巖體結構面產狀與地下建筑物軸線關系初探

劉芙榮，熊 博，黃向春

（1. 中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.水利部海委引灤工程管理局，河北 唐山064309）

1 地下建筑物的工程地質

與其他建筑物相比，地下建筑物具有明顯特點，雖然規模各異，但都建在山體內，具有特定橫斷面和一定長度， 圍巖的穩定性決定了地下建筑物的安全和正常使用。

例如，水利水電工程的地下洞室大小不一，洞徑變化大，并且斷面形狀多樣，有圓形、馬蹄形、城門洞形、卵形等。 洞室多選擇巖石堅固完整地區，以降低支護費用。 一般情況下，洞室埋深不大，但有些洞室埋深較大。但地下洞室多屬于過水的永久建筑物，要求支護措施具有較好耐久性，洞壁平整光滑，襯砌與圍巖需共同承受內水壓力。 圍巖穩定性是主要工程地質問題之一。

常見圍巖破壞形式多為滑動與坍塌、 松動與脫落、變形與膨脹、巖爆、巖溶突水突泥等。圍巖由巖塊和各種結構面組成，結構面切割巖體，破壞巖體完整性，使圍巖（巖體）具有不連續性和不均一性，而結構面的產狀、性狀、規模、密度、類型差異較大，對地下建筑物的開挖和圍巖穩定性的影響程度也有所不同。此外，結構面也為地下水運動創造了條件?？梢?，結構面作為巖體的主要組成部分， 其存在對圍巖強度和穩定性具有決定性作用。

因此，結構面的勘察與研究是必要的，尤其對復雜地質條件、大洞室、洞群、勘察工作尤為重要。

2 巖體結構面產狀與地下建筑物軸線關系

2.1 隧洞

一般來說，陡傾角結構面對高邊墻的穩定不利；緩傾角結構面對大跨度的洞室頂拱不利。

據SL279—2016《水工隧洞設計規范》［1］，在滿足總體要求的條件下，洞線宜布置在地質構造簡單、巖體完整穩定、水文地質條件有利及施工方便的地區。洞線與巖層、 構造線及主要軟弱帶走向宜有較大的交角；對整體塊狀結構巖體及厚層并膠結緊密、巖石堅硬完整的巖體，交角不宜小于30°；對薄層巖體、特別是層間結合較差的陡傾角薄巖層， 交角不宜小于45°。 隧洞通過較大的地質構造帶時，綜合考慮，選定洞線方向。

據楊子文［2］等研究，隧洞軸線與結構面產狀關系如表1。

表1 隧洞軸線與結構面產狀的相互關系

谷兆祺［3］研究發現，對中等埋深或淺埋深的洞室，若地應力不大，洞室長軸宜布置在兩組結構面的交角分角線上，但不宜平行結構面走向。長而高的邊墻與陡傾角、表面光滑的結構面宜有較大交角，不宜小于25°。 對深埋地下洞室，不僅考慮結構面關系，還需考慮與地應力關系。 當洞室長軸與最大主應力方向水平投影的夾角為15°～30°時， 其穩定性較好，但洞室長軸不宜與結構面走向平行。 在各向異性巖體中，若主應力方向與結構面、層理走向相近時，洞室長軸與結構面走向夾角不小于35°。

據比尼奧斯基（Bieniawski）［4］提出的地質力學分類法（RMR），不連續面產狀與隧洞關系如表2。

表2 隧洞中不連續結構面的走向和傾向對圍巖穩定的影響

由此可見， 地下洞線布置與結構面產狀密切相關，不同地質條件下，需結合實際條件，綜合多因素后確定，盡可能利用有利因素，減少或降低不利因素影響。

2.2 地下廠房

一般而言， 地下廠房縱軸方向選擇以縱軸線與最大主應力宜成小夾角或平行、 與巖體主要裂隙的走向呈較大夾角為主要原則。

據SL266—2014《水電站廠房設計規范》［5］，地下廠房主洞室的縱軸線走向， 宜與圍巖的主要構造弱面（斷層、節理、裂隙、層面等）呈較大的夾角。 同時，應注意次要構造面對洞室穩定的不利影響。 在高地應力地區， 洞室縱軸線走向與地應力最大主應力水平投影方向的交角宜采用較小角度。

據NB/T35090—2016《水電站地下廠房設計規范》［6］，地下廠房位置應考慮地形地質條件、樞紐布置、輸水系統水力條件、施工條件、機電設備布置、運行要求及環境保護等主要因素，綜合選定。主體洞室宜布置在地質構造簡單、巖體較完整、上覆巖層厚度適宜、地下水不發育、岸坡穩定的地段，宜避開較大斷層、高應力區、節理裂隙發育區。 地下廠房主體洞室縱軸線方位選擇， 應在滿足引水發電系統布置較為順暢的前提下， 與巖體主要結構面走向呈較大夾角，在以構造應力為主的高地應力區，與最大主應力方位呈較小夾角。 巖石強度應力比大于7.0時，宜主要考慮結構面因素； 而巖石強度應力比小于4.0時，宜主要考慮地應力因素并兼顧結構面因素。 主體洞室縱軸線與巖體主要結構面走向的夾角不宜小于50°；巖石強度應力比小于4.0時，主體洞室縱軸線與最大主應力方向的夾角不宜大于30°。

據李莉等［7］研究發現，以構造為主和以自重為主的地應力場，在廠房縱軸線方位選擇時存在差異。以構造為主的地應力場， 當廠房縱軸線與σ1成小角度相交時，橢圓洞室周邊最大切向應力取得較小值，對圍巖穩定性較為有利； 而以自重應力場為主的地應力場， 當σ1與縱軸線成小角度相交時， 并非最為有利。 地下廠房縱軸線方位的選取應盡量避免洞室周邊切向出現量值較大的拉應力， 當洞室周邊只存在壓應力時， 應當選擇使洞室周邊最大切向應力為最小的縱軸線方位角。 當洞室周邊同時存在拉壓應力時， 應當使洞室周邊的切向拉應力和壓應力都盡量接近較小值。

地下廠房具有自身特點，跨度和高度較大，其布置需兼顧結構面和地應力等主要因素， 并需考慮自身結構需求，達到工程自然協調統一。

3 地質勘察工作思路

與常規線性隧洞相比， 地下廠房多屬于地下洞群，主要有主體洞室、副廠房洞室、主變壓器洞室、交通洞、通（排）風洞、尾水洞等，主體洞室長軸線的選擇影響因素較多，亦較為復雜。

為研究地下廠房的長軸線方向， 在查明廠房區巖體發育的結構面（層理、節理、裂隙、片理、斷層、軟弱結構面等） 發育規律基礎上， 繪制結構面玫瑰花圖；然后依據有關標準對結構面進行分級和分類，確定巖體中發育的主要結構面和次要結構面， 以及可能影響；調查地應力分布規律，確定地應力方向和數值，以及影響；然后綜合巖體基本質量、結構面條件、地應力條件，以及建筑物布局，確定地下廠房長軸方向，充分利用地質條件有利因素，限制或處理地質條件不利或缺陷，達到工程與自然協調。

而常規線性隧洞，通常長度較大，主要研究沿線I級、II級區域性的構造線分布規律與影響；其次查明沿線地層巖性，然后結合工程布局，確定洞線布置。

4 結語

由于地下工程具有其特殊性， 局限于現有勘察技術水平，地質條件存在不確定性，但圍巖穩定性是地下建筑物的主要工程地質問題之一。

地下隧洞軸線宜與優勢結構面走向呈大角度相交，一般情況下，不宜小于30°；而小角度相交，較為不利；如埋深較大，需考慮地應力，則洞室長軸與最大主應力方向水平投影的夾角呈小角度， 一般情況下，不宜小于15°。

地下廠房縱軸方向與巖體主要結構面的走向呈較大夾角，一般情況下，交角不小于50°；與最大主應力水平投影方向的交角宜呈小角度，一般情況下，不大于30°。

地下洞室布置需兼顧功能、施工、地質條件、運行等因素，需綜合統籌，抓住核心和重點，充分利用自然條件，限制或處理其缺陷。