丁 滿

地下空間資源的開發(fā)和利用在很大程度上化解了人類生存空間危機,城市用地不足、交通擁擠、環(huán)境污染、防災(zāi)抗毀、空間飽和等難題,從而使人類走可持續(xù)發(fā)展道路成為可能。

城市地下工程往往建設(shè)在市區(qū)繁華地段,在其施工、使用過程中,常引起周圍地區(qū)的位移、變形、沉降和塌陷等地質(zhì)環(huán)境效應(yīng),對周圍地面建筑物及基礎(chǔ)、地下早期構(gòu)筑物、公用地下管線和各種地下設(shè)施以及城市道路的路基、路面等都可能構(gòu)成不同程度的危害;另一方面,地下空間開發(fā),必然造成城市地質(zhì)環(huán)境的累積損傷,當?shù)叵驴臻g開發(fā)到一定容量時,地質(zhì)環(huán)境損傷達到一定程度,就會反過來影響地下空間的進一步開發(fā)和利用。研究依據(jù)城市地質(zhì)環(huán)境條件正確計劃城市地下空間的開發(fā)容量,從地下空間開發(fā)導致地質(zhì)環(huán)境損傷角度出發(fā),建立地下空間容量綜合評價體系,具有重大的理論價值和工程意義。本文擬使用地質(zhì)動力區(qū)劃的方法對地下開挖的周圍巖體的初始應(yīng)力進行評價,然后再在初始應(yīng)力的基礎(chǔ)上疊加由于地下開挖產(chǎn)生的附加應(yīng)力,從而建立起在考慮地應(yīng)力作用下的地下空間開發(fā)容量的評價體系。

1 地質(zhì)動力區(qū)劃在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀

1)北票礦區(qū)動力區(qū)劃[1]。東煤公司鑒于北票礦區(qū)煤與瓦斯突出、礦震、巖爆等動力現(xiàn)象頻繁,嚴重威脅安全生產(chǎn),決定與全蘇地質(zhì)力學研究院合作,對北票礦區(qū)進行地球動力區(qū)劃。區(qū)劃結(jié)果:精確查明了穿過北票礦區(qū)的一條正在形成的非連續(xù)的北西方向的Ⅰ級斷裂(定名為北票斷裂),查明了北票礦區(qū)其他各級斷裂,評價了它們的活動性,劃出了北票礦區(qū)Ⅳ級,Ⅴ級斷塊,查明了 7個水平最大主應(yīng)力超過 60MPa的構(gòu)造應(yīng)力區(qū),最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力,方向 N25°E。2)吉林油田地質(zhì)動力區(qū)劃。吉林油田地質(zhì)動力區(qū)劃,精確確定了油田開采區(qū)和探區(qū)的活動斷裂,查明了巖體斷塊構(gòu)造,評價了油層的滲透性和應(yīng)力狀態(tài),合理布設(shè)了探區(qū)的開采鉆井位置,指定了采區(qū)中應(yīng)切縫以增加產(chǎn)量的井位。3)臺吉礦地應(yīng)力對開采沉陷規(guī)律的影響研究。對臺吉礦進行地質(zhì)動力區(qū)劃,獲得了臺吉礦地應(yīng)力呈現(xiàn)為東西方向的最大水平壓應(yīng)力為53 500 kPa,觀察了水平壓應(yīng)力對開采呈現(xiàn)規(guī)律的影響特征:使巖體移動范圍擴大、采區(qū)底板移動劇烈、發(fā)生礦震等。

人類在地表所進行的基本經(jīng)濟活動深入到巖石圖的距離已達 10 km～15 km,這必將破壞地球的穩(wěn)定性,導致地應(yīng)力重新分布以維持新的平衡,所以地應(yīng)力分析的地球動力區(qū)劃法必然有其很大的應(yīng)用范圍。

2 地質(zhì)動力區(qū)劃法簡介

2.1 地質(zhì)動力區(qū)劃法的理論基礎(chǔ)

地質(zhì)動力區(qū)劃法以地球動力學為理論基礎(chǔ),以地球中的動力現(xiàn)象影響著地殼表面地質(zhì)構(gòu)造塊的相互作用為前提,以“總體到局部的原則”來查明地殼的地質(zhì)構(gòu)造破壞,將其分組,在此基礎(chǔ)上查明仍在活動著的現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造,評價其應(yīng)力狀態(tài),并與地下開挖的附加應(yīng)力場迭加,預(yù)報地下開挖活動所在的地質(zhì)構(gòu)造斷塊及其附近巖體應(yīng)力的時空變化,為地下工程保護提供依據(jù)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造斷塊劃分

現(xiàn)代地形地貌的形成是由地質(zhì)構(gòu)造運動所造成的,風雨侵蝕仍被認為是次要因素,所以用地形地貌勘查分析法進行構(gòu)造斷塊的劃分,并遵循一定原則,以考慮各種侵蝕的影響。具體劃分遵循以下兩個原則[2]:

1)斷塊最高的部分應(yīng)是被侵蝕作用觸動的最少的部分。

2)斷塊邊界以下列標志確定:河谷或坡底的直線地段、連續(xù)分布的河谷的膝狀彎曲、鏈狀湖泊、構(gòu)造階地、等高線輪廓等。

斷塊劃分到Ⅵ級即為礦區(qū)范圍大小的斷塊,劃分到Ⅴ級即滿足本文的要求。各級斷塊劃分需要在相應(yīng)比例尺地形圖上進行,且按相應(yīng)的高差范圍,最小高度差范圍由下式確定:

其中,Hmax,Hmin分別為地形圖上的最大、最小地形標高。

3 應(yīng)用地質(zhì)動力區(qū)劃法的技術(shù)方案及實現(xiàn)的可能性

3.1 技術(shù)方案

1)遵循“總體到局部的原則”,利用地貌學知識對各種比例尺地形圖、航空攝影照片和地球資源衛(wèi)星照片,查明地形地貌中隱伏的地殼現(xiàn)代構(gòu)造斷裂;2)以地質(zhì)、地球物理資料驗證已查明的隱伏構(gòu)造斷裂;3)根據(jù)地貌學資料確定斷塊相互動力作用;4)在已確定的斷塊的相互動力作用的基礎(chǔ)上,確定地下工程開挖所在斷塊的原始應(yīng)力。

3.2 實現(xiàn)的可能性

1)目前我國已出版 1∶2 500 000,1∶1 000 000,1∶100 000,1∶50 000的比例尺地形圖,1∶5 000的地形圖各開挖區(qū)均具有;2)地應(yīng)力測量方法和測量儀器已經(jīng)非常完善,具體方法參照相關(guān)文獻[3];3)數(shù)值模擬方法已經(jīng)得到很大的發(fā)展,如數(shù)值計算軟件ANSYS,斷塊構(gòu)造應(yīng)力有限元程序(TPS-H軟件)或斷塊構(gòu)造應(yīng)力邊界元程序(BLOCKS軟件)等。

4 應(yīng)用地質(zhì)動力區(qū)劃法對某一開挖地區(qū)的具體應(yīng)用方案

1)根據(jù)Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級地形圖繪出相應(yīng)的Ⅳ級,Ⅴ級地形圖,及相關(guān)的地質(zhì)地貌學知識[1],完成地質(zhì)動力區(qū)劃,在Ⅴ級斷塊的基礎(chǔ)上,建立該地區(qū)的地質(zhì)模型和相應(yīng)的邊界。2)根據(jù)這個模型,結(jié)合地質(zhì)、地震等資料,綜合分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征。3)利用原有的地質(zhì)資料對開挖地區(qū)進行區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析,得到該區(qū)域內(nèi)的新構(gòu)造運動。4)選擇合適的地應(yīng)力測量地點,得到該區(qū)的地應(yīng)力場的相關(guān)數(shù)據(jù),如最大、最小主應(yīng)力,方向角和傾角等。5)根據(jù)試驗確定該區(qū)巖體的基本力學參數(shù),如彈性模量E、泊松比μ等。6)在地質(zhì)構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上建立有限元模型,在計算模型圖上生成網(wǎng)格劃分圖,用有限元程序計算得到開挖地區(qū)的最大、最小主應(yīng)力和剪應(yīng)力等值線圖。7)根據(jù)應(yīng)力進行構(gòu)造應(yīng)力區(qū)劃,進行相應(yīng)的動力現(xiàn)象預(yù)測。

5 結(jié)語

以區(qū)域構(gòu)造形式劃分得到的斷裂區(qū)劃圖和數(shù)值計算得到的區(qū)域巖體應(yīng)力圖,劃分出應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力梯度區(qū),根據(jù)應(yīng)力分布狀態(tài)、區(qū)域構(gòu)造形式、斷裂的活動性、已發(fā)生的動力現(xiàn)象等數(shù)據(jù),用多因素分析的方法進行動力現(xiàn)象預(yù)測,劃分出安全區(qū)、危險區(qū),為合理的開發(fā)地下空間提供保障。

[1] 于廣明,邵 軍.構(gòu)造應(yīng)力對巖土工程損害及其防護研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害及防護學報,1999,10(3):8-13.

[2] 劉寶琛,顏容貴.開挖引起的巖體移動[Z].冶金工業(yè)部長沙礦冶研究所,1980.

[3] 于廣明.地層沉陷非線性原理、監(jiān)測與控制[M].長春:吉林大學出版社,2000.

[4] 沈曉舟.淺析中等城市地下空間開發(fā)的利用[J].山西建筑, 2010,36(5):45-46.