和洞身巖體的穩定）。這時，一般多從擬建洞室山體的地形、地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件及其它影響建洞的不良地質現象等方面來判定巖體的穩定性。

2.在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩定性。這個階段除進行一般的巖體穩定評價以外，還要解決一些與土建設計有關的巖體穩定方面的問題，這些問題有：

（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓力評價）；

（2）巖體內地下水壓力的評價（即地下水對襯砌支護的壓力）；

（3）提出保護圍巖穩定性和提高穩定性的加固措施；

2 地下工程總體位置的選擇

在進行地下工程總體位置選擇時，首先要考慮區域穩定性，此項工作的進行主要是向有關部門收集當地的有關地震、區域地質構造史及現代構造運動等資料，進行綜合地質分析和評價。特別是對于區域性深大斷裂交會處，近期活動斷層和現代構造運動較為強烈的地段，尤其要引起注意。

一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：

1.基本地震烈度一般小于8度，歷史上地震烈度及震級不高，無毀滅性地震；

2.區域地質構造穩定，工程區無區域性斷裂帶通過，附近沒有發震構造；

3.第四紀以來沒有明顯的構造活動。

區域穩定性問題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進一步就要選擇建洞山體，一般認為理想的建洞山體具有以下條件：

1.在區域穩定性評價基礎上，將洞室選擇在安全可靠的地段；

2.建洞區構造簡單，巖層厚且產狀平緩，構造裂隙間距大、組數少，無影響整個山體穩定的斷裂帶；

3.巖體完整，成層穩定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地層，巖體結構強度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。

4. 無巖溶或巖溶很不發育，山體在滿足進洞生產面積的同時，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護地層；

5.無有害氣體及異常地熱；

3 洞口選擇的工程地質條件

洞口的工程地質條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標高、洞口的方向等問題。至于洞口數量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據工程的具體要求，結合所處山體的地形、工程地質及水文地質條件等慎重考慮，因為出入口位置的確定，一般來說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。

3.1 洞口的地形和地質條件

洞口宜設在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時刷方太大，破壞原來的地形地貌。一般來說洞口不宜設在懸崖峭壁之下，免使巖塊掉落堵塞洞口。特別是在巖層破碎地帶，容易發生山崩和土石塌方，堵塞洞口和交通要道。

3.2 洞口底標高的選擇

洞口底的標高一般應高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0m的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發時，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；如若離谷底較近，易聚集泥石流和有害氣體，各個洞口的高程不宜相差太大，要律意洞室內部工藝和施工時所要求的坡度，便于各洞口之間的道路聯系。

3.3 洞口邊坡的物理地質現象

在選擇洞口位置時，必須將進出口地段的物理地質現象調查清楚。洞口應盡量避開易產生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產生泥石流和雪崩的地區。以免對工程造成不必要的損失。

4 洞室軸線選擇的工程地質條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產狀、地質構造以及水文地質條件等方面綜合分析來考慮確定。

4.1 布置洞室的巖性要求

洞室工程的布置對巖性的要求是：盡可能使地層巖性均一，層位穩定，整體性強，風化輕微，抗壓與抗剪強度較大的巖層中通過。一般說來，舉凡沒有經受劇烈風化及構造運動影響的大多數巖層都適宜修建地下工程。

巖漿巖和變質巖大部分均屬于堅硬巖石，如花崗巖、閃長巖、輝長巖、輝綠巖、安山巖、流紋巖、片麻巖、大理巖、石英巖等。在這些巖石組成的巖體內建洞，只要巖石未受風化，且較完整，一般的洞室（地面下不超過 200～300m，跨度不超過 10m）的巖石強度是不成問題的。也就是說，在這些巖石所組成的巖體內建洞，其圍巖的穩定性取決于巖體的構造和風化等方面。而不在于巖性。在變質巖中有部分巖石是屬于半堅硬的，如粘土質片巖、綠泥石片巖、千枚巖和泥質板巖等，在這些巖石組成的巖體內建洞容易崩塌，影響洞室的穩定性。

沉積巖的巖性比較復雜。總的來說，比上述兩類巖石差。在這類巖石中較堅硬的有巖溶不太發育的石灰巖、硅質膠結的石英砂巖、礫巖等，而巖性較為軟弱的有泥質頁巖、粘土巖、泥砂質膠結的砂、礫巖和部分凝灰巖等，這些較軟弱的巖石往往具有易風化的特性。例如：四川紅層中的粘土頁巖，從其中取出的新鮮巖石試件兩個月后就碎裂成 0.5cm的碎塊。遼寧某地采得的凝灰巖新鮮巖石試件兩個月后裂成 1.0cm碎塊。在這類巖體中建洞，施工時圍巖容易變形和崩塌，或只有短期的穩定性。

4.2 地質構造與洞室軸線的關系

洞室軸線的位置確定，純粹根據巖性好壞往往是不夠的。通常與巖體所處的地質構造的復雜程度有著密切的關系。在修建地下工程時，巖層的產狀及成層條件對洞室的穩定性有很大影響，尤其是巖層的層次多、層薄或夾有極薄層的易滑動的軟弱巖層時，對修建地下工程很不利。

當巖層無裂隙或極少裂隙的傾角平緩的地層中壓力分布情況是：垂直壓力大，側壓力小。相反，巖層傾角陡，則垂直壓力小，而倒壓力增大。

5 結語

本文著重就建洞山體的基本工程地質條件、地下工程總體位置和洞口、洞軸線的選擇要求，分別加以分析和討論。希望能在以后的地下工程中起到一點參考作用。

[1]李華曄.地下洞室圍巖穩定性分析[M] .北京中國水利水電出版社， 1999，1-15,68

[2]朱維申,王平.動態規劃原理在洞室群施工力學中的應用[J] .巖石力學與工程學報， 1992，11 4 23-28?