龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究

第24卷第12期岩石力学与工程学报Vol.24 No.12 2005年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2005龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究李丽慧1，杨志法1，岳中琦2，潘炜1，牟会宠1(1. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 香港大学土木工程系，香港)摘要：位于中国浙江省西部龙游县的龙游大型古地下洞室群由24个洞室组成，该发现引起了国内外有关专家的关注。

对该洞室群进行了多次现场工程地质调查，发现该洞室群已产生了程度不一的破坏，其破坏方式主要表现为洞顶及岩柱的破坏。

对完整洞室1#～5#洞而言，也存在着一定的安全隐患。

调查发现，在这5个洞室内，洞顶、边墙上的裂缝较为发育，其中1#洞洞顶靠近柱子周围部分、1#，2#洞公共墙上、2#洞洞顶以及3#，4#洞西边墙上的裂缝均较为发育，对洞室群的整体稳定极为不利。

为了更好地保护这一人类文化瑰宝，采用FLAC3D数值计算，对洞室变形破坏机理进行了研究。

在此基础上，以1#，2#洞为例，本着安全第一，整旧如旧的原则，提出了以支顶为主的加固方法。

关键词：岩石力学；龙游大型古地下洞室群；变形破坏；数值分析；加固方法中图分类号：TU 457 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)12–2018–11DEFORMATION AND FAILURE MODES AND REINFORCEMENTMETHODS OF ANCIENT CA VERN GROUP IN LONGYOU COUNTYLI Li-hui1，YANG Zhi-fa1，YUE Zhong-qi2，PAN Wei1，MU Hui-chong1(1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China；2. Civil Engineering Department，University of Hong Kong，Hong Kong)Abstract：An ancient cavern group was found in Longyou County of Zhejiang Province. It consists of 24 caverns. The finding of it evokes attentions of many scholars in the world. Field investigations were carried out；and it is found that there are many failures in the caverns. The common failures occurs at vault and pillars. There are also some cracks in the sidewalls，vaults and pillars in the integrity caverns No.1–No.5. The vault around 1–1 pillarof cavern No.1，the common wall between cavern No.1 and No.2 and the vault of cavern No.2 etc. all need to be reinforced. In order to protect the caverns，numerical analyses were also done to study the failure mechanism of the caverns. According to the field investigations and numerical analyses and on the basis of“safety first”and “rehabilitation but not change the natural form”，the reinforcement methods were proposed.Key words：rock mechanics；Longyou ancient cavern group；deformation and failures；numerical analysis；reinforcement method收稿日期：2004–03–30；修回日期：2004–04–28基金项目：国家自然科学基金资助项目(40272112)作者简介：李丽慧(1976–)，女，1998年毕业于长春地质学院工程地质专业，现为博士研究生，主要从事工程地质学、岩石力学方面的研究工作。

E-mail：lhli2942@。

第24卷第12期李丽慧等. 龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究 • 2019 •1 引言龙游大型古地下洞室群，又称龙游石窟，与中国的一般石窟有所不同。

后者往往和佛教、祭祀、墓葬、民居等有关，且一般为中小型地下洞室，即跨度均小于20 m。

而前者则为一大型古代地下工程群，最大的2#洞的面积达1 057 m2，在方圆0.38 km2范围内分布着大小24个洞室。

考古已经证明，其开挖年代始于2000多年以前(2#洞)。

但均找不到与佛教、祭祀、墓葬、民居等直接有关的证据，因此，其用途众说纷纭。

对于有关中小型石窟的岩石力学问题，目前国际上研究较多[1～8]。

国内从20世纪50年代就已开始对石窟保护的工程地质研究工作，对于跨度大于20 m的古代大型地下工程的岩石力学研究，始于90年代中，但发表的研究论文较少。

文[9～13]在21世纪开展了有关龙游古地下洞室群的研究。

世界上大型古地下工程并不多见。

目前作者仅查到以色列著名Bet-Guvrin古地下采石场和波兰世界自然文化遗产Wieliczka古盐矿群两大古地下工程群。

Bet-Guvrin始挖于1 300多年前，其规模较大，平均跨度达到20～40 m，大致可与国内发现的大型古地下工程相媲美。

对此，文[14～16]进行了较深入地研究。

Wieliczka古盐矿群则始挖于700多年前，于1978年9月9日被联合国教科文组织定为世界第一项自然文化遗产。

最大的洞室Warsaw洞高为9 m，跨度为17 m[17]。

但目前尚未查到更多的从工程地质和岩石力学方面进行研究的资料。

龙游大型古地下洞室群自发现至今已引起了考古界、岩石力学界和工程地质学界的关注。

作者已经证明，龙游古地下洞室群具有诸多符合岩石力学原理设计，例如斜顶设计以及使岩柱具有“鱼尾”形横截面的特点。

这些特殊设计对于解决大跨度、浅埋这一复杂的工程问题极为有利[11]。

然而，通过现场调查发现，该洞室群已产生了程度不一的破坏。

对于完整洞室1#～5#洞的现场裂缝调查发现，洞室的顶板、边墙和岩柱上都或多或少地发现了裂缝。

这些裂缝的出现，说明洞室的稳定程度在降低，尤其是岩柱和顶板上裂缝的发育大大影响了洞室的稳定。

显然，有必要对这些洞室进行加固。

但在加固之前需要搞清楚在何处，以何种方式进行加固最有效，且对文物破坏最少等问题。

为对加固部位加固方法的选择提供科学依据，作者除了作裂缝调查外，还从三维数值计算入手，分析了龙游洞室群洞室顶板及岩柱的受力特点。

并根据其特点和裂缝分布，对洞室顶板和岩柱的加固方法进行初步研究。

2 洞室群赋存地质环境及工程地质分析2.1环境地质条件概述龙游大型古地下洞室群分布区地处金衢盆地中部，衢江北岸(左岸)。

区内地层单一，其岩性为白垩系上统衢县组(K2q)地层，岩层总厚度大于100 m。

岩性为砖红色厚层状泥质粉砂岩夹细砂岩，含砾砂岩、薄层泥岩。

在盆地形成之前有深、大断裂发育，但只切断基底。

应当指出的是，断裂带的发育为沉积提供了一个有一定水深的相对稳定的湖泊沉积环境。

另外，测区内断裂总体走向NE，其规模较小，均表现为压性。

在洞室群以北5 km处，发育有下章断裂。

该断裂对于金衢盆地的形成始终起重要的控制作用。

区内地震活动性较小，根据地震资料统计，自1513年以来，龙游附近发生有感地震仅3次。

据有关资料，区域内地震基本烈度小于VI度，场地基本稳定[18～21]。

2.2洞室群分布区岩体工程地质特征及工程地质条件评价洞室围岩主要为泥质粉砂岩。

由于上白垩系地层所受构造作用不大，因此，岩体相当完整。

据研究表明，它属于层状完整状结构[22]。

该处岩层的组成颗粒较细、岩体均质、泥质含量并不很高，且含有少量铁质。

其风化深度较浅。

围岩的物理力学参数见表1。

由表1可知，龙游大型古地下洞室群的围岩在强度上属中等偏下，但考虑到节理裂隙不很发育，表1 龙游大型古地下洞室群围岩的物理力学性质指标Table 1 Physico-mechanical properties of surrounding rock mass of Longyou caverns试件含水状态密度/(g・cm－3) 弹性模量/MPa 泊松比单轴抗压强度/MPa c / MPa ϕ /(°) 风干 2.2 4500 0.266 31.61 ––饱水 2.3 3030 0.269 18.13 5.6 26・2020・岩石力学与工程学报 2005年岩体均质而完整，风化深度也较浅，因此，作者认为围岩当前的工程地质条件可定为中等。

3 洞室群裂缝调查和洞室顶板、岩柱的变形破坏方式研究龙游古地下洞室群的变形破坏方式以及裂缝的分布情况是加固方法研究的基础，因此，作者首先对洞室群的变形破坏方式以及裂缝的发育进行了详细调查。

3.1洞室群破坏形式调查3.1.1 顶板的变形破坏方式龙游大型古地下洞室群的开挖方式近似于煤矿中的房柱式开采。

众所周知，对于煤矿，房柱式开采时顶板塌方的概率要远大于长壁法开采(Dolinar and Bhatt，2000)。

Gregory M. Molinda等人对1996年美国所有的煤矿顶板塌方事件的统计表明，71%的顶板塌方的部位均在房柱式开采的相交部位。

造成顶板破坏的主要原因为：跨度太大、支护不够，水平应力太高以及支柱太小等[23]。

这一系列因素都是研究的重点。

由于龙游大型古地下洞室群又具有大跨度、超浅埋等特点，因此，顶板的变形破坏问题更加突出，更值得关注。

现场观测结果发现，在24#，12#洞以及18#洞室均存在顶板脱落现象。

尤其是24#洞室，脱落面积较大，如图1所示。

另外，据观察，以上洞室顶板脱落部位一般处在相变点处。