某大型地下硐室群穩定性分析及加固技術研究

肖益蓋 劉允秋 汪為平 王雨波 夏才初 徐 晨 呂志濤 林梓梁1

（1.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；3.同濟大學土木工程學院，上海200092）

近年來，地下空間利用受到了學術界的廣泛關注［1-3］，謝和平院士［4-6］指出，隨著全球自然災害頻發、全球變暖、環境惡化、城市綜合癥等問題日益突出，深地空間資源開發與利用已成為人類未來活動的趨勢。對于地下空間有效開發利用的前提是確保地下空間工程整體穩定性，由于地下工程服務年限較長，在各種自然環境和人為因素的影響下，巖體結構退化，強度降低，導致地下空間巖體工程失穩損壞。要確保工程的整體安全、穩定，對其進行圍巖穩定性分析和加固技術研究很有必要［7-8］。本研究以某大型地下硐室群為例，結合巖體工程地質調查、巖體穩定性分析評價方法對其巖體穩定性進行研究，在此基礎上，針對該硐室群巖體特征，對相應的巖體加固技術措施進行討論。

1 研究背景

1.1 工程概況

某大型地下硐室群地處順昌仁壽—井垅斷裂帶與埔上斷裂帶之間，巖性為加里東期花崗巖類，屬典型的風蝕花崗巖地貌。大型硐室群前期均采用人工開挖，中后期輔以爆破的方式進行開挖。硐室群占地約3 000 m2，全長146 m，由前廳、大廳、后通道、念佛堂、閉關洞等相連而成，其中大廳長43 m，寬35 m，平均高度14 m，最高達18 m，大廳中央留有11 m×8 m的擎天柱（圖1）。

1.2 硐室群節理裂隙發育特征

1.2.1 硐室群節理調查

為了準確獲取大型硐室群巖體的節理產狀、規模、密度、形態，本研究采用測線法對硐室群典型地段進行節理精細測量，共完成32條測線，現場測線布置如圖2所示。

1.2.2 硐室群節理產狀優勢分組

為了獲得大型硐室群巖體的節理分布規律，對所有測點數據進行整理分析，通過調查共獲得834條節理。本研究基于改進的近鄰傳播算法（AP算法）［9］對節理數據進行劃分。該方法克服了傳統K均值聚類算法對初始聚類中心敏感且易陷入局部最優的不足，具有更高的魯棒性與計算效率。

依據AP算法不同分組的Silhouette指標計算結果見表1。由表1可知：當分組數為3時，Silhouette指標最大，因而結構面組數確定為3。采用該方法得到的巖體節理劃分結果如表2所示。3組普遍發育的節理產狀為J1183°∠72°，J267°∠83°，J3309°∠75°，3組節理平均跡長分別為2.8、3.0、2.2 m。

根據上述調查分析表明：該大型硐室群巖體節理裂隙較發育，但大多數為高傾角節理裂隙，巖體穩定性較好，自然邊坡穩定，但局部地段風化作用強烈，巖石破碎。

2 大型硐室群巖體穩定性分析研究

2.1 巖石力學試驗

為掌握硐室群巖體物理力學性質，本研究對工程區有代表性的巖石進行取樣并進行了力學指標測試。試驗按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）進行，結果見表3。

2.2 硐室群巖體穩定性經驗評價法

對于地下工程，一般綜合采用多種分類方法進行圍巖質量評價，以RMR、Q與GSI為代表的巖體分級體系得到學術界的廣泛關注。地質強度指標（GSI）分類體系［10-13］由HOEK等在RMR與Q分級的基礎上提出，被廣泛應用于節理硬巖、軟巖及軟硬交互巖體中［14-15］。SONMEZ 等［16-17］考慮了基于巖體體積節理數的結構特征等級SR和基于結構面粗糙度、風化程度及充填物情況的結構面表面特征等級SCR確定了節理化巖體的GSI值；CAI等［18］提出了基于塊體尺寸Vb和結構面條件因子JC的定量GSI圖表方法。目前，基于Q分級的Mathews穩定圖表法已經被成功應用于錦州國家戰略石油儲備大型地下硐室圍巖穩定性評價中。為此，本研究將穩定性圖表法作為經驗方法應用于大型硐室圍巖穩定性評價。

注：巖石試樣取自硐室內，為風干樣。

采用穩定性圖表進行評價的兩個關鍵因素是巖體質量級別和硐室暴露面的尺寸（水力半徑），硐室群均處于中風化花崗巖巖體內，因此巖體質量級別相同，不同的是硐室暴露面尺寸的差異。由于大廳跨度最大，因此，首先對大廳的頂板及邊墻進行穩定性評價，若大廳硐室穩定，則可認為硐室群穩定；若大廳硐室不穩定，則依次對其他硐室進行評價。大廳幾何模型如圖3所示。硐室長寬均為43 m，中間巖柱長寬均為8 m，硐室高度為18 m。硐室輪廓用A2、B2、…、F2進行了標記，邊墻用字母W表示，頂板用字母 R 表示，A2B2為邊墻 W1，B2D2為邊墻 W2。本研究評價主要針對頂板R1及邊墻W1和W2。

對頂板及邊墻求得的水力半徑HR如表4所示。

穩定性圖表法所確定的巖體參數取值如表5所示。

穩定性評價結果表明：硐室大廳各暴露面均為穩定狀態，大廳整體穩定。

2.3 大型硐室群穩定性數值模擬分析

2.3.1 三維數值模型構建

通過建立與現場實際情況相符的硐室群模型，對硐室開挖進行模擬，考慮斷層影響，本研究采用FLAC3D軟件程序建立硐室模型。該大型地下硐室群主要由10個規模較大的硐室及連接它們的通道組成，這些硐室群底板標高為+470～+480 m，頂部標高為+475.0～+496.5 m。其中，斷面最大的硐室為大廳，硐室斷面最大水平跨度約40 m。整個硐室群平面尺寸約165 m（南北向）×120 m（東西向）。根據硐室群特征及其周邊環境，所構建的FLAC3D數值計算模型如圖4所示。模型上表面取自地表，下表面標高為+400 m，模型左右邊界寬度取為280 m，前后邊界寬度取為300 m。模型一共劃分為218 682個網格單元和39 855個網格節點。

硐室開挖順序為前廳→大廳→大悲咒洞→后通道→祖師洞、斗戰勝佛洞、千手觀音洞等4個小洞→念佛堂→臥佛參觀平臺→臥佛下通道→臥佛洞→北通道→西通道及禪堂。結合巖石力學試驗結果，巖體計算參數取值見表6，斷層帶的接觸面計算參數見表7。本研究數值計算中巖體參數選取參考了《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014）中的各級圍巖物理力學指標，圍巖參數按照II～III級圍巖標準取值。

2.3.2 三維數值模擬穩定性分析

2.3.2.1 硐室群整體穩定性分析

硐室群開挖后的地表整體位移分布特征如圖5所示。由圖5可知：硐室群開挖完成后，地表最大回彈變形值為2 mm，最大沉降值為4 mm，最大水平位移約1.4 mm。斷層帶附近的沉降變形相對較大，硐口附近圍巖發生了較小的回彈變形。在斷層破碎帶附近，地表在豎直方向上發生了一定的錯動變形。總體上，硐室開挖后地表整體變形較小。

硐室群開挖后的地表整體應力分布特征如圖6所示。由圖6可知：地表的最大主應力及最大剪應力值均很小。地表最大主應力約0.05 MPa，圍巖以受壓為主，前、后山硐口區域地表圍巖應力稍大，部分區域最大壓應力超過2 MPa，但遠小于我國中風化花崗巖應力σ（MPa）的最大應力極限值，說明硐室開挖對地表應力分布影響較小。

硐室群開挖后的1-1'剖面（圖3）后方圍巖位移及應力分布特征分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：硐室群開挖完成后，圍巖向臨空面方向發生回彈變形，總體上表現為頂拱下沉變形和底板回彈變形及側壁內鼓變形；硐室跨度越大，應力重新分布的范圍越大。大廳內圍巖最大拉應力為0.35 MPa，最大壓應力為3 MPa，最大剪應力未超過3 MPa，整個大廳圍巖應力均較小，說明整個硐室開挖對大廳的影響較小。前廳圍巖較薄弱的部位位于硐頂上方和硐口處，這兩處的圍巖受拉，但最大拉應力值不高，小于0.12 MPa。在墻角、柱腳等部位有壓應力集中，但最大壓應力不超過5 MPa。在硐口部位，由于圍巖風化程度相對較高，且裂隙較發育，應采取防護措施，防止破碎巖體掉落。

綜上所述：硐室開挖后地表整體變形較小，大部分硐室（前廳、大廳、大悲咒洞、祖師洞、斗戰勝佛洞、千手觀音洞、念佛堂、北通道、西通道及禪堂等硐室）變形也較小，可以滿足變形要求，處于穩定狀態，但斷層破碎帶附近（后通道、臥佛洞）圍巖穩定性較差，影響窟體的局部穩定性。

2.3.2.2 大廳圍巖穩定性分析

由于大廳跨度較大且高度達18 m，是所有硐室中斷面最大的一個硐室。因此，有必要針對大廳的穩定性進行精細化計算分析。本研究構建的大廳精細化數值模型上表面取自地表，下表面標高為+400 m，模型東西向邊界寬度取為62 m，南北向邊界寬度取為36 m，模型一共劃分為160 838個網格單元和30 421個網格節點。

硐室開挖后圍巖的位移及應力分布如圖9和圖10所示。從總體上看，硐室變形較小。硐室頂部最大沉降值約3.4 mm，底板最大回彈值為5.2 mm，最大沉降發生在巖柱北側約8 m處。由于硐室中間的巖柱支撐作用，較好地控制了硐室的豎向位移。硐室開挖后，圍巖收斂變形較小，洞壁最大水平位移約0.7 mm。從圖10可以看出，在大廳北側的兩個硐口處，圍巖剪應力較大，圍巖最大剪應力為1.8 MPa，而該處的圍巖正應力為0.2 MPa，硐室內部圍巖剪應力在1.5 MPa以下，大廳總體穩定性較好。

圖11為大廳開挖后圍巖塑性區分布情況，可以看出，大廳內圍巖處于彈性狀態，沒有塑性區，因此大廳穩定性較好。

大廳內的4處位移監測線記錄的硐室開挖后經數值計算得到的圍巖位移分布如圖12所示。由圖12可知：硐室開挖后，大廳圍巖豎向位移較小，硐頂沉降值為1.5～3.5 mm，底板回彈值為3.5～5.5 mm，硐內圍巖水平位移較小，為0.2～0.6 mm，在巖柱附近圍巖的位移變化幅度較小。可見，該巖柱對控制圍巖豎向變形起到了一定的作用。

綜合以上數值分析結果可知：大型地下硐室群開挖后，整體硐室群相對較穩定，且大部分硐室（前廳、大廳、大悲咒洞、祖師洞、斗戰勝佛洞、千手觀音洞、念佛堂、北通道、西通道及禪堂等硐室）的變形較小，可滿足圍巖穩定性要求。

3 硐室群斷層帶加固方案

結合硐室群斷層分布現狀和加固原則，本研究提出了長短錨注錨桿相結合的錨網噴+錨注加固方案，如圖13所示。現場調查可知，破碎帶已經冒落一定高度，首先將破碎帶表面噴射一定厚度的鋼纖維混凝土，然后掛上錨網，打入短錨桿固定錨網，而后繼續噴射鋼纖維混凝土，將塌落部分補齊后，再掛網，隨后從破碎帶周圍穩固巖體打入長錨桿，錨桿要保證伸入到穩固巖體一定長度，最后噴射混凝土，完成加固。由于斷層帶有滲水，為了防止后期地下水對硐室內雕像的損壞，錨桿采用注漿錨桿，通過錨桿注漿將滲水裂隙封閉。

4 結論與建議

（1）分別通過工程地質調查、穩定性經驗評價、數值模擬分析方法對大型地下硐室群安全穩定性進行分析研究，認為硐室群開挖后，圍巖總體上處于穩定狀態。

（2）針對硐室內的斷層破碎帶和有局部塊體失穩隱患部位，提出了以“錨桿與注漿、澆筑混凝土相結合”的錨網噴為主的加固技術方案，可保證其安全穩定。

（3）針對硐室群滲水問題，建議及時采取防滲措施加以治理，查清裂隙走向、范圍，杜絕地表水沿裂隙滲入洞窟內，同時嚴格按照技術要求對硐室內滲水點進行注漿封堵。

（4）建議對該大型地下硐室群進一步采取安全監測措施，加強對硐室圍巖的監測，監控硐室開挖后圍巖的長期變形，并對開挖過程中的爆破振動進行監測和控制。