工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 73-84   (6350KB)    
浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示
李丽慧①②③, 杨志法①②, 岳中琦    
① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
② 中国科学院地球科学研究院 北京 100029;
③ 中国科学院大学 北京 100049;
④ 香港大学 香港 999077
摘要:作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。
关键词古地下工程洞室群    长期稳定    现代岩石力学    启示    
SCIENTIFIC RESEARCHES OF LARGE ANCIENT ROCK UNDERGROUND OPENINGS IN ZHEJIANG PROVINCE AND THEIR INSPIRATIONS
LI Lihui①②③, YANG Zhifa①②, YUE Zhongqi    
① Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
② Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
③ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
④ The University of Hongkong, Hong Kong, China 999077
Abstract: In the recent two decades, the authors have investigated many large underground caverns in Zhejiang, Anhui and other places in China, including more than 3 000 ancient man-made rock caverns. Through field investigations, it is found that Tiantai Heidong underground rock caverns have the largest span of 92 m, Changyudongtian caverns have the maximum height of 99 m, as well as the most exquisite chisel imprints on sidewalls in Longyou Grottoes. These caverns have the same characteristics including excavated a few hundred years to several thousand years ago, have maintained the stability of thousands of years. These caverns have their own unique structures including inclined walls, fishtail-shaped pillars, inclined roof, dome, rib-shaped arch, thin common sidewall and horizontal partition between two caverns. Research results show that these unique structures play a crucial role in the long-term stability of the caverns. In addition, there are also many high-level technologies in the ancient large underground caverns such as the measurement technology, excavation technology and waterproof technology. These groups of unsupported large-span artificial caverns, which have been maintained for more than a thousand years, provide some enlightenments of the long-term strength, the water effect on surrounding rock and the evaluation of blasting damage. However, with the discovery of these caverns and the development of tourism, various kinds of deformations and failures have been produced, posing a serious threat to the stability and security of these ancient rock cavern relics. At the same time, some new topics and challenges have been proposed for the long-term protection of large-span artificial rock caverns.
Key words: Ancient underground caverns    Long-term stability    Modern rock mechanics    Enlightenment    

0 引言

古地下工程洞室群是古代劳动人民因从事某种活动(包括生产活动和宗教活动等)而遗留下来的地下工程洞室群,其往往具有重要的历史价值、艺术价值和科学价值,并因此而成为不可移动文物。根据军队地下工程勘测规范(中国人民解放军总后勤部,1997),现代地下工程按单洞跨度进行规模分类,分为:小型、中型和大型,其中大型地下工程的跨度一般等于或大于20 m。因此古地下工程也照此进行分类,在此只讨论其中的大型古地下工程洞室群。据调查,与佛教有关的石窟(寺)大多数都是跨度小于20 m的中小型地下工程,对此国内外均已有大量的研究成果和相关报道;对于跨度≥20 m的大型古地下工程洞室群,有关岩石力学与工程地质方面的研究却较少。

在国外,在以色列、波兰和土耳其发现了3处大型古地下工程群(Talesnick et al., 2001; Haztor et al., 2002Tsesarsky et al., 2013),有着重要的历史价值、艺术价值和科学价值,不仅是不可移动文物,也是世界著名的旅游景区。以色列的古代地下采石场Bet Guvrin,始采于1 300年前,其规模较大,平均跨度达到20~40 m,目前是以色列国家公园。Hatzor等人对其开展了围岩物理力学性质试验,洞室应力分布数值计算,不连续块体理论分析以及块体位移长期监测等工作,并从中得出了许多有益的结论,为Bet Guvrin的进一步保护提供了理论依据。位于波兰Wieliczka的结构十分复杂的大型古地下采矿场,始挖于700a以前,它是古人为了开挖宝贵的岩盐而形成的。这一古矿井被人们看作为重要的文化遗址,并于1978年被批准成为首批世界文化遗产,现已被开发为地下餐馆、地下健身房、地下音乐厅等。A.Zuber等人对该古盐矿突发的一次灾害性的涌水事件引起的地面沉降等进行了研究。位于土耳其Istanbul的Basilica地下蓄水池修建于公元532年,围岩为灰岩。它由336根高9 m的立柱较密地支撑顶板,宽度(有柱)达70 m。另外,各柱雕刻有各种精美的图案,具有观赏价值,有关当局目前也在组织力量来开展相关研究。

在国内,杨志法等人在国家自然科学基金的资助下,首先以龙游石窟为研究对象,于1998年拉开了国内开展大型古地下工程洞室群工程地质力学综合研究的序幕。历经近20年的探索,先后在浙皖等地发现了49处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室,并对它们展开了系统的工程地质力学研究工作,取得了丰硕的成果(杨志法等, 2000, 2006, 2007李丽慧等, 2004, 2005a, 2005b, 2005cGuo et al., 2005李丽慧,2006Li et al., 2009Yang et al., 2011, 2016)。到目前为止,已发表近100篇相关论文。另外,于2010年、2012年和2014年先后由中国科学出版社出版了“龙游石窟大型古地下工程洞室群科学技术问题研究”、“蛇蟠岛大型古地下工程洞室群科学技术问题研究”、“仙居飞凤岩大型古地下工程洞室群科学技术问题研究”3部专著,同时“黑洞大型古地下工程洞室群科学技术问题研究”一书的书稿也基本完成。除此之外,先后于2005年9月、2015年10月、2006年11月分别在浙江龙游和台州召开了题为“International Symposium on Protection of Longyou Grottoes in China”和“International Symposium on Scientific Problems and Long-term Preservation of Large-scale Ancient Underground Engineering”的国际学术会议以及“全国岩土工程反分析学术研讨会暨锦绣黄岩蟠龙洞古地下工程岩石力学问题讨论会”,并出版了相应的会议论文集。从此,使国内的大型古地下工程研究工作走向国际,龙游石窟成为多个单位的科研基地,先后与来自日本、美国、以色列、德国等国的国际友人展开了合作研究,国内外学者均对龙游展开了大量的科学研究和保护工作(钱七虎,2001孙钧等,2001王思敬,2001丁梧秀等,2005杨林德,2005李黎等,2008),使龙游石窟等大型古地下工程洞室群的研究保护工作走在了世界前列。随着工作的不断深入,龙游石窟于2013年被批准为第七批全国重点文物保护单位,蛇蟠岛于2017年被评为国家地质矿山公园。

开展大型古地下工程洞室群的研究,具有重要的科学意义、文物保护意义与社会经济意义。大型古地下工程洞室群的工程规模大、埋深浅,蕴藏诸多工程亮点,且仅依靠围岩自稳能力维持洞室群几百年,乃至千余年的整体稳定。这些特征使它们可望为现代地下工程研究提供宝贵的工程场所及案例对比,且将从现代工程建设中发展而来的工程地质与岩石力学理论运用于古地下工程洞室群研究,不仅是对上述学科理论的延拓,同时还可通过审视现代科学理论体系与古代工程实践间的统一与矛盾,来修正、丰富并推动现今相关学科的理论发展。另外,从不可移动文物的长期保护角度看,作为中国古代社会采石产业繁荣及高超开采工艺的最佳物证,这些大型古洞室群因具有采石历史悠久,采石遗迹丰富,而成为研究中国古代采石文化发展的重要场所。但随着这些古地下工程的对外旅游开放,也渐渐产生了各种破坏现象,亟需开展相应的研究保护工作。有关如何降低旅游风险和对它们的科学保护提供理论依据,并在此基础上提出关于它们再利用方案建议等方面的研究,显然具有现实意义。

1 中国大型古地下工程洞室群的科学发现

目前在浙皖等多地发现的主要大型古地下工程洞室群,有龙游县的龙游石窟大型古地下洞室群、温岭市的长屿硐天大型古地下采石场洞室群、仙居县的飞凤岩大型古地下采石场洞室群、三门县的蛇蟠岛大型古地下采石场洞室群、天台县的黑洞大型古地下采石场洞室群、遂昌县的遂昌金矿古采矿场洞室群、宁波的上化山古地下采石场洞室群、宁海县的伍山石窟古地下采石场洞室群以及安徽歙县的花山谜窟地下洞室群等,其分布图(图 1)。图 2则给出了部分洞室群的典型照片,以供参考。

图 1 中国大型古地下洞室群的分布图 Fig. 1 The distribution map of large ancient underground rock caverns in China

图 2 大型古地下洞室群典型照片 Fig. 2 The typical photos of large ancient underground rock caverns a.龙游石窟;b.黑洞;c.飞凤岩;d.长屿硐天;e.遂昌金矿;f.尚化山;g.蟠龙洞;h.蛇蟠岛;i.伍山石窟

1.1 中国大型古地下洞室群基本特征

通过现场调查发现,中国大型古地下洞室群均具有一定的共同特征:均为人工开挖,属于浅埋-超浅埋地下工程,并具有特殊的洞室结构,都保持了几百年甚至上千年的自稳时间,且随着时间的流逝,也都产生了不同程度的变形破坏。表 1给出了国内外大型古地下洞室群的基本特征参数。

表 1 国内外大型古地下洞室群基本特征参数表 Table 1 Basic characteristic parameters of large ancient underground caverns in the world

龙游石窟包括凤凰山古洞室群(26个古洞室)、翠光岩古洞室群(4个古洞室)、瀔波岩古洞室群(3个古洞室)、上坂村古洞室群(10个古洞室)和牛场古洞室群(2个古洞室)。经过考古学家的断代研究,龙游石窟的始挖年代最为久远,为2000年前的西汉时期(孟凡夏,2001);天台县黑洞大型古地下洞室群共有21个大型古地下洞室,其中5号洞的无柱跨度为92 m,到目前为止,它为世界最大跨度的古地下洞室(Shang et al., 2017),且大于世界最大跨度的现代地下工程,即跨度为62 m的挪威地下冰球场;三门县蛇蟠岛大型古地下采石场洞室群共有7座独立的大型古洞室群,即海盗邨古洞室群、野人洞古洞室群、清风洞古洞室群、狮子洞古洞室群、大坑山古洞室群、玲珑山古洞室群和孝头古洞室群等,大多数都呈穹形结构。根据旅游管理部门的统计,全岛因古代采石所遗存的古洞室至少有1 300个,是名副其实的千洞之岛。其中最大跨度为狮子洞古洞室群的1号洞,达60 m(杨志法等,2012)。温岭市长屿硐天共分布28个大型古地下采石场洞室群,共有1 300多个古地下洞室。其中水云硐大型古洞室群1号洞的跨度为56 m,洞高达99 m,是目前世界上大型洞室中最高的人工洞室(祝介旺等,2014)。

1.2 蕴藏于上述大型古地下工程中的科学价值

据初步研究,在这些大型古地下工程洞室群中存在着诸多科学价值。从古人选址、对地层、地质结构的认识和利用、洞室特殊结构的设计以及高超的开挖技术和防排水系统等均值得现代工程借鉴。

1.2.1 科学选址

从古工程的分布来看,古人已经有了朴素的科学选址思想。除了对区域地层的有效把握,为了保证所建地下工程和地下采石场作业的安全,古人还采取了类似现代“工程地质探洞”的措施,以了解山体内部的岩石性质。在龙游、天台黑洞等地都发现了被古人放弃的“小洞”(图 3)(Yang et al., 2013; Li et al., 2016),因具有以下特征而被看作为古代“探洞”:第一,这些洞室深度一般很浅,常止于洞口不远处;第二,洞室的面积通常很小;第三,洞口出露有明显的地质薄弱点,应该是古人放弃该洞的理由。应当说“古代探洞”的发现帮助我们理解古人高超的选址水平。

图 3 古代探洞 Fig. 3 Ancient exploration cave

1.2.2 对地质结构的科学认识和利用

古人在开挖过程中,已经充分认识到了地质结构对开挖工程安全和开挖工艺的影响。不仅可以规避断层和软弱夹层等带来的不利影响,而且在施工中还可以因地制宜地利用层面进行开挖。例如,在龙游石窟,各洞室顶板均为斜顶,其倾斜方向和角度与岩层产状完全一致。而在飞凤岩,可看到多处古人利用垂直向结构面作为待采石板的侧边界,有效地减少了开凿工作量,提高了采石效率;还有,在飞凤岩和黑洞中还可看到古代采石者对洞室上覆岩层中整合面的考虑,在整合面下部预留一定厚度的岩层不予开采。在龙游石窟、蛇蟠岛和黑洞等大型古地下洞室群内均可看到在断层面附近预留的安全砥柱。作为实例,图 4给出了龙游石窟古地下洞室群中牛场1号洞左侧壁的照片,该侧壁即是断层面,其倾向明显与其他侧壁不同。

图 4 洞室左侧壁断层位置 Fig. 4 Position of the fault on the left wall of a cavern a.断层位置(洞室左侧壁);b.断层局部照片

1.2.3 洞室的独特结构

为了保障各个地下工程运行和地下采石场作业的安全,古人还采取了一些特殊结构,且根据具体的地质条件,设置了不同的洞室结构。研究表明这些结构均对洞室群的长期稳定有利:如龙游石窟采取了斜顶、斜墙、鱼尾形岩柱、L型柱础和弧形柱托等特殊结构(图 5),蛇蟠岛洞室群和蟠龙洞洞室群均采取了穹顶结构,且对于大跨度洞室局部采用了薄墙支顶结构。又例如,飞凤岩采取了肋形仰拱和高边墙中部水平隔板结构。另外,在尚化山古洞室群中,古人还采用了废石板叠柱支顶结构。数值计算结果表明,这些特殊结构均可以有效地减少局部的应力集中和围岩变形,对洞室的长期稳定有利(Gao et al., 2006祝介旺等,2008Li et al., 2011He et al., 2016)。

图 5 古地下工程中采用的特殊结构 Fig. 5 Special structures used in ancient underground engineering a.斜顶;b.斜墙;c.弧形斜托;d.肋形仰拱;e.叠柱支顶;f.水平隔板

1.2.4 开采技术

在这些古代大型古地下工程洞室群中,发现了两种主要采石方法:凿孔裂石采石板法和烧爆法技术,其中凿孔裂石采石板法分为直立式和水平式两种开采方式。在黑洞、长屿硐天和飞凤岩等大型古地下工程中均发现采用直立式凿孔裂石采石板法,在蛇蟠岛、伍山和蟠龙洞等大型古地下采石场却看到了古人采用水平凿孔裂石采石板的采石遗址(杨志法等,2012)。作为例子,图 6a给出了位于蛇蟠岛某处古石宕的采石现场。据研究,该项由古人所创造的凿孔裂石采石板技术,无论是直立式的还是水平式的都符合现代断裂力学原理,且采石板方式的选择与地层产状密切相关,即古人在采石方式上充分考虑了地质因素。

图 6 古地下工程开采技术 Fig. 6 Ancient underground rock engineering mining technology a.凿孔裂石采石板;b.烧爆坑

除此之外,遂昌金矿的开采方式更为独特。现场调查研究表明,古代采金者利用发育于围岩中的陡倾角结构面来开挖采矿巷道,并采用烧爆法进行采矿,图 6b给出了烧爆坑的照片。虽然有历史资料曾多次提及古代使用烧爆法开挖岩体的实例(如都江堰用于开挖宝瓶口工程等),但至今仍没有找到有关烧爆法现场的报道,所以遂昌唐代金窟和明代金窟烧爆法现场的科学价值很高。

1.2.5 防排水系统

对于地下采石、采矿或地下工程修建来说,无论在施工中还是施工后,过多的渗水都将不利于采石、采矿或地下工程的开挖活动,并影响所形成的地下工程的稳定性和竣工后的服务功能。因此人们对地下渗水的治理都十分重视。作者发现,古人在开挖地下洞室过程中,也设计有完善的防排水系统,即防水-导水-集水-排水一体化。在龙游、黑洞和蛇蟠岛等洞室群中均发现了大量的导水槽和集水池(图 7a图 7b),在蛇蟠岛还发现了古人在岩体裂隙中用于堵水的铅条,即铅条堵水技术(Yang et al., 2012),据目前所掌握的资料,用于古地下工程的堵水铅条是国内外第一次科学发现(图 7c)。

图 7 古地下洞室中的排水系统 Fig. 7 Drainage system in ancient underground rock caverns a.洞壁上的导水槽;b.洞内集水池;c.堵水用铅条

2 对现代岩石力学的启示

人类社会对地下空间一直有迫切、大量的需求。迄今,相关地下空间建造和使用的科学与技术发展相当深入和迅速。作为指导地下空间设计和施工的基础科学,岩石力学和工程地质学也得到了相应的发展。然而,随着对地下空间开发力度的不断加大,要求地下工程的服务周期越来越长,如何保证大型地下空间围岩的百年或千年以上长期稳定性和完整性成了最关心的问题之一。孙玉科(1994)就提出了对于造福于后代的现代工程应当以“千年”为时间尺度的观点。为此,岩体的稳定性在千年或几千年之内会发生什么样的变化,是需要认真研究的,如:千年之内的地震问题,千年一遇的水文问题,千年的地应力释放问题,千年的岩体风化问题以及千年的岩体强度的时间效应问题等。然而,这些重要问题在现代地下空间岩石力学工程实例和研究成果中还难以找到确切答案。其主要原因之一是现代岩石力学与工程实例和研究的历史还不到一百年。而这一重要问题或许可以通过运用现代岩石力学理论和方法来研究古代人修建的大型地下空间实例而得到解决。至少,开展这个方面的研究对解决大型地下空间围岩百年或千年以上长期稳定和完整的预测和保证会有所启迪和发现,以致找到解决问题的思路和方法。

2.1 长期强度问题

为了保证地下工程长期稳定,设计工程师们十分关注如何确定围岩的力学参数问题,通常需要进行现场力学试验确定。例如,对于与时间有关的力学参数来说,需要进行流变试验。因此长期稳定性的研究,通常特别关注有关工程岩体流变特性的研究。但由于在现场对岩体进行流变试验相当困难,所以这类试验较少。目前世界上已有长达3~27 a的实验室岩块流变试验。它是由日本Kumagai N.等完成的(Kumagai et al., 1971, 1978, 1986Ito et al., 1994)。尽管试验方法仅针对从现场取的花岗岩岩样进行的,但所取得的数据,使我们对岩石力学特性的时间效应有了进一步认识。

王芝银等(2006a, 2006b)、杨志法(2005)以反分析为手段,把龙游大型古地下洞室群看作一长达上千年的现场原型试验,从而进行了系列的岩石力学研究,对岩体的长期强度等进行了有益的探讨,并取得了一定的成果。因此,如把诸如龙游石窟这类古地下工程看作1 ︰ 1的长期模拟试验,则反分析研究所取得的宝贵数据显然具有重要的科学意义,可供其长期保护研究参考。另外,通过对它的研究也许在一定程度上可望弥补现代地下工程无超过百年的工程实例的遗憾。

2.2 洞室围岩爆破损伤问题

随着钻孔机具、爆破器材以及钻爆技术的发展,大型地下洞室的开挖,最常采用的手段仍是钻孔爆破法。爆破施工在完成地下洞室岩体开挖的同时,不可避免地对洞室本身,甚至对邻近既有洞室产生不利影响,引起地下洞室岩石力学性质的劣化:如原有结构面的张开与扩展,新裂隙的产生,岩体声波速度的降低,渗透系数的增大等。国内外学者均对岩石的爆破损伤,即爆破损伤机理、损伤模型、损伤实验以及损伤的判别方法等进行了深入的研究(杨小林,2015)。

这些古代大型地下工程洞室群之所以能保持上千年的稳定,与其采用人工微损凿劈而非爆破的方式是分不开的。通过现场调查发现,这些大型古地下洞室群在近现代均进行过不同程度、不同规模的采石活动,而现代采石多采用爆破的方式进行,由此造成了局部围岩节理裂隙分布较多,且多形成不稳定块体,影响洞室的整体稳定,有的甚至直接导致洞室的失稳。由此可见,开挖爆破对地下洞室的损伤是很严重的,而现在采用损伤力学的方法对爆破损伤的严重程度估计很可能是不足的。这需要岩石力学学家进一步研究如何准确地估算开挖爆破对地下工程围岩的损伤问题。通过对古地下工程人工微损凿劈与爆破开挖后围岩质量和围岩强度等的对比,可望得出比室内爆破实验更有益的结论。

2.3 地下水对洞室稳定性的影响

众所周知,地下水是影响洞室稳定性的主要因素之一。地下水的长期作用将降低岩石强度、加速岩石风化,对软弱结构面起软化润滑作用,促使岩块产生坍塌。如遇膨胀性岩石,还会引起膨胀,增加围岩压力。因此前人在有关水对地下洞室稳定性的影响研究主要集中在:突水、涌水和机械潜蚀、地下水对软弱夹层的泥化和软化作用、地下水对特殊岩层的膨胀、崩解和溶解作用和动、静水压力对洞室稳定的影响以及地下水对洞室混凝土衬砌的侵蚀性等等。把地下水作为洞室建设必不可少的有利条件是始于上个世纪50年代的水封油库建设。1939年拥有近2 000项专利的瑞典人G.Jansson首次提出了直接在地下水位下的不衬砌洞室内贮存石油产品的想法(Jansson,1977)。20世纪40年代末,这一想法得到成功运用。

通过对大型古地下洞室群长期稳定性的影响研究,发现这些古工程中均处于部分充水或充满水的状态,充水一方面减缓洞室围岩的风化,另一方面可调整洞室围岩的应力状态,从而有利于洞室的长期稳定(李丽慧等,2010)。岳中琦教授曾指出,龙游石窟洞室围岩在浸水条件下具有一定的自愈能力(Yue et al., 2010)。这也充分说明,龙游石窟在1992年发现之前一直处于充满水的状态,这对其保持上千年的稳定极其有利。

3 大型古地下工程洞室群的开发利用与保护

世界各国对古代地下空间(包括废旧矿坑)的利用由来已久,且用途广泛(王祚清,1998陈战杰等,2001姜玉松,2003)。在美国、法国、日本、意大利、芬兰等国家,多处老矿坑、废巷道被用作储存室、档案馆、厂房、办公室、工业试验设备室、蘑菇房、酒窖和干酪室、武器库、博物馆、展览厅和水库等。在德国,一些矿坑已被用来储存废材料,如电站、废料火化站、焚化炉等的灰渣、水处理厂的残渣以及其他有毒废料等。澳大利亚在1987年利用蛋白矿采掘废址建了一个沙漠海角地下旅馆,并且很负盛名。乌克兰1965年在外喀尔巴什州开办了一所医院和一个国家疗养院。病室位于地面以下206~282 m的岩盐矿矿井内。在地下空间应用中最为有名的是波兰著名的维埃利兹卡(Wieliczka)古盐矿,它已被改造成矿山博物馆、旅游景观、音乐厅和医院等,并于1976年成为世界第一批自然文化遗产(Zuber et al., 2000)。除此之外,西方国家还利用废旧矿坑来进行石油储存。

国内已发现的大型古地下工程洞室群,大多用于旅游开发,用途相较于西方国家,更为单一。国家所投入的保护开发力度稍显不足,且目前存在很多保护难题和挑战。

龙游石窟的发现引起了中国岩石力学与工程界的重视。孙钧院士面对洞室的风化问题而指出的“…我们将何以交待(尽管不能“面对”了)子孙”。20余年来,各个大型古地下工程洞室群已产生了不同程度的破坏,主要包括:裂缝延展、贯通、块体塌落、顶板塌坍、岩柱压剪破坏等(Zhang et al., 2014)。渗水问题也是一个难以克服的问题。因此,洞室围岩始终处于不断的损伤中,图 8给出了一些典型的破坏照片。针对大型古地下工程洞室群已开展了大量的加固工程,但是如何对此类超浅埋大型地下工程进行有效地防渗、防风化以及加固仍面临着很大的挑战。

图 8 龙游石窟已产生的局部破坏 Fig. 8 Partial failure occurred in Longyou rock caverns a.洞室顶板裂缝;b.岩柱压剪破坏;c.洞顶坍塌

4 结论

(1) 作者在我国浙、皖两省共找到了49处独立的大型古地下工程洞室群。由3 000余个古洞室所组成。在这些古洞室群中,单洞最大跨度为天台县黑洞大型古地下采石场洞室群中的5号洞,跨度为92 m。最大高度为长屿硐天水云硐古地下采石场洞室群,其高度为99 m。

(2) 这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年甚至几千年前,即都保持了上千年的稳定。这些洞室又有各自独特的结构:如斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了重要作用。除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。

(3) 大型古地下工程洞室群在长期强度的确定、爆破损伤的估计以及地下水对洞室稳定性影响的分析等方面,均对现代岩石力学具有一定的启示意义。

(4) 目前国内大型古地下工程洞室群的开发保护力度仍显不足,需投入更多的人力物力展开系统的开发利用和保护研究。

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