杨 丹,胡卸文,2，胡亚运

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室,四川 成都 610031；3.浙江省工程勘察院，浙江 宁波 315012)

浙江省温岭市长屿硐天遗址公园是有着一千五百多年石材开采历史的废弃矿区,遗留了多达28个硐室群、1 000多个采空硐室[1]。但是由于石材的大量开采,严重地破坏了长屿硐天地区的原始地质环境,并遗留了大量地质灾害隐患。1997年,碧玉潭硐群因矿柱被采发生矿山塌陷,瞬间的塌陷又进一步引发巨大的山体崩塌,造成严重的人员伤亡事故和巨大的财产损失。鉴于这些突出的矿山地质环境问题,2001年温岭市政府山全面停止了长屿矿山采石活动,将其建设成为长屿硐天采石遗址公园。长屿硐天遗址公园内生态环境破坏严重,人类石材开采活动诱发的危岩体分布较多,如发生崩塌落石,对景区及游人的伤害不可估量。因此,开展长屿硐天景区危岩体的全面调查与分析是十分必要的。

在危岩体研究方面,国内外专家、学者以及工程技术人员重点开展了危岩体的发生机理、失稳模式以及治理措施等研究[2～3],如陈洪凯等[4]、乐琪浪等[5]、黄波林等[6]等深入研究了三峡地区危岩体的危岩主控结构面抗剪强度参数计算方法、损伤断裂机理、防治与锚固措施等,并发现三峡库区危岩链式规律[6～9]；高永才等[10～12]分别对云台山景区、乐山大佛景区以及泸定县观音阁等危岩体稳定性和治理措施进行了研究。但是多数研究成果以边坡危岩体为研究对象,而针对大型硐室内危岩体特征的研究成果较少。然而硐室内部危岩体与常规边坡上的危岩体存在着显著不同。

本文以长屿硐天遗址公园的花居硐群、华玄硐群、碧玉潭硐群三大硐群的24个硐室为研究对象,详细调查硐室内部42处危岩体，并发现了12处“片状”危岩体，分析了片状危岩体的形成机理。

1 危岩体分布及特征

1.1 研究区域危岩体特征

长屿硐天遗址公园内岩体虽为完整性较好的块状凝灰岩,但受石材开采的影响,硐室内壁上形成多处危岩体,经现场勘查华玄硐群、花居硐群、碧玉潭硐群,发现研究区域内42处危岩体的主要特征如下：

(1)危岩体规模不大,最大危岩体仅为200 m3左右,最小危岩体不足1 m3,其中72%的危岩体体积不超过10 m3,19%的危岩体体积为10～50 m3,2%的危岩体体积为50～100 m3,大于100 m3的危岩体仅有7%。

(2)由于受到硐室和通道空间区域的限制,危岩体一般距地面高度不大,其中59%的危岩体距地面高度小于5 m,30%的危岩体距地面高度为5～10 m,9%的危岩体距地面高度为10～20 m,仅2%的危岩体距地面高度超过20 m。

从危岩体规模看,长屿硐天硐室内壁危岩体与边坡危岩体具有较大区别,虽然长屿硐天矿区危岩体规模不大,分布高度多为20 m以内,但危岩体对于景区内游人却存在巨大的安全隐患,如果出现失稳,则瞬间产生的冲击力将对游人造成巨大伤害(图1)。

图1 硐壁上崩落的危岩体Fig.1 A dangerous rock collapsed from the cavern rockwall

1.2 片状危岩体分布及特征

经调查发现,研究区域内存在一种“片状”危岩体(分布见图2),共计12处,此类片状危岩体面积较大,厚度较小,与块状危岩体及楔形危岩体显著不同：

图2 片状危岩体分布图Fig.2 Occurrence of the quasi layered rock mass

(1)片状危岩体多分布于硐室内部,露天岩壁上分布较少,在勘查中发现的片状危岩体中仅1处分布在露天岩壁上,其余均分布在硐室内壁上。

(2)片状危岩体发生区域岩体均为块状凝灰岩,岩层完整性较好,无层理面或大量平行节理。切割片状危岩体的结构面较少,一般发育1～3条结构面；在危岩体与母岩之间形成切割面,依靠未贯通结构面维持危岩体的稳定。

(3)危岩体呈薄片状,厚度小,与其长度、宽度相差较大,宽高比一般在1～2之间,而厚高比仅为0.01～0.2之间,具体见表 1。

(4)危岩体多位于硐室岩壁上,且岩壁倾角在70°～90°之间,而危岩体下部支撑条件较差,多为凹腔或通道门(图3),使危岩体处于悬空状态。

(5)片状危岩体主要形成于近现代的石材开采活动中,规模相对较大,而在古代采石活动中形成的危岩体较少,规模相对较小。

图3 陡壁上的片状危岩体Fig.3 Schistose dangerous rock on the steep

2 场地地质条件

长屿硐天景区位于我国浙江省温岭市沿海丘陵平原地区,气候温和,四季分明,雨量充沛,采空硐室内环境与外界环境温差较大[1]；受降雨影响,部分硐室有积水。长屿地区其附近的区域构造格架以北东、北西向为主,但区内地质构造条件较为简单,断裂构造不发育,构造形迹主要表现为节理裂隙,且节理性质属压剪性,部分组合属共轭关系。

勘查区域及其附近主要出露地层为上侏罗统西山头组二段-三段(J3x2-J3x3)和第四系残坡积物。岩体以空落相的凝灰岩为主,山体中局部有安山岩岩脉分布。岩体组构的粒度不均,从大的集块和角砾,到细凝灰和局部的黏土矿物,均有分布。这些不同成分、不同粒度的组合排列没有明显的成层性,大多呈块状构造,岩体完整性较好,节理裂隙发育较少。

3 危岩体形成机理分析

长屿地区凝灰岩为空落相火山岩,块状,岩体完整性较好,构造节理不发育。因此,形成片状危岩体的结构面并非岩体的层面,也并非早期节理裂隙带,而是由后期硐室开挖时应力释放产生的卸荷拉力形成的。为了深入研究片状危岩体的形成过程与发生机理,本文以W42危岩体为例进行详细分析与研究。

3.1 危岩体结构特征分析

W42危岩体位于采石遗留硐室A2H10大厅P3面上(图4),宽11 m,高12.76 m,厚0.5～1.6 m,主要岩性为凝灰岩,危岩稳定性主要受面壁上裂隙发育情况控制,结构形态如图5,结构参数见表 1。根据现场勘查,W42危岩体主要结构面产状为70°∠83°,闭合,无填充,裂隙面粗糙且干燥,贯通度较好,延伸长度约为8 m。

图4 W42片状危岩体Fig.4 Schistose dangerous rock W42

3.2 力学特征分析

本文采用FLAC2D软件对硐室开挖前后的围岩应力场进行计算,以分析硐室开挖对围岩应力场的影响以及卸荷作用影响范围。

硐室剖面见图5。地层初始地应力场采用弹性模型,硐室开挖后的围岩应力计算采用摩尔库伦模型,以分析硐室围岩的弹塑性变形情况；岩体参数取值综合考虑了岩石室内试验结果并按围岩级别参照规范[14]建议值进行了修正,见表2。通过计算得出以下结论：

图5 危岩体W42的示意图Fig.5 Dangerous rock W42

(1)硐室开挖前,岩体处于受压状态,但由于受地形起伏影响,存在一定的偏压情况,最大主应力在1～2 MPa之间,最小主应力在0.2～0.4 MPa之间,且均为压应力(FLAC软件中压应力为负,拉应力为正)(图6)。

(2)硐室开挖后,在应力重分布的作用下,危岩体附近的围岩在竖直方向处于受压状态,压应力为0.5～1.5 MPa之间；在水平方向处于受拉状态,拉应力为0.25 MPa(图7),远小于岩体抗拉强度1.98 MPa。可见,危岩体及其周围岩体的压应力和拉应力均未达到岩体破坏标准,即危岩体压应力和拉应力并不是岩体稳定的主要影响因素。

(3)对比开挖前后围岩的应力状态可以发现,硐室开挖对围岩产生了显著的卸荷作用。本文将开挖后与开挖前的应力比值定义为卸荷比,并绘制了卸荷比等值线,如图8。根据卸荷比等值线,危岩体最大主应力卸荷比为0.1～0.3,最小主应力卸荷比为-0.05～-0.3(负值表示开挖前围岩受压,开挖后围岩受拉)。可见,硐室开挖后,危岩体附近围岩的应力状态发生了较大变化,在应力重分布过程中,发生了较为复杂的应力调整,但围岩应力调整的范围有限,在距离开挖面3 m左右时,卸荷比为0.8；距离开挖面1.5 m时,卸荷比为0.5 左右。可见,硐室开挖的卸荷作用的影响范围为3 m,特别是对开挖面1.5 m范围的围岩影响更大,这为片状危岩体的形成提供了有利条件。

表1 危岩体特征统计表Table 1 Characteristics of the dangerous rocks

表2 岩体物理力学性质参数Table 2 Physical and mechanical properties of rock mass

图6 开挖前围岩最大、最小主应力图Fig.6 Diagram showing the maximum and minimum principal stresses of the surrounding rock before excavation

图7 开挖后围岩最大、最小主应力图Fig.7 Diagram showing the maximum and minimum principal stresses of the surrounding rock after excavation

图8 卸荷比等值线图Fig.8 Contour map of the unloading ratio

3.3 危岩形成机理分析

根据危岩体的应力状态和主要结构面特征分析可知,W42片状危岩体形成的主要原因是硐室开挖的卸荷作用,导致围岩应力重分布,在拉应力和剪应力共同作用下,岩体结构内部的原生裂隙发生了拉剪(I型)型破坏,导致微裂隙不断扩展形成了切割危岩体的结构面。根据胡峰[15]的研究结果,拉剪应力作用下原生裂纹开裂角θ0(以下简称起裂角)方程与原生裂纹起裂的应力强度因子方程为：

σn=σ1cos2α+σ2sin2α

(1)

τs=(σ1-σ2)sinαcosα

(2)

(3)

式中：α——原生裂隙倾角/(°)；

Cl——原生裂缝半长/m；

θ0——起裂角/(°)；

σn——裂隙面的正应力；

τs——裂隙面的剪应力。

将式(1)、(2)代入式(3),得到下式：

(4)

为了进一步计算应力强度因子KI值,按照以下方法确定相关参数值：

(1)根据前文有限元计算得到,σ1=1.5 MPa,σ2=0.25 MPa；

(2)根据文[16]相关研究成果,岩体内部裂隙倾角α在45°～66.6°时,容易发生剪应力驱动的滑动裂纹破坏,故选择α=45°、50°、55°、60°、66.5°,进行计算分析；

(3)由于岩体内部原生裂缝长度难以确定,在综合考虑长屿硐天矿区岩体裂隙勘查的情况的基础上,假设原生裂隙半长Cl为0～4 m；

(4)由于岩体原始裂纹起裂角影响因素较为复杂,本文选择θ0为0°～90°之间变化。

将相关参数代入式(4)进行计算可知,应力强度因子KI受α、θ0、Cl的影响而显著变化,并得到以下规律：

(1)KI的最大值随α的增大,呈现先增大后减小的变化规律,并在α=56°时,KI达到最大值2.785,此时θ0=78°、Cl=4 m(图9)。

(2)当θ0≤13.5°时,KI≤0,根据应力强度因子KI的定义,KI小于零无实际工程意义,故θ0的取值范围应为13.5°～90°(图10)。

(3)KI的值随θ0的增大,呈现先增大后减小的变化规律,在θ0=78°时,各种情况下的KI均达到最大值(图11)。

(4)根据文[17],凝灰岩的断裂韧性(临界应力强度因子)KIC为1.22～1.96,从图12中可知,当θ0>36°、Cl>0.8 m,KI值可满足KI>KIC的岩体裂纹开裂条件。

根据以上分析,长屿硐天矿区岩体在卸荷荷载作用下,能够达到岩体内部原生裂纹开裂条件,特别θ0在60°～90°时,KI值较大,容易发生开裂。而且,根据现场勘查,研究区域内硐室内壁上的结构面倾角均较大或近直立(图11)。而W42危岩的主控结构面倾角为83°,符合计算获得的开裂条件。

图9 原生裂隙角与应力强度因子曲线图Fig.9 Curves of the primary fracture angle and stress intensity factor

图10 应力强度因子随起裂角及原生裂隙半长变化曲线图Fig.10 Curve of the stress intensity factor with the initial crack angle and half length of the primary fracture

图11 A2H2硐室一侧岩壁节理素描图Fig.11 Sketch of joint of the A2H2 cavern rock wall

图12 应力强度因子随起裂角及原生裂隙半长变化曲面图Fig.12 Surface graph showing the variation of the stress intensity factor with the initiation angle and the half length of the primary fracture

4 危岩体稳定性评价

根据前文的数值模拟计算分析,危岩体及其周围岩体的压应力和拉应力均远小于岩体抗压强度和抗拉强度,故危岩体的稳定性主要受岩体结构面控制。为此,本节深入研究分析了在岩体结构面影响下的危岩体稳定性。

(1)荷载类型

假定危岩体自重产生的重力以及人工振动或地震产生的地震力均作为集中应力作用在危岩体重心上。张开的节理裂隙中的静水压力及浅滑压力均按线性分布的静水压力考虑。本文将危岩体视为平面应变问题,即取单位宽度的危岩体进行计算。

危岩体自重：危岩体体积与天然容重的乘积。

地震力：主要考虑水平地震力,为危岩体自重与水平地震系数的乘积。长屿地区天然地震较少,地震基本烈度小于Ⅵ度,震动峰值加速度小于0.05g,因此水平地震作用系数为0.05[19]。

(2)荷载组合

根据长屿地区地质背景,危岩体稳定性评价时应考虑以下三种荷载组合情况：

组合1：自重+孔隙水压力(天然状态)

组合2：自重+孔隙水压力(暴雨状态)

组合3：自重+孔隙水压力(天然状态)+地震力。

其中,坠落式只考虑荷载组合1与3,滑移式同时考虑三种情况。

(3)危岩体力学参数

危岩岩体为凝灰岩,岩体容重根据室内试验结果获得。根据文[7]与[19],危岩体抗拉强度根据岩石抗拉强度标准值乘以0.20的折减系数确定。岩体力学参数如表2。当结构面未完全贯通时,以贯通段与未贯通段按长度取加权平均值可求得危岩结构面的黏聚力和摩擦角的标准值。

(4)危岩体稳定系数计算

根据现场勘查情况(表 1),大多数片状危岩体的破坏模式均为坠落式,仅有两处为滑塌式。危岩体的稳定系数可根据文[19]中提出的危岩稳定系数计算方法进行分类计算,具体计算公式见表 3。

表3 危岩稳定性计算公式Table 3 Formula for the calculation of the stability of dangerous rocks

表中各变量意义如下：W为危岩体自重/kN；P为水平地震力/kN；Q为裂隙水压力/kN；β为主控结构面倾角；H为危岩体高度/m；c、φ为结构面的等效强度参数。

根据表 3中的公式可依次计算出各危岩体的安全系数Fs。由于长屿硐天景区为采石遗址公园,是要对游客开放的公共区域,因此按照文[19]中危岩防治工程等级标准,将长屿地区安全等级定义为一级区域,对应滑塌式危岩的安全系数应大于1.40,坠落式危岩的安全系数应大于1.60。

5 结论

(1)虽然长屿硐天地区块状凝灰岩完整性较好,节理裂隙较少,但是却出现多处片状危岩体。这类片状危岩体的节理裂隙并非原生层理面,也并非后期节理裂隙带,而是典型的卸荷作用引起的结构面切割而形成的危岩体。虽然卸荷作用在岩体内产生的拉应力并未超过岩体抗拉强度,但是由于岩石开采导致岩体内部应力重分布,造成岩体内部满足一定条件的原生节理裂隙进一步发展形成了多组结构面,并相互切割形成了危岩体。

(2)片状危岩体的形成机理为具有较大倾角(大于45°)的原生节理裂隙的开裂角较大,一般在60°～90°之间,特别是在78°左右时,应力强度因子KI较大,更容易发生开裂,进而发展成切割危岩体的结构面。经现场勘查发现,长屿硐天景区硐室围岩的节理多为陡倾节理或近直立,这一点与本文分析结论较为吻合。

(3)由于卸荷作用引起的危岩应力调整范围较小,一般仅在3 m范围内较为显著,特别1.5 m范围内的围岩影响非常大,但在超出5 m的范围后,卸荷作用并不显著,所以岩体开挖后,表层岩体受应力重分布影响形成了片状危岩体。

(4)片状危岩体的破坏模式以坠落式为主,由于在卸荷作用的影响下,原生结构裂隙开裂长度有限,基本未造成破坏性切割,再加上片状危岩体的体积相对较小、重量相对较小,所以多数危岩体处于欠稳定或稳定状态,但为了提高安全系数,确保景区与游人安全,可以通过锚杆进行加固。

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