温岭市长屿硐天硐室连接通道稳定性评价

章璇,徐盛东,周宇渤

(浙江省工程勘察院，宁波 315012)

温岭市长屿硐天硐室连接通道稳定性评价

章璇,徐盛东,周宇渤

(浙江省工程勘察院，宁波 315012)

浙江省温岭市长屿硐天废弃矿山，经过长期的开采，地表生态环境遭到严重破坏，并遗留了大量的地质灾害隐患，需要进行环境治理。本文通过全面的调查，以半定量分析法为主，定性分析、有限元模拟分析为辅的评价方法，主要对长屿硐天连接通道进行稳定性评价，为长屿硐天环境治理提供依据和建议。

长屿硐天;环境治理;连接通道

1 引言

浙江省温岭市长屿废弃矿山位于浙江省东部沿海温岭市新河镇长屿村一带，距温岭市区13 km，是一座开采历史悠久、规模巨大的凝灰岩石材矿山遗址。采石历史可追溯到隋唐时期，在清代和20世纪70～80年代规模空前。长期的开采形成了约1.55 km2的采石区，区内地表生态环境遭到了严重破坏，并遗留了大量的地质灾害隐患，需要进行地质环境治理。为了给出合理的治理建议，需要充分掌握长屿硐天地质灾害的分布特征、危害程度，因此浙江省工程勘察院对治理区内的不规则硐室和连接通道进行了全面的工程地质稳定性和地质灾害调查评价。

2 矿山不良地质特征

2.1 概述

长屿硐天矿区经过长期的开采，在山体内部形成了众多大大小小的矿硐，少数矿硐在地表以下的部分被回填，但大多数矿硐在地表以下的部分未回填，且积满地下水。矿硐积水深浅不一，矿硐积水的水面标高因矿硐的位置不同而差异也较大，变化范围据估测在10～20 m左右，这也说明节理裂隙的连通性很差，硐与硐之间贯通性节理较少。

由于采矿作业的影响，勘查区域内部分岩体稳定受到影响，容易发生岩体崩塌事故。1997年8月碧玉潭矿区发生大面积崩塌，造成了14人的重特大死亡事故，并造成巨大的财产损失。根据现场调查，勘查区域为多年采矿形成的采空区，山体内部形成大量空洞、岩石边坡以及矿渣堆积区等，在风化、降水等不利因素作用下，容易引发山体失稳、岩体崩塌、滑坡等地质灾害。同时，由于受到节理切割作用的影响，山体边坡、硐室岩壁上容易出现危岩，对周边活动人员安全造成威胁。

2.2 通道基本特征及主要地质灾害

2.2.1 通道分布概况

勘查区域内的通道主要分布于大型硐室之间，与硐室相连，将独立硐室连接成大型地下网络，如图1。从勘查区域平面图上可以看出，勘查区域内沿碧玉潭边缘的通道， 宽约3.5～4 m，为本次勘查区域的主干通道，连接进入华玄硐群和花居硐群通道；各硐室间的通道曲折相连，并形成闭合通道体系。

图1 通道分布概况图

2.2.2 通道内部地质特征

勘查区域内通道均为人工爆破挖掘通道，开挖时仅作为采矿通道，经勘查，通道地质特征如下：

(1) 通道围岩总体完整性较好，勘查通道均为裸硐，未采取任何支护措施，故内部岩壁表面凹凸不平，如图2。

图2 通道内部基面

(2) 通道断面形式各异，大部分通道为不规则四边形构造(如图3(a))，宽度多为2.4～4 m，高度多为2～3 m，少数通道为不规则多边形，且表现出跨度较大或高度较大(如图3(b))。

(3) 通道纵断面形式变化较大，主要是根据采矿要求而变化，较短的通道多为直线型，而较长通道的走向和转向半径变化较大。

(4) 通道围岩较为完整，大部分围岩等级为II级或Ⅲ级，局部围岩因节理极为发育或风化严重，且经过爆破影响，岩体较破碎为Ⅳ级围岩。

图3 通道断面形式

(5) 岩体类型为凝灰岩，含安山岩和辉绿岩岩脉，凝灰状结构，块状构造。

(6) 岩体大部分完整性较好，少部分岩体因节理发育导致完整性较差，且节理多为剪切节理，多闭合节理，部分张开节理，受爆破影响，少量节理有地下水渗出。

现场调查显示，大部分通道断面较小，围岩完整性较好，对通道稳定有利。通道内表现出的主要不良地质现象是大部分通道存在危岩和松动掉块，以及通道周围地下水作用明显，部分节理有地下水渗出。

3 各硐室连接通道围岩质量分级及稳定性评价

本次勘查区域内的24条通道岩性基本为凝灰岩，偶见安山岩脉，凝灰岩饱和单轴抗压强度RC在36.4～59.7 MPa之间，属于较坚硬岩。

3.1 各通道围岩分级评价

通过详细勘查，查明了通道围岩岩体结构特征，节理产状、组合关系，张开闭合程度、力学属性，延展及贯穿情况，对各通道围岩的分级评价，评价内容如图4。

图4 AT1 通道分段描述

3.2 各硐室连接通道稳定性总体评价

通道是硐室与外界及硐室之间的连接平硐，为采石作业的运输通道。一般高2～5 m，底部水平或缓倾，宽3～5 m，顶部一般呈现拱形。显然，连接通道与大型硐室在跨度、高度等尺寸上完全不同。对各硐室连接通道稳定性评价以半定量分析法为主，定性分析、有限元模拟分析为辅。主要评价指标为：

(1) 通道顶板厚跨比，根据近似的水平投影跨度和顶部最薄处厚度H，求出厚跨比H/l，作为安全厚度评价依据，不考虑顶板形态、荷载大小和性质。因水平硐顶比拱形差，故取近似水平状态的H/l作为估算安全厚度的最小比值，由经验知H/l≥0.5是安全的，一般可取H/l≥1.0作为安全界限。

(2) 岩体力学参数。

(3) 硐室围岩结构类型。

(4) 地下水渗流情况。

对通道的稳定评价如表1。

由于通道在采矿过程中，仅作为运输和行人的通道，故其埋深一般较深，本次共对24条通道进行勘查，其中23条通道为山体内部开挖形成的通道，顶板厚跨比(H/l)最小值为1.44，最大值为37.70，均大于1.0；而通道AT3为巨型崩塌岩体与山体岩壁围成的通道，且崩塌岩体和山体岩壁的完整性、稳定性均较好。

表1 通道稳定性评价表

4 典型通道AT8围岩稳定性数值模拟

4.1 计算剖面

根据现场地质调查结果，本报告暂取AT8通道剖面为典型进行数值分析，如图5所示。根据室内试验，计算参数取值如表2所示。

4.2 计算方法

主要采用有限元法模拟。坡体材料均为Mohr-Coulomb类型材料，采用非关联流动法则。图6给出了两个计算剖面的数值模拟的典型网格图。本模拟仍分2个计算工况。

表2 岩体物理力学参数取值表

图5 通道AT8剖面图

图6 通道AT8有限元模型

4.3 计算工况

本模拟共分2个计算工况，具体如表3所示。

表3 计算工况汇总表

4.4 计算结果与分析

4.4.1 工况一(自然状态)

(1) 围岩应力场

自然状态下围岩自重应力场如图7、图8所示。可见，最大、最小主应力分布均呈现由地表向深层逐渐变大的特征，硐室边界上大主应力近似与边界平行，小主应力接近于0。两硐室边脚处应力集中较为明显，AT8-1节理端部应力集中极为明显，两硐之间的局部围岩应力集中也十分明显。但距离两硐室外侧壁3倍硐室平均宽度以外的范围，大主应力方向接近铅垂方向，小主应力呈水平方向。说明自然状态下，由于围岩自身力学性质很好，因而两硐室外围岩体应力分布受硐室形成和节理的影响较不显著，但距离较近的两硐之间围岩应力受硐室形成和节理的影响较为显著。

图7 最大主应力图

图8 最小主应力图

(2) 潜在不稳定区域

自然状态下硐周围岩中实际最大剪应变分布如图9(a)所示，在两硐之间近马蹄形硐室的局部围岩最大剪应变相对稍大，是相对易发生变形的区域。经过极限分析发现，硐室的可能潜在破裂面位于两硐之间近马蹄形硐室的局部拱形区域，如图9(b)所示，具有深埋硐室的一般破坏特征，但稳定系数可达到7.47，说明自然状态下硐室的稳定性很好。

图9 自然坡体潜在滑面分析结果

4.4.2 工况二(饱水状态)

(1) 围岩应力场

饱水状态下围岩自重应力场如图10、11所示。可见，最大、最小主应力分布均呈现由地表向深层逐渐变大的特征，硐室边界上大主应力近似与边界平行，小主应力接近于0。两硐室边脚处应力集中较为明显，AT8-1节理端部应力集中十分明显，两硐之间的局部围岩应力集中也较为显著。但距离两硐室外侧壁3倍硐室平均宽度以外的范围，大主应力方向接近铅垂方向，小主应力呈水平方向。说明饱水状态下，由于围岩自身力学性质仍较好，因而两硐室外围岩体应力分布受硐室形成和节理的影响较不显著，但距离较近的两硐之间围岩应力受硐室形成和节理的影响较为显著。

(2) 潜在不稳定区域

饱水状态下硐周围岩中实际最大剪应变分布如图12(a)所示，受节理和围岩强度弱化的影响，在两硐之间近马蹄形硐室的局部围岩最大剪应变相对较大，是相对易发生变形的区域。经过极限分析发现，硐室的可能潜在破裂面位于两硐之间近马蹄形硐室的局部拱形区域，如图12(b)所示，具有深埋硐室的一般破坏特征，稳定系数可达到2.61，说明饱水状态下硐室的稳定性比自然状态下有显著下降，但整体仍呈现良好的稳定状态。

5 小结

本文以通道顶板厚跨比、岩体力学特征、围岩岩体结构、地下水渗流情况为评价指标，应用半定量分析方法，对勘查区域内大部分硐室通道的稳定性进行评估。得出以下结论：

(1) 各通道围岩主要为凝灰岩，局部含有安山岩岩脉，凝灰岩饱和抗压强度为36.4～59.7 MPa，属较硬岩；安山岩饱和抗压强度为59.2～73.5 MPa，属硬岩，有利于通道结构稳定。

图10 最大主应力图

图11 最小主应力图

图12 潜在滑面计算结果

(2) 多数通道采用爆破法开挖形成，受爆破冲击波影响，通道围岩节理相对硐室围岩节理较发育，但通道尺寸较小，宽度多为2.4～4 m，高度多为2～3 m，且多为拱形，在勘查过程中未发现变形较大、大型破碎带或大型贯通裂隙。

(3) 少数通道内部，存在地下水沿硐壁节理渗流现象，但渗流量不大，仅表现为微渗，且为局部现象，故对通道稳定性影响不大。

(4) 大部分通道围岩受到爆破扰动，但影响范围较小，岩体分级主要为II、III级，局部节理发育的岩体为IV级；围岩完整性和稳定性较好，但局部岩体因节理相互切割形成危岩或破碎，需要进行清理或采取适当的加固方法。

(5) 本次共对24条通道进行了详细的勘查和稳定性评价，其中稳定状态的通道为23个，基本稳定状态的通道为1个；处于稳定状态的通道主体结构状态良好，通过局部整治，能消除地质灾害隐患；但处于基本稳定的通道(A4T2)的主体结构状态较差，虽然目前通道处于稳定状态，但岩壁风化严重、节理发育，稳定性较差，在外界不利因素作用下，易发生落石、塌方等不良地质问题，危及人员安全，故建议绕避。

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STABILITY EVALUATION OF CONNECTING PASSAGES BETWEEN CHANGYU CAVES

ZHANG Xuan,XU Sheng-dong,ZHOU Yu-bo

(Zhejiang Engineering Investigation Institute,Ningbo 315012,China)

Changyu caves is an abandoned mine in Wenling city, Zhejiang Province. Environmental governance needs to be carried out in this area, because the ecological environment has been severely destroyed and there are lots of potential geological hazards brought by the long-term exploitation.The stability of connecting passages between Changyu caves were evaluated based on a comprehensive survey, using the method of semi-quantitative analysis, qualitative analysis and finite element simulation as supplement, which provides reference and suggestions for the environmental governance in Changyu caves.

Changyu Caves;environmental Governance; connecting Passages

许鹏飞(1984— )，男，工程师，主要从事地质灾害防治方面的工作和研究。E-mail:xpdsj@163.com

1006-4362(2017)01-0083-08

2016-12-30 改回日期： 2017-01-21

TD167;TU457

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