（地质工程专业论文）龙游石窟加固综合技术研究.pdf

， l ：l上 答辩委员会主席挑 中南大学 2 0 1 0 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 鹰臻 日期：沮年工月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名导师签 期：2 生年月止日 中南人学j r 程硕士学位论文摘要 摘要 龙游石窟是一处气势恢弘、瑰丽壮观的古代地下人工建筑群，被 誉为世界奇观。它不仅具有很高的社会学、历史学、考古学、古建筑 学、工程地质学和岩石力学等多学科的研究价值，而且也具有巨大科 学教育价值、文物保护价值及旅游开发价值。随着时间的推移，洞室 围岩及石柱受风化、水、人类活动等的作用及破坏，力学强度逐渐降 低，节理裂隙不断发育、扩张，因此需采取必要的技术措施对其进行 加固治理。 论文首先通过现场地质调查及查阅相关文献资料，对龙游石窟 的工程地质条件、水文地质条件、洞窟现存地质病害进行了深入分析， 得出：龙游石窟当前的围岩工程地质条件可定为中等( i i i 类) ，其地下 水对围岩具有一定的危害性；洞窟病害种类主要有裂隙发育、岩体坍 塌、岩面片状剥离及岩体风化；洞室群顶板、岩柱的主要变形破坏形 式是项板脱落、岩柱局部或全部压剪破坏。 接着对龙游石窟围岩加固工程治理技术措施进行了分析研究。针 对锚杆支护、预应力锚索支护、钢支撑支护、碳纤维加固、注浆加固 等加固措施的适用性、局限性及施工工艺进行了分析评价；并通过室 内及现场试验得到了龙游石窟注浆加固工程最佳配方及施工工艺；在 此基础上提出了龙游石窟围岩加固工程的综合保护技术对策。 最后根据上述研究成果，在综合考虑多方面因素后对龙游石窟4 号石窟2 号岩柱及1 号、2 号洞窟围岩及岩柱提出了详细的加固治理 设计方案。对龙游石窟2 号洞窟围岩采用非预应力锚杆+ 预应力锚索 + 锚墩+ 钢筋网面层加固，而洞窟裂缝采用注浆的加固治理方案，对 洞窟石柱采用钢支撑加固方案：对类似石窟工程的加固设计具有一定 的借鉴作用。 关键词：龙游石窟、保护加固、综合技术 中南入学工程硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r c t l o n g y o ug r o t t o e si sag r e a ta n c i e n tu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o ng r o u p ， aw o r l d c l a s sw o n d e r i tn o to n l yh a sh i g hs t u d yv a l u eo fs o c i o l o g y , h i s t o r y , a r c h a e o l o g y , a n c i e n ta r c h i t e c t u r e ，e n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dr o c k m e c h a n i c s ，b u ta l s oh a sg r e a tv a l u eo fe d u c a t i o n ，r e l i cp r o t e c t i o n ，a n d t r a v e l l i n gd e v e l o p m e n t 、m t ht h et i m ep a s s e d ，h o l es u r r o u n d i n gr o c km a s s a n ds h a f ta r ea f f e c t e db yt h ew i n dw e a t h e r i n g ，w a t e ra n dh u m a n a c t i v i t y , w h o s em e c h n i c a ls t r e n g t ha r er e d u c e dg r a d u a l l y , j o i n te x p a n d e dg r a d u a l l y , s oi ti sn e c e s s a r yt od or e i n f o r c e m e n tt ot h eg r o t t o e s t h ei n s i t ug e o l o g yi n v e s t i g a t i o na n dl i t e r a t u r ea n a l y s i sh a v eb e e n d o n et od e e p a n a l y z et h eg e o l o g yd i s e a s e so fg r o t t o e s ，e n g i n e e r i n g g e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g i c a lg e o l o g y t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a t ，t h e c o n d i t i o no fe n g i n e e r i n gg e o l o g yf o rl o n g y o ug r o t t o e si sm i d d l es t a n d a r d ， w a t e rh a ss o m eb a de f f e c to nt h es u r r o u n d i n gr o c km a s s t h ed i s e a s e so f t h eg r o t t o e si n c l u d e sj o i n t ，r o c km a s sc o l l a p s e ，p e e lo 行o fr o c km a s sa n d w i n dw e a t h e r i n g t h ed e f o r m a t i o nf a i l u r em o d e so ft h er o o fo fh o l e g r o u pa n dr o c ks h a f ta r er o o fc o l l a p s e ，l o c a lf a i l u r eo fr o c ks h a f ta n d c o m p r e s s i v es h e a rf a i l u r e t h er e i n f o r c e m e n tm e t h o df o rt h e s u r r o u n d i n gr o c k m a s so f l o n g y o ug r o t t o e sh a sb e e ns t u d i e d t h e r ea r e5r e i n f o r c e m e n tm e t h o sf o r l o n g y o ug r o t t o e s ，b o l tr e i n f o r c e m e n t ，p r e s t r e s sc a b l er e i n f o r c e m e n t , s t e e l r e i n f o r c e m e n t ， c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e m e n ta n d g r o u t i n g r e i n f o r c e m e n t t h ea p p l i c a b i l i t y , 1 i m i t a t i o na n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d sf o r t h o s er e i n f o r c e m e n tm e t h o d sh a v eb e e n a n a l y z e d t h eo p t i m u m c o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h eg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tm e t h o di nl o n g y o u g r o t t o e sh a sb e e no b t a i n e d ，a n db a s e do nw h i c ht h ec o m p r e h e n s i v e r e i n f o r c e m e n tf o rl o n g y o u g r o t t o e sh a sb e e np r o p o s e d f i n a l l y , b a s e d o nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ed e t a i lr e i n f o r c e m e n t s c h e m e sf o rs u r r o u n d i n gr o c km a s si nt h en o2r o c ks h a f ti n4 t hg r o t t o e s ， n ola n dn o2g r o t t o e sh a v eb e e np r o p o s e d f o rt h es u r r o u n d i n gr o c k m a s si nn o2g r o t t o e s ，t h er e i n f o r c e m e n tm e t h o do f n o n p r e s t r e s sb o l t + p r e s t r e s s e dc a b l e + a n c h o r a g ep i e r + r e i n f o r c i n gb a r sa n ds t e e lm e s hi s p r o p o s e d f o rt h eh o l er e i n f o r c e m e n t ，t h eg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n ti su s e d 中南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h eh o l es h a f t ，t h es t e l lr e i n f o r c e m e n ti sp r o p o s e d t h ec o n c l u s i o n so f t h ep r e s e n t p a p e rc a ng i v es o m eg u i d a n c ef o rt h es i m i l a rg r o t t o e s p r o j e c t s k e y w o r d s ：l o n g y o ug r o t t o e s ；r e i n f o r c e m e n t ；c o m p r e h e n s i v e r e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e 玎l 中南人学工程硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 11 前言1 1 2 地下洞室围岩稳定性及加固治理措施研究现状4 1 3 石窟工程研究现状7 1 4 本文的主要研究内容9 第二章龙游石窟地质条件及现状分析lo 2 1 工程地质条件1 0 2 1 1 构造及地层l0 2 1 2 岩体结构1 0 2 1 3 岩石物理力学性质1 0 2 1 4 围岩工程地质条件评价1 l 2 1 5 地震12 2 2 水文地质条件1 2 2 3 龙游石窟的主要地质病害：1 3 2 3 1 裂隙发育1 3 2 3 2 岩体坍塌1 3 2 3 3 岩面片状剥离1 4 2 3 4 岩体风化一14 2 4 洞室群顶板、岩柱的变形破坏形式一1 7 2 4 1 洞室群顶板破坏形式17 2 4 2 岩柱的变形破坏形式17 2 5 本章小结l8 第三章龙游石窟围岩加固治理措施研究1 9 3 1 石窟加固原则1 9 3 2 石窟围岩稳定支护加固措施一1 9 3 2 1 锚杆支护1 9 3 2 2 预应力锚索支护2 0 3 2 3 钢支撑支护2 1 3 2 4 碳纤维布加固2 2 3 2 5 注浆加固2 3 3 3 龙游石窟抢险加固工程注浆材料试验研究一2 5 3 3 1 试验材料2 5 i v 中南大学工程硕士学位论文 目录 3 3 2 水泥、石块物理力学性能测定2 5 3 3 3 不同水泥注浆配方物理力学性能2 6 3 4 龙游石窟综合保护对策研究3 0 3 5 本章小结3 2 第四章工程实例分析3 3 4 1 龙游石窟4 号石窟2 号石柱应急加固支撑设计方案3 3 4 2 1 概况3 3 4 2 2 设计依据3 3 4 2 3 应急加固支撑方案3 4 4 2 龙游石窟1 号、2 号石窟加固设计方案。3 7 4 2 1 概况。3 7 4 2 21 号、2 号石窟区水文地质及工程地质条件3 7 4 2 3 洞室现状稳定性分析3 9 4 2 4 加固处理设计方案3 9 4 2 5 洞室围岩的养护4 8 4 2 6 抗风化问题5 0 4 2 7 洞室监测系统的建设5 0 4 2 8 石窟围岩稳定性验算问题5 1 4 3 本章小结5 2 第五章结论与建议5 3 5 1 结论5 3 5 2 建议5 4 参考文献5 5 至l 谢6 1 攻读学位期间主要的研究成果6 2 v 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 龙游石窟位于浙江省龙游县城北3 k m 处的凤凰山南麓。在方圆0 3 5 k i n 2 范围 内有规律地分布大小2 4 个石窟，为前人雕凿而成的地下洞室群。从已经开发 的5 个石窟柬看，石窟的工程浩大恢宏、形状基本统一。造型、格局、风格如出 一手。全局着眼，分布合理。据了解，就在石岩背村方圆1 平方公里的地下，类 似的石窟共有2 4 个，而在龙游地区2 8 8 平方公里的地下估计有5 0 到7 0 个以 上基本相似的石窟。如果按平均每个石窟以10 0 0 平方米的面积来计算，一个石 窟就要挖出石方2 万立方米，以5 0 个石窟计算则至少可挖石方1 0 0 万立方米， 若以一人一天可挖石方0 3 立方米，则需要2 0 0 万个工作日才能完成。有人作过 统计，若每天投入1 0 0 0 人不分刮风下两、夜以继r 地工作，也需要耗费六年的 时间，况且形状统一、工艺讲究、精雕细凿，实际工作量要远远超过人们的理论 推算。 龙游石窟的气势壮观，设计精巧科学、施工规范先进，确实具有鬼斧神工之 魅力【2 巧】。每个石窟就是一座宏伟的大厅，呈倒斗矩形状，出口小下面大，一面 陡峭，一面按约4 5 度角倾斜，四壁笔直，棱角分明。石窟项部及洞壁的凿痕排 列规则有序，凿线整齐划一，该平行则平行，该弧状则弧状，宽度均在一尺左右， 犹如出自一人之手，又似机械加工一般，石窟沿壁有台阶上下，成锯齿形，锯齿 问相隔达三米，其中台阶到洞口要有四米。每个石窟都有粗大的擎柱支撑着项部， 多则四根，少则一根，最大的周长为1 0 米，最小的周长为5 米，呈鱼尾状三角形， 尖朝里，面朝前。每个石窟自成一体，互不相通。石窟内部都有一个半凿半砌的 矩形方池，约2 0 平方米，深的5 米。在一号石窟站立抬头1 0 米左右处，清晰 可见一幅岩画，内容是马、鸟、鱼三种动物。这是已发现的5 个石窟中唯一的窟 内岩画。线条浑厚古朴，粗犷流畅，很有意境【6 1 。 工程浩大、设计精巧的龙游石窟，竣工的确切时间无从考证。龙游的人文记 载约始于汉代，此前无古籍可查。在周、秦史料及唐朝文献中，韩愈曾撰写徐 偃王庙碑，其中有“凿石为室，以祠偃王”的记载，所谓偃王是西周第五个皇帝 ( 公元前1 1 世纪至公元前7 7 年) 。不谈凿石为室的“室”该有多大，又与龙游石 窟有何联系尚存在许多疑问，若果真是，石窟的凿成距今至少已有2 5 0 0 至3 0 0 0 年的历史。星转斗移的岁月，旱涝战火的洗礼，背天的山坡已变迁，裸露的岩石 也风化，而石窟内呈现在人们眼前的形态、纹路、痕迹却依然如新，犹如昨日所 南大学工程硕士学位论文第一章绪论 ( 见图1 1 ) 。 黪鏊 图卜1 人工凿成的台阶 1 号石窟：它是5 个石窟中最小的一个，地面面积约3 0 0 平方米左右，呈 近正方形，地面平整，矩形方池在进口处下方。因支撑面小，只有一根擎柱。窟 顶分高低两层，相差约5 0 c m ，就像擎柱顶着大梁而把一间大厅一分为二一样。 该洞窟进口处与竹林禅寺仅一墙之隔。离窟口不远处有一鱼、马、鸟三种动物雕 刻图，这是在已抽干的5 个石窟中唯一的图象雕刻。 2 号石窟：2 号石窟比1 号石窟大3 倍，地面面积约9 0 0 平方米，也近正方 形，靠北边尚有小部分未完工( 或有意留下) ，因窟项支撑面大，有四根立柱， 其中三根鱼尾形柱尖头朝北，靠东一根尖头朝东，矩形方池南壁中部。四根柱子 中最粗的柱横截面的三条边长分别为2 9 7 c m 、2 7 4 c m 、1 5 5 c m ，高约l o c m 。该石 窟光线较充足。进口处( 天井) 下方窟壁上有一些明显的极不规则的凿痕，有人 辨认为象形文字中的“正 、“伏 两字。 3 号石窟：3 号石窟较之2 号石窟要大，约1 2 0 0 平方米，但高低相差悬殊， 窟顶呈4 5 度斜面从南延伸到北壁，地面几乎也呈4 5 度斜坡伸到北端，给人以深 邃阴森的感觉。该石窟呈长方形但东北角尚有很大部分未挖掘，因而呈缺角 矩形，是掘凿者有意不挖除，还是因故停止挖掘留下，乃不解之迷。其转角处从 顶到底有螺旋状刀痕，有人认为是一条巨型机械的进刀痕。该石窟有三根擎柱， 呈一字形南北向排列。矩形水池在西北角，阶梯在西壁沿伸而下，西壁有少量渗 水。 4 号石窟：这是工程最大的一个石窟，进口先为一平台，右侧为陡峭石壁， 左侧是盘壁而下的石阶，石阶与前几个石窟一样的锯齿状。原阶距长达三米，从 2 中南人学工程硕七学位论文第一章绪论 窟口到窟底深达2 0 余米，阶道达5 0 米以上，窟底较平整，面积约2 0 0 0 平方米， 三根擎柱呈三角形分部，矩形方池在窟底中部。矩形方池可能因窟规模大，也 相应比前几窟大多倍。 5 号石窟：该石窟规模较小，仅7 0 0 平方米左右，该石窟进口处有大量的 土石未运出，梯道也埋在土石堆下。旅游者可从窟底一人工开凿的横门由四号窟 进入。该窟呈矩形，三根擎柱呈南北向排列，矩形水池在东北角。 总的来说，龙游石窟其工程规模之大、雕凿技艺之精、洞室结构布置形式 及岩石力学性能的充分利用等堪称人类世界之壮举，具有极高的考古研究及旅游 价值 7 - n 】。龙游大型地下洞室群自发现至今己引起了考古界、岩石力学界和工程 地质学界的关注1 1 2 。1 5 1 。随着时间的推移，受风化、水、人类活动等的作用及破坏， 洞室围岩力学强度逐渐衰减，节理裂隙不断发育、扩张，围岩中已经出现危及洞 室稳定的不利构造切割面【1 6 1 。如1 群石窟洞顶柱子周边已发育环状裂缝、2 撑洞室项 部已发现几条延伸长且已张开的裂缝，受节理切割，洞顶随时存在塌陷、穿顶的 安全隐患。3 群洞的洞顶项部也已发育有张开裂缝( 见图1 2 ) 且有一处具有3 个 方向临空面的危岩体，其稳定性恶化。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。 图1 - 2 洞窟顶部裂缝 因此，本文在总结分析国内外已有的地下洞室及其他石窟围岩稳定性及加固 治理措施的基础上【1 7 2 0 1 ，以龙游石窟群( 主要是1 号5 号石窟) 作为研究对象， 中南人学工程硕士学位论文第一章绪论 在现场调查分析的基础上对龙游石窟的加固治理措施进行分析研究，为工程加固 施工提供参考，具有一定的理论和实际意义。 1 2 地下洞室围岩稳定性及加固治理措施研究现状 我国水利水电地下工程围岩稳定性研究基本上是从围岩压力研究开始的。 五十年代初，水工隧洞直径不大，一般为3 - 8 m ，广泛采用普氏理论确定围岩压 力，据此，来评价围岩的稳定性。从五十年代中期开始，根据岩石强度、岩体完 整性、断层节理等不利组合以及裂隙夹泥，地下水的作用等实际情况来分析围岩 稳定性和普氏坚固系数。六十年代，由于地下洞室断面逐渐增大，开始采用弹性 或弹塑性理论对围岩稳定性进行分析。七十年代以来，开始程度不同地采用新奥 法原理进行修建，用喷锚支护对围岩进行加固，大型地下厂房，除采用弹塑性理 论对洞室围岩的应力和应变分析外，并对洞壁围岩变形进行观测，同时，对围岩 表面应力和深部应力进行测试，分析地应力对围岩的作用。八十年代以来，我国 水利水电地下工程越来越多地采用围岩分类来评价围岩稳定性，八十年代末至九 十年代初，除传统方法以外还出现了一些关于洞室围岩稳定性评价方面新的理论 和方法，如灰色系统理论、神经网络系统、模糊数学理论以及数值法等，这些理 论和方法的大量出现，极大地丰富和提高了稳定性研究程度和可靠度【2 1 1 。 当前，应用解析法在求解有关洞室围岩稳定性问题时，通常采用弹性和弹塑 性两种方法进行，且均按平面问题的极坐标进行解型2 2 。2 3 】。首先，在研究洞室稳 定性问题时，一般情况下，将围岩体假设为各向同性的、连续性介质，且洞室的 延伸要远远地大于洞室断面的尺寸，按平面应变问题进行考虑，同时假设洞室围 岩处于一水平应力和垂直应力均相等的一均匀应力场中。在上述应力场中，洞室 围岩弹性、弹塑性状态下围岩形成二次应力的大小、围岩周边位移以及围岩中塑 性区变化范围等，已有相应的计算公式【2 4 2 5 l 。其次，在求解洞室围岩的平面应变 问题时，假设洞室围岩存在于这样一个垂直应力和水平应力不相等的应力场，那 么，对于弹性、弹塑性围岩的有关应力应变问题的解答，相比于前一种情况，在 目前还研究得不够广泛，只是个别专家学者仅在这方面开展了一定的工作( 肖树 芳等，1 9 8 7 ；孙广忠，1 9 8 8 ) 。在用解析法评价洞室围岩稳定性时，对于围岩呈 连续或似连续体，且在均匀应力场内，围岩的稳定性可按岩体强度理论进行，即 在单向应力场的作用下，判断洞壁表面围岩的稳定性可按最大正压力理论进行； 相应地，判断洞壁表面以内围岩的稳定性时，可按莫尔库仑强度理论建立相应 的稳定性判别式( 赵彭年，1 9 9 5 ) 。 块体理论适用于分析被节理切割的岩体中隧道的稳定性问题( 张清、莫勋涛， 4 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 9 8 9 ) 。目前，应用该理论进行洞室围岩的稳定性分析，其主要的办法是确定洞 周上对围岩稳定具有重要影响作用的关键性块体，这种关键块体的确定方法，清 华大学裴觉民等对此曾进行过专门性研究，并提出了用节理形迹展示关键块体的 办法。水利部水电规划设计院( 1 9 8 5 ) 对在拱顶围岩中所形成的四边形结构体的稳 定性也进行了验算，并推导出了计算过程中不考虑四边形块体的自重g 和考虑 四边形块体自重g 作用时，这两种情况下四边形块体呈稳定状态时的基本表达 式。 实践证明，数值模拟方法在研究洞室围岩应力以及围岩变形和破坏的发展， 进而定量地评价围岩稳定性方面具有重要的作用1 2 6 1 。因为该方法不仅可以解决 各种非均质、非线性、含有软弱结构面以及具有流变特性和复杂洞形的围岩应力 一应变分析问题，而且，还可以模拟各种支护方案的有效性以及不同施工程序对 围岩稳定性的影响等。近年来，应用到围岩稳定性的分析中的数值计算方法越来 越多，如有限差分法( f d m ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 、有限元法( f e m ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 、边界单元法( b e m ，b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 、无限单元法 ( i e m ，i n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、刚体弹簧模型或刚体有限元法( r b s m ， r i g i d b o d y - s p r i n gm o d e lo fr f e m ；r i g i d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 、离散元法 ( d e m ，d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 、非连续变形分析( d d a ，d i s c o n t i n u o u s d e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 、流形方法( m m ，m a l l i f o l dm e t h o d ) 、无单元法 ( m e s h l e s s e l e m e n t f r e em e t h o d ) 等数值方法。有限单元法从2 0 世纪5 0 年代开 始盛行，现已十分普及，有限单元法的基本思想是将连续介质离散为仅在结点铰 结的有限个单元，荷载移植于结点，利用插值函数考虑连续条件，由力法或位移 法求解应力场和位移场【2 。m 羽。离散单元法最早是c u n d a l l 在1 9 7 1 年提出来的， 与有限单元和边界单元等方法相比，特别适用于节理岩体的大位移和大变形分 析，能够很好地解决岩土工程的许多相关问题，因而近年来发展非常迅速，它适 用于非连续介质和大变形问题，可有效地分析节理裂隙发育岩体边坡的稳定性与 滑动规律【2 0 1 。边界单元法是7 0 年代兴起的一种数值计算方法，它将连续介质 的边界离散为有限个单元，通过建立积分方程，求解介质内的应力场和位移场， 由于它具有降维作用，且计算精度高，对于解决无限域或半无限域问题尤为理想， 所以很适用于分析岩土体工程地质问题【3 l - 3 3 1 。自然单元法依托于求解结构的 v o r o n o i 图( 类似于有限元网格) ，计算时间与同等精度的四结点有限元法相当 3 4 - 3 5 1 。无单元伽辽金方法是为了解决有限元法所遇到的“计算范围和边界条件不 易确定”而提出来的，是解决岩石力学问题的另一类有效方法。其前处理特别简 单，可免去有限元法里手动或半自动划分网格的麻烦或困难【3 7 】。快速拉格朗日 差分法( f l a c ) 与通常的有限元法不同之处在于：前者是显式的方法，而后者则 5 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 是隐式的。显式差分法求解时未知数集中在方程式的一边，无须形成刚度矩阵， 不用求解大型联立方程，因而占用内存少，便于微机求解较大的工程问题。另外， 由于该方法采用的是随流观察法，即研究每个流体质点随时间变化的情况，所以 适合于解决非线性大变形问题，这一点恰好可以满足岩土工程中力学分析的需要 3 8 - 3 9 。f l a c 方法自提出以后，在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及 构造地质学和成矿学等研究领域【州3 1 。国内于2 0 世纪9 0 年代初才引进该软件， 主要应用于工程地质和岩土力学分析 4 4 - 4 6 】。f l a c 3 d 是美国i t a s c a 咨询公司于 2 0 世纪9 0 年代中期在原有的二维分析软件f l a c 基础上开发发行的一种工程计 算处理程序。 关于洞室围岩变形破坏类型及机理方面的研究，国内外也有不少专家学者在 此领域做过一定的工作，同时也取得了一定的成果【4 7 - 5 0 。张斌( 1 9 9 8 ) 以- - 滩水电 站地下厂房围岩为例，将围岩的变形破坏划分为以下五种类型，即劈裂剥落及轻 微岩爆型、张裂塌落破坏型、剪切滑移松弛型、沿结构面不利组合的塌落掉块型 以及裂面绿泥石化玄武岩带的碎裂松动和坍塌型等类型。尹镇宏( 1 9 9 9 ) 通过对天 生桥一级水电站地下洞室围岩的主要工程地质问题的研究，将围岩的变形破坏划 分为以下五种类型，即屋脊型塌落、断层破碎带及影响带塌落、平面型滑塌、楔 型块体塌落以及复合型失稳等类型。尽管如此，目前在这方面还缺少系统性论述 围岩变形破坏类型的分类方法。 地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力学的发 展有着密切的联系。地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在支 护结构上的荷载。因此，支护结构理论的发展离不开地压理论或围岩压力理论的 发展。从这方面看，支护结构的发展可大致分为三个阶段【5 1 】：( 1 ) 2 0 世纪2 0 年 代以前为古典的压力理论阶段，这种理论基于一些简单的假设；( 2 ) 2 0 世纪2 0 年代至6 0 年代的松散体理论阶段，代表的理论有太沙基( t e r z a h i , k ) 和普氏理论； ( 3 ) 2 0 世纪6 0 年代前后发展起来的支护与围岩共同作用的现代支护理论，早 期的代表为芬纳塔罗勃公式和卡斯特奈公式。6 0 年代中期，有限元、边界元等 数值方法己应用到支护结构的计算上来，如今己成为喷锚支护计算的主要手段。 2 0 世纪7 0 年代末，日本学者樱井春辅提出了基于现场监测的反分析计算法，由 于这种方法适应地下工程的特点，得到迅速的推广应用，可以预料，不久将来它 将最终成为喷锚支护的主要计算方法。喷锚支护的具体设计方法有工程类比法、 理论分析法和现场监控法：( 1 ) 工程类比法是当前主要采用的方法，正朝着定量 化、精确化和科学化的方向发展；( 2 ) 理论分析法最早是由拉布希维兹于上世纪 6 0 年代提出来的，目前尚无较为完善的解析分析法，多用数值分析法进行设计 计算；( 3 ) 现场监控设计法( 也称信息化设计法) 是2 0 世纪7 0 年代后期发展起 6 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 来的一种新兴的地下工程设计监测施工法，它依据现场量测获得的信息，反馈设 计，指导施工。这种方法能较好地解决岩体力学参数和地应力等不易确定的问题。 目前，急需形成比较完善的量测和计算体系，以逐步完善喷锚支护设计理论与方 法。 1 3 石窟工程研究现状 国内目前已经开发旅游的大型石窟有敦煌石窟、云岗石窟、龙门石窟和龙 游石窟等。对于石窟工程，国内外已有多位学者对其进行了深入系统的研究。如 甘向明对云岗石窟水凝结过程进行了分析研究，在此基础上提出了凝结水防治措 施1 5 引。闫宏彬等总结了云冈地区和各种类型洞窟内温湿度变化的规律以及岩石 内部的温度变化规律，计算了窟外和各种类型洞窟内可能发生冻融的条件和天 数，揭示了不同季节的水分在岩石和大气间运移规律，分析了温湿度对云冈石窟 的影响机理【5 3 1 。黄继忠、袁道先通过水岩作用对云冈石窟岩体( 含石雕) 的力 学和化学效应的研究，总结了水与盐对云冈石窟石雕的作用机理、作用规律及程 度，为云冈石窟的科学保护提供了依据m 】。吴宝燕等将云冈石窟的水害分为五 种类型，分别阐述了五种水害类型的成因及其相应的治理措施，旨在说明云冈石 窟水害的严重性、复杂性及其治理的必要性【5 5 】。梅宝等通过介绍探地雷达的原 理，重点介绍探地雷达技术在云冈石窟文物保护中的应用，通过对云冈石窟某窟 间墙壁厚度的检测，证明了探地雷达在用来检测遗址的厚度及其风化程度是可行 和有效的【5 6 1 。方云等在龙门石窟溶蚀现状调查的基础上，从岩溶的空间分布规 律、岩体结构渗水连通网络和微观结构等方面探讨了溶蚀病害的机理。提出治理 龙门石窟溶蚀病害的根本途径是治水，应该通过裂隙注浆，设置地表防渗铺盖和 地表排水系统等止水措施【5 7 l 。张成渝采用岩体力学中的基本理论和方法库仑准 则和摩尔圆，评价了水的赋存对洞窟立壁岩体稳定性的影响f 5 引；并通过对龙门 石窟实际振动环境中典型要素的抽取和振动试验，将试验结果与疲劳曲线进行对 比，分析了龙门石窟的疲劳破坏效应【5 9 1 。李心坚总结了龙门石窟长时间以来在 保护工作中用到的灌浆技术，主要包括灌浆材料、灌浆步骤和灌浆方法掣印1 。 丁梧秀等以石窟围岩风化层弹性波速资料为基础，对其风化层结构状态进行定量 化描述，得出了龙门石窟围岩风化层结构北部白云岩优于南部灰岩，围岩骨架( 岩 石) 部分受风化破坏作用较小，风化层岩体结构性状变异主要由结构面性状变异 所致的结论【6 1 j ；并对洛阳龙门石窟围岩风化特征及风化作用影向因索进行调查 研究，指出目前围岩风化作用主要为生物风化和物理风化作用，并进步对其风化 机理进行了探讨【6 2 】。何燕，李智毅对河南灵泉寺石窟的地质病害进行了详细的 7 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 工程地质研究和地震作用分析，对石窟所在边坡的整治提出了建测6 3 1 。秋仁东， 石玉成分析了石窟的震害特征和所在边坡的失稳因素，通过静态理论分别对没加 固的、挡墙加固的、锚杆加固的石窟边坡进行了抗震性能分析并对石窟加固方法 的抗震稳定性进行了探讨【6 4 1 。石玉成、秋仁东对预应力锚索加固石窟围岩的地 震响应进行了数值模拟分析，揭示了预应力锚索加固石窟岩体在地震作用下的动 态响应和变化规纠6 5 1 。张晓华，金昌明，陆学年对采用碳纤维布加固某一石窟 石柱工程进行了分析验算，并提出了其具体的加固实施过程 6 6 1 。高峰等利用大 型通用a d i n a 有限元分析软件，建立无裂隙无锚杆、有裂隙无锚杆、有裂隙有 锚杆和有裂隙有预应力锚杆4 种模型进行动力分析，研究了锚杆在石窟岩体加固 中的作用【6 7 】。张红梅，马国栋，速宝玉分析了大同云岗石窟石质文物渗水病害 的类型与成因，并提出了新的渗水病害防治方法，为我国石质文物的保护提供参 考【6 8 1 。孙兵分析了龙门石窟渗水病害的形成机理，结合室内试验和现场试验所 得出的各种材料性能参数，综合比较各种试验材料的微观结构特征、力学性能和 抗风化性能，选取适用于石窟裂隙灌浆的性能优越的材料6 9 】。 龙游石窟自从1 9 9 2 年发现以来，国内外学者已对龙游石窟的的成因、龙游 石窟的工程科学，龙游石窟的工程地质条件及保护措施等方面做了大量的研究工 作。如田志美等在地理考察的基础上综合分析其形成原因，通过分析石窟的分布 特征，结合区域采石文化以及对石料去向的初步调查，提出龙游石窟的形成是历 代工匠采石留下的遗迹【7 0 1 。祝介旺等对石窟蕴涵的结构力学思想进行了研究研 究【7 l 】；并对龙游石窟1 号洞处于浅埋状态的洞室顶板、柱子、墙体在自重作用 下发生的破坏形式，及针对这些破坏形式如何去设计洞室围岩加固方案进行了研 究【7 2 1 。李黎等在对浙江省龙游石窟砂岩岩矿分析、泥质胶结物中黏土矿物和地 表、洞室渗水分析研究的基础上，模拟石窟客观环境条件，对石窟砂岩在盐溶液 中反复浸泡，进行加速风化试验，对砂岩风化特性进行了研刭7 3 j ；并通过对龙 游石窟砂岩胶结泥质中粘土矿物蒙脱石的性质和结构特征进行及与其相作用的 水的化学性质，特别是水的p h 值变化等方面的测试分析，对龙游石窟的水稳性 进行了研究【7 4 1 ；此外还通过对龙游石窟地表水、洞室渗水和洞室集水的调查与 水质分析，影响水质的窟区生长植物等环境因素的调查研究、洞室渗水和集水与 石窟岩体中各类矿物相作用的测试研究，探讨了石窟特殊水环境对石窟风化的影 响【7 5 】。杨志法，王思敬等从龙游石窟工程程地质条件出发，对围岩的主要变形 破坏类型以及这一古石窟群的保护对策等方面进行研列7 6 1 。李丽慧，杨志法等 采用f l a c 3 d 数值计算，对洞室变形破坏机理进行了研究，在此基础上，以l 号，2 号洞为例，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【7 6 】。杨志法，李丽慧，张路青对龙游石窟4 号洞的4 _ 2 号岩柱为对象作古地 8 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 下工程岩柱长期抗剪强度的反演研慰7 7 1 。祝介旺等对龙游石窟l 号洞破坏成因 及加固对策进行了深入研究【_ 7 8 】。李丽慧，牟会宠等从工程地质调查入手，对龙 游古地下洞室群的工程地质条件、水文地质条件等进行了分析，为下一步的保护 工作提供地质基础【7 9 】。傅燕，田世艳采用j s y c b 一7 3 系列电感式测缝仪和钢尺 等手段对岩柱开裂的宽度和长度进行监测，根据监测所取得的大量数据和地质条 件，对该岩柱的开裂机理进行了分析【8 0 j 。 1 4 本文的主要研究内容 龙游石窟具有极高的考古研究及旅游价值，如何更好的对已开发的l 号5 号洞窟的围岩稳定性进行分析，并提出合理可靠的加固措施是现阶段工程界及考 苦界的一个热点、难点研究问题。本文拟根据自己曾参与龙游石窟围岩加固治理 的工程实践，对龙游石窟的围岩安全稳定性及加固治理措施进行初步研究，为类 似工程提供参考。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 经过现场调查及查阅相关文献资料，对龙游石窟区的工程地质及水文 地质条件进行分析评价。 ( 2 ) 经过现场调查及查阅相关文献资料对龙游石窟围岩稳定性的现状进行 分析评价，主要是对龙游石窟存在的主要病害及洞室群顶板、岩柱的变形破坏形 式等进行分析评价。 ( 3 ) 对龙游石窟的加固治理措施进行分析研究，提出适合于龙游石窟围岩 或岩柱加固的治理措施，对这些治理措施的适用性、局限性及施工工艺进行分析 评价；此外通过室内试验得出龙游石窟裂隙注浆浆液最佳配比，在此基础上提出 龙游石窟的综合保护对策。 ( 4 ) 对龙游石窟洞窟内石柱、洞窟围岩治理两个具体的加固工程实例进行 分析评价，提出具体的设计方案，为类似工程提供参考。 9 中南大学工程硕士学位论文第二章龙游石窟地质条件及现状分析 第二章龙游石窟地质条件及现状分析 2 1 工程地质条件 2 1 1 构造及地层 龙游石窟地下洞室群位于金衢盆地内，在盆地形成之前有深、大断裂发育， 但只切断基底因此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。区内断裂总体走向北东东，其规模较小，均表现压性。在龙游石窟以 北5k i n 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。 该断裂以北为金华组地层，其岩性以棕、棕褐色钙质粉砂岩为主，与泥质粉砂岩、 粉砂质泥岩组成不等厚岩层，下部常夹少量含砾砂岩砂砾岩；下章断裂以南为衢 县组，代表了盆地萎缩时的一套粗碎屑沉积，具有明显沉积旋回，平行层理发育。 此外，在距景区出口2 6m 处见有3 条小断层：n ，f 2 和f 3 ，其中n ，f 2 为平行断 裂，两者间距为4 5 c m 7 1 c m ，擦痕、阶步非常明显，其产状分别为：n 8 0 。w 么 n e 3 4 。和e w 么$ 4 5 。，f 3 的产状为：n 4 6 。e 么$ 9 0 。断层的可见长度为1 5m 。 洞室群分布区n w 4 5 。7 0 。和n e1 0 。一2 0 。方向的节理较发育。 区域内仅出露上白垩统衢县组( k 2 q ) ，岩层总厚度大于1 0 0m 。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，单层厚度0 3 m - 2 0 m 以上。 现场量测统计结果表明：岩层的平均走向为n w 4 5 。，倾向n e ，倾角为2 2 。 2