论文部分内容阅读
龙游大型古地下洞室群自1992年发现至今，已引起全世界某些工程地质学家和岩石力学学家以及其他专业的专家学者的关注。开展对龙游大型古地下洞室群的研究具有极大的意义和科学价值。从工程地质力学角度看，其无论从工程选址、洞室设计(洞顶设计、岩柱设计)、施工工艺等方面都有着很高的科学性。而其保持上千年的稳定则向现代工程地质学、岩石力学中的自稳时间和长期强度等提出了挑战和质疑。对其进行研究还可以为更好地保护龙游大型古地下洞室群，并为其他古地下工程的开发和长期保护提供理论依据，填补国内古地下空间二次利用的空白。
本文主要通过其详细的工程地质调查、围岩物理力学性质试验、平面及三维数值模拟计算，论证了龙游大型古地下同室群长期稳定的机理，并取得了以下认识：
龙游大型古地下洞室群开挖于白垩系砖红色厚层泥质粉砂岩中。该区岩体相当完整，属块状和完整状结构。地震活动性较小，地下水活动轻微，具有较好的工程地质条件。
室内物理力学试验表明，洞室围岩属中低含水量和中低密度砂岩。根据其弹性模量及单轴抗压强度，粉砂岩总体上属于软岩。其软化系数为57.36％，表明浸水后砂岩强度有明显的降低。除上述常规试验外，还对三种不同赋存环境下的岩样进行了物理力学试验。试样共分三组，一组放于洞内、一组放于洞内并饱和，一组置于地表，一年后进行室内试验。试验结果表明，三种赋存环境下岩样的强度较初始样均有所降低，且不同环境下其含水量、密度、动弹模等参数均不同。
对洞室围岩进行了颗分试验、胶结物测定以及崩解耐久性规律分析。胶结物测试结果显示洞室围岩中胶结物的类型主要为泥质胶结、其次为钙质胶结和铁质胶结。而泥质胶结主要以蒙脱石为主。蒙脱石遇水易膨胀，失水则收缩，在干湿交替的环境下，循环往复的膨胀-收缩，将使岩石疏松，大大降低其强度。围岩为高耐久性岩石，但随着干湿交替次数的增多，耐久性明显降低。
对洞室群的分布情况、完整和破坏情况等进行了详尽的现场调查。洞室群主要由三部分组成：凤凰山洞室群、翠光岩洞室群、上畈村洞室群。调查发现，这些洞室群有的保持完整，有的已产生了各种破坏。
完整洞室群主要分布于凤凰山洞室群中，发现时均充满水(目前，已对外开放的1～5号洞已抽干)。对完整洞室群的调查发现，这些洞室均具有浅埋、大跨度特点；具有斜顶加岩柱结构；洞室边墙均稍向洞内倾斜；洞内岩柱的横截面呈有趣的“熨斗”状(鱼尾形岩柱)，且岩柱顶端有斜托；洞内凿痕精美壮观。而洞窒自1992年抽水开发后也出现了裂缝，且裂缝不断扩展。
对非完整洞室群的调查发现，其在地理位置、洞室结构及开凿工艺与完整洞群均较一致。与完整洞室的主要差别是洞室不充水或部分充水。洞室破坏方式主要以洞口坍塌破坏、侧壁块体塌落、洞室顶板脱落以及岩柱破坏等。洞室的破坏大多集中在水面以上部分，且水位的骤降还可导致整个洞室的坍塌。非完整洞室群的破坏与完整洞室群内裂缝的发育规律一致，由此可以根据非完整洞室群的破坏形式推断出完整洞室群将来可能发生的破坏。
对洞室特殊结构对洞室稳定性的影响进行了数值计算分析。计算结果表明，龙游大型古地下洞室群采取的斜顶、鱼尾形岩柱、斜托以及斜墙等特殊结构对洞室的整体稳定极其有利，即其洞室群的结构设计具有一定的科学性，是洞室群得以保持千年以上完整的内因。
洞内凿痕的测量对比研究发现，洞内充满水可以减缓洞室围岩的风化速度。数值计算结果表明，洞室充满水，一方面可以有效地改变洞室围岩的受力：减少拉应力单元以及减小最大拉、压应力值；另一方而可以减小顶板的下沉量，对洞窒的稳定极为有利。因此，洞内充水是使龙游大型古地下洞室群保持上千年完整的外因。
除此之外，不同的抽水顺序对相邻洞室的影响也进行了数值分析，以洞间壁较薄的1、2号洞为例进行计算。具体表现为1号洞先抽水、2号洞后抽水更有利于公共墙的稳定。与2号洞先抽水、1号洞后抽水相比，可以减小公共墙的变形和压应力集中，其中对变形的控制作用最为显著。
通过数值计算，分析了洞室的应力场和变形场特征，对岩柱的支撑作用进行了分析。在此基础上，提出了洞室的加固方法和防护措施。