温州市地下粮库围岩稳定性影响因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地质大队,浙江温州 325006)

温州市地下粮库围岩稳定性影响因素分析

秦海燕,徐良明

(浙江省第十一地质大队,浙江温州 325006)

根据温州市地下粮库主通道开挖情况,从围岩的岩石性质、结构面、地质构造、地下水和施工等方面对影响温州市地下粮库主通道围岩稳定性因素进行了分析和讨论,并从工程布置、硐室设计及施工等方面提出了科学合理的减缓措施和建议,对温州市地下粮库的建设具有指导意义。

粮库主通道;围岩稳定性;影响因素

1 前言

围岩稳定性是指地下洞室开挖后在无支护条件下围岩的自稳能力,主要体现在围岩的变形和破坏两个方面。地下洞室围岩的稳定性主要与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关[1],并且还与开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。这些主要因素中同时包括很多次一级、甚至多级的子因素。根据温州市地下粮库主通道开挖情况,对其围岩稳定性影响因素进行分析,为温州市地下粮库的下一步建设和布置提供科学的参考依据。

2 工程概况

温州市地下粮库位于温州市龙湾区瑶溪镇底岭下,地层岩性为下白垩统小平田组(K1x)凝灰岩,局部地段严重高岭土化,其成因复杂,发育的规律性差。区内地质构造主要为断层,共发育 6条断层;围岩节理裂隙发育,局部夹泥,产状为:176～185∠56～88,200～230∠64～86,300～330∠65～86。地下水类型以基岩裂隙水为主,局部较发育。温州市地下粮库设计总仓容量为5万吨。原设计是在温州市粮库后门设计一条近东西走向的主通道,高40m,直径为 15m,间距为35m的立筒仓布置在主通道的两侧。在主通道开挖过程中,发现局部洞室围岩稳定性较差,工程地质条件无法满足立筒仓的建设要求,经过多方面论证后,决定将立筒仓改为宽 12m,高 12m,长分别为 25m、50m、100m的条形仓。主通道围岩等级以Ⅲ级为主,局部为Ⅱ级,受断层破碎带或节理密集区的影响,围岩等级为Ⅳ级,高岭土化严重地段,围岩等级可达Ⅴ级。其主要失稳形式为掉块、片帮、冒顶及塌方。

3 稳定性影响因素

地下粮库主通道施工过程中曾多次发生失稳现象,造成地下粮库围岩失稳的主要因素为围岩的岩石性质、结构面、地质构造、地下水和施工。

3.1 围岩性质

地下粮库所在区域地层岩性为下白垩统小平田组(K1x)凝灰岩,岩体呈块状、镶嵌、碎裂状结构,强度大,围岩等级为Ⅱ～Ⅲ级,属脆性围岩,围岩的稳定性总体上较好。岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,围岩的稳定性主要取决于岩体的软弱结构面。当岩体软硬相间时,围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级。软岩层强度低,常因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利,发生片帮、冒顶等不稳定现象。地下粮库所在区域高岭土化发育,成因与热动力因素、构造、岩性、风化因素等有关,分布规律性差,具有不确定性。围岩高岭土化后具有风化速度快、力学强度低、遇水易软化、崩解等不良性质,属塑性围岩,对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。当高岭土化严重时,围岩等级可降低至Ⅴ级,对洞室围岩的稳定最为不利。主通道 K A0+292～KA0+392段围岩严重高岭土化,洞室围岩的稳定性较差,掘进困难,易发生大规模塌方,需要采取架棚等加固措施。

3.2 围岩的结构面

岩石强度大大超过围岩承受的应力时,围岩的变形破坏主要受结构面(尤其软弱结构面)的发育、分布、空间组合以及洞室轴线方位的控制[2]。

图 1 不稳定块体的破坏形式

结构面控制型围岩的变形破坏在块状和层状的硬质岩体主要表现为不稳定块体的直接塌落和滑移(图 1),在碎裂和散体结构岩体中变形破坏的主要方式是松弛、松脱乃至崩溃[3]。当结构面与洞室轴线构成不利组合,或出现两组或两组以上的结构面时,易形成坠落的分离岩块。特别是当分离体的尺寸小于洞室跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳。地下粮库的围岩节理裂隙发育,大致有三组:1、近东西走向 (与主硐同走向),产状 176～185∠56～88,2、北西走向,产状 200～230∠64～86,3、北东走向,产状 300～330∠65～86。近东西走向节理裂隙面与主通道同走向,结构面与洞室轴线构成不利组合。在主通道施工过程中,经常因该结构面的存在而发生冒顶、片帮事故;当遇上节理密集发育时,易发生岩石的掉块、片帮事故;当结构面存在黄泥夹层时,易发生片帮、冒顶等事故。

3.3 地质构造

地质构造运动破坏了岩层的完整性,降低了岩体的力学强度。一般来说,岩体经受构造变动的次数愈多,愈强烈,岩层的节理裂隙就愈发育,岩体的稳定性也就愈差[4]。当断层的走向与洞室中线垂直或者大角度相交,则围岩自稳能力相对较强,若小角度相交甚至与洞室中线平行时,则自稳能力相对较差。此外,断层破碎带物质的碎块性质及其胶结情况也都影响围岩的稳定性。

地下粮库所在区域无任何褶皱现象,发育的地质构造主要为 6条断层 (节理密集带),断层 (节理密集带)及其影响范围内岩体节理裂隙发育,岩体破碎、夹泥,岩石力学性质较差,围岩级别多为Ⅳ级,围岩稳定性差,是最常见的不良地质现象,同时也是地下水的最主要发育场所。当地下洞室通过断层时,易在接触范围内发生片帮、冒顶、塌方等不稳定现象,对围岩稳定性影响较大。

3.4 地下水

地下粮库所在区域地下水发育,且以基岩裂隙水为主。地下水对围岩的影响主要表现为溶蚀岩石和结构面中易溶胶物,潜蚀充填物中的细小颗粒,使岩石软化、疏松、充填物泥化、强度降低、增加动、静水压力等,从而降低洞室围岩的稳定性。调查资料表明,地下水对不同类别洞室围岩稳定性影响程度存在明显差异,地下水对硬岩组成的洞室围岩稳定性影响甚微,可忽略不计;而对于弱岩,地下水影响较大[3]。主通道开挖结果表明,地下水对不同类别洞室围岩的影响程度存在明显差异:对于Ⅱ、III级围岩,地下水对洞室围岩的稳定性影响甚微,一般可忽略不计;而对于Ⅳ级及其以上的围岩,特别是断层破碎带、严重高岭土化地段,地下水对洞室围岩的稳定性影响较大,将使围岩级别提高 1～2级,使洞室围岩发生失稳的可能性大大增加。

3.5 施工因素

开挖方法、炸药用量等施工因素,对洞室围岩具有一定的扰动或破坏,特别是对岩体质量较差的围岩影响程度更大。洞室本质上是由围岩构成的,围岩是地下洞室的主要支承结构,施工中要尽可能避免对围岩过多的扰动或破坏,充分保护围岩的承载能力。

在地下粮库主通道施工过程中,采用两个施工队从两端对掘。1号口施工队周边眼布置少、大药量装药爆破,爆破后洞室不规则,爆破孔残留率低,顶板及两帮存在的活岩较少,利于排险,施工过程中,没有因围岩失稳而发生一起安全事故。2号口施工队周边眼布置密、小药量装药爆破,爆破后洞室规则,爆破孔残留率高,但顶板及两帮岩体局部镶嵌形成活岩,不利于排险,施工过程中,多次因围岩失稳而发生安全事故。分析结果表明:合理布置周边眼、适当控制爆破装药量可避免对围岩造成过多的扰动和破坏,减少对洞室围岩稳定性的影响;这对围岩岩体软硬相间或为软岩时的洞室稳定性控制极为重要。

4 减缓措施

影响温州市地下粮库围岩稳定性的主要因素为围岩的岩石性质、结构面、地质构造、地下水和施工。在工程建设过程中,我们可以针对这些影响机理的特性做重点的设计和施工,从而得到安全、经济的工程建设方案。

首先要合理布置地下洞室,地下粮库存在的主要不良工程地质问题为断层 (节理密集区)、高岭土化。在断层(节理密集带)及其附近,岩体破碎,围岩稳定性差,岩石力学性质差,富水性良好,是地下水的良好通道,对地下洞室围岩的稳定性有较严重的影响。围岩严重高岭土化后具有风化速度快、力学强度低、遇水易软化、崩解等不良性质,当高岭土化严重时,对地下洞室围岩稳定性影响较重,不利于洞室围岩稳定。故工程建设过程中,应尽量将洞室布置在无高岭土化或高岭土化轻微的中凝灰岩中,并避开断层(节理密集区)。

其次合理布置洞室的走向,使洞室中线与断层走向及结构面之间的组合更趋于稳定,从而增加洞室围岩稳定性,这在断层(节理密集区)的情况下十分必要。此外,洞室高度增加时,两帮移动率增加;洞室宽度增加时,除两帮位移会增大外,顶板位移也会增加,随着两者的增大围岩中的应力状态也会恶化,洞室围岩稳定性变差。地下洞室以洞群的形式出现,每个洞室都会受到相邻洞室的影响,洞室间距越小,受到的扰动就会越大。开挖后的洞室形状不同造成洞室的应力分布也不同,围岩稳定性不同。在同一围岩中,拱形洞室围岩较稳定;圆形或椭圆形洞室围岩应力状态以压应力为主,对维持围岩稳定性较好;而矩形或梯形洞室,顶板围岩将出现较大拉应力,最终可导致岩体呈现张裂破坏趋势。因此,在建设过程中,应根据场区地质环境条件,选择合理的洞室高度、宽度、间距、形状,来增加围岩稳定性。

在施工过程中,要根据洞室周边的地质环境条件,选择合理的开挖开挖方法、炸药用量,尽可能避免对围岩过多的扰动或破坏,充分保护围岩的承载能力。洞室开挖后,要充分利用围岩的自稳时间,在围岩应力释放到较小值或一定限度的松弛变形值,岩体尚能自稳时,就适时施加支护可以有效地防止洞室坍塌[5],增加洞室稳定性。

5 结论与建议

影响温州市地下粮库围岩稳定性的主要因素有围岩的岩石性质、结构面、地质构造、地下水和施工。在工程建设过程中,可以通过以下方法来减少对围岩稳定性的影响。①合理布置地下洞室,尽量将洞室布置在无高岭土化或高岭土化轻微的中凝灰岩中,并避开断层 (节理密集区);②根据场区地质环境条件,选择合理的洞室高度、宽度、间距及形状;③要选择合适的施工及支护方式。

建议在下一步工程建设过程中,做好以下几个方面的工作。

(1)采用钻孔、物探、地质填图等手段和方法,查明场区周边地质环境条件,特别是围岩的岩石性质、结构面、地质构造、地下水的特征及其分布情况。

(2)设计前,应充分理解地质勘察资料;设计过程中应根据岩土体及地质构造分布情况,合理布置地下洞室,以避开不利地质区段;并根据岩体完整性、结构面发育状况及岩体自然应力情况,合理选择洞室洞室高度、宽度、间距、形状,以增加开挖洞室的稳定性,减少工程投资。

(3)在开挖过程中,选择合理的爆破方案和适当的支护时机,以减少围岩扰动;同时做好围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况记录,为下一步洞室衬砌和储粮防潮打下良好的基础。

REFERENCES

[1] 张倬元.工程地质分析原理[M].北京,地质出版社,1981,15.

[2] 张庆贺.地下工程[M].上海:同济大学出版社,2005,2.

[3] 徐银燕.隧道工程围岩稳定性影响因素分析与破坏基本判据[J]安徽建筑.2009,168(5),64-66.

[4] 王洪亮.隧道构造裂隙及其影响带的治理[J].建材技术与应用.2001,02,63-65.

[5] 高新强,汪海滨.仇文革引水隧洞塌拱影响因素及其防治措施研究[J].地下空间与工程学报.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,广西桂林人,地质工程师,研究方向为环境地质,E-mail:429369290@qq.com