天臺(tái)黑洞古地下洞室群工程地質(zhì)力學(xué)特性與穩(wěn)定性研究一、引言1.1研究背景與意義古地下洞室群作為一種獨(dú)特的地質(zhì)和人文現(xiàn)象，在我國(guó)分布廣泛，涵蓋了不同的地理環(huán)境。這些洞室群是地下洞穴通過(guò)不同程度的連通關(guān)系形成的龐大體系，具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值、觀賞價(jià)值以及一定的工程應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)研究角度來(lái)看，它們是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)演化過(guò)程的天然實(shí)驗(yàn)室，為地質(zhì)學(xué)家深入了解地下巖體結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律提供了寶貴的實(shí)物資料，有助于深化對(duì)地球內(nèi)部作用的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。在觀賞價(jià)值方面，許多古地下洞室群以其獨(dú)特的洞穴景觀吸引著大量游客，成為重要的旅游資源，促進(jìn)了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。同時(shí)，其在工程應(yīng)用方面也具有潛在價(jià)值，例如在地下空間利用、能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域的研究中，古地下洞室群的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性研究可以為現(xiàn)代工程提供借鑒。然而，大型古地下洞室群也面臨諸多問(wèn)題。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，洞穴大小、形態(tài)各異，巖性分布不均，且存在多種地質(zhì)構(gòu)造，這使得對(duì)其觀測(cè)和分析難度極大。加之受到外部環(huán)境變化，如地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)等，以及人類(lèi)活動(dòng)，像旅游開(kāi)發(fā)、周邊工程建設(shè)等的影響，這些洞穴群可能引發(fā)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患，如坍塌、地面沉降等，對(duì)周邊地區(qū)的人員生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅；同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)工程安全問(wèn)題，例如在洞室群附近進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，可能因洞室群的存在導(dǎo)致地基不穩(wěn)定等。因此，系統(tǒng)地開(kāi)展古地下洞室群的工程地質(zhì)力學(xué)研究，對(duì)于保障地下人員生命財(cái)產(chǎn)安全、預(yù)防和避免地質(zhì)災(zāi)害等具有重要意義。天臺(tái)黑洞古地下洞室群位于浙江天臺(tái)縣蟹山山體內(nèi)，是一處極具代表性的大型古地下洞室群。自隋朝以來(lái)，它憑借優(yōu)越的工程地質(zhì)條件和完整的巖體結(jié)構(gòu)，成為大型古地下采石場(chǎng)。該洞室群包含21個(gè)洞室，總面積達(dá)24000m2，長(zhǎng)軸方向基本沿兩組主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向展布?？傮w采石層系上白堊統(tǒng)塘上組(K2t)第6層灰白色含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值計(jì)算結(jié)果為53（I級(jí)）。其中5號(hào)洞最大跨度達(dá)81m，遠(yuǎn)超現(xiàn)代地下洞室設(shè)計(jì)理念中不大于50m的長(zhǎng)期穩(wěn)定最大跨度，其穩(wěn)定性和古人的開(kāi)采技術(shù)令人稱(chēng)奇?，F(xiàn)場(chǎng)還發(fā)現(xiàn)古人在蟹山山腳殘留的多處地質(zhì)探洞，以及古代工匠在遇到斷層破碎帶時(shí)采用的近垂直、小斷面、高臺(tái)階穿越技術(shù)方法，有效保證了無(wú)支護(hù)開(kāi)采在不良地質(zhì)體中的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群展開(kāi)深入研究，不僅能為該洞室群的保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，避免因不當(dāng)開(kāi)發(fā)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，保障游客和周邊居民安全；還能從古人的工程實(shí)踐中汲取經(jīng)驗(yàn)，為現(xiàn)代地下工程建設(shè)提供技術(shù)參考，推動(dòng)工程地質(zhì)學(xué)科在地下洞室穩(wěn)定性分析、施工技術(shù)等方面的發(fā)展；此外，作為歷史文化遺跡，其研究對(duì)于了解古代工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面也具有重要的歷史文化價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)際上，地下洞室群的研究涵蓋了多個(gè)方面。在巖體力學(xué)特性研究領(lǐng)域，眾多學(xué)者通過(guò)大量室內(nèi)外試驗(yàn)，深入探究不同類(lèi)型巖體在復(fù)雜應(yīng)力條件下的變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性。例如，針對(duì)節(jié)理巖體，運(yùn)用離散元等數(shù)值方法模擬其在不同荷載作用下的力學(xué)行為，研究節(jié)理的間距、傾角、粗糙度等因素對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。在洞室穩(wěn)定性分析方面，以有限元、邊界元為代表的數(shù)值分析方法被廣泛應(yīng)用，模擬洞室開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布及變化規(guī)律，預(yù)測(cè)洞室的穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，利用全站儀、位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)等設(shè)備，對(duì)洞室圍巖的變形、應(yīng)力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)，為洞室穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。在國(guó)內(nèi)，地下洞室群的研究同樣取得豐碩成果。在工程地質(zhì)條件研究方面，詳細(xì)分析不同地區(qū)地下洞室群的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等條件，總結(jié)其對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在洞室開(kāi)挖與支護(hù)技術(shù)研究中，結(jié)合工程實(shí)際，研發(fā)多種適用于不同地質(zhì)條件的開(kāi)挖方法，如鉆爆法、TBM法等；同時(shí)，探索多種支護(hù)方式，包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、鋼支撐支護(hù)等，以及聯(lián)合支護(hù)形式，以提高洞室圍巖的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬與理論分析方面，不斷完善和發(fā)展數(shù)值模擬方法，將其與理論分析相結(jié)合，對(duì)洞室群的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。然而，針對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群的研究存在一定局限性。以往研究多集中在洞室群的工程地質(zhì)條件、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化研究相對(duì)不足。在物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方面，雖然對(duì)部分巖體進(jìn)行了常規(guī)測(cè)試，但對(duì)于一些特殊部位，如洞室連接處、應(yīng)力集中區(qū)域等的物理力學(xué)性質(zhì)研究還不夠深入，未能全面揭示其在復(fù)雜受力狀態(tài)下的特性。在工程地質(zhì)力學(xué)模型建立上，現(xiàn)有模型多為簡(jiǎn)化模型，難以準(zhǔn)確反映天臺(tái)黑洞古地下洞室群復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖體力學(xué)行為。在地質(zhì)災(zāi)害隱患分析方面，對(duì)一些潛在的地質(zhì)災(zāi)害，如因長(zhǎng)期地下水作用導(dǎo)致的巖體軟化、強(qiáng)度降低引發(fā)的洞室失穩(wěn)等問(wèn)題，研究不夠系統(tǒng)和全面。本研究將從天臺(tái)黑洞古地下洞室群的勘探和調(diào)查入手，采用先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，如三維激光掃描、地質(zhì)雷達(dá)等，獲取洞室群內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖性、斷層等詳細(xì)信息，彌補(bǔ)以往研究在結(jié)構(gòu)精細(xì)化方面的不足。在物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試中，增加對(duì)特殊部位的測(cè)試，采用多種測(cè)試方法相互驗(yàn)證，全面準(zhǔn)確地獲取巖體物理力學(xué)參數(shù)。在工程地質(zhì)力學(xué)模型建立時(shí)，充分考慮洞室群的復(fù)雜地質(zhì)條件和巖體力學(xué)行為，建立更符合實(shí)際的精細(xì)化模型。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患分析，綜合考慮多種因素，系統(tǒng)分析潛在地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)制和演化過(guò)程，提出更具針對(duì)性的防范和治理措施，為天臺(tái)黑洞古地下洞室群的保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)利用提供更全面、科學(xué)的依據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群進(jìn)行系統(tǒng)勘探和調(diào)查，利用三維激光掃描技術(shù)，精確獲取洞室群內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括洞穴大小、形態(tài)等信息，并通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)等手段探測(cè)巖性和斷層分布規(guī)律。同時(shí)，運(yùn)用高精度位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)洞室群變形特征進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，記錄變形數(shù)據(jù)，分析變形趨勢(shì)。開(kāi)展大型古地下洞室群的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，在洞室群和周邊巖體關(guān)鍵部位布置應(yīng)力傳感器，采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體受力狀況，分析應(yīng)力狀態(tài)變化；并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖體力學(xué)試驗(yàn)，模擬不同應(yīng)力條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析洞穴群的力學(xué)性質(zhì)和變形特征。建立天臺(tái)黑洞古地下洞室群的工程地質(zhì)力學(xué)模型，基于前期勘探、測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，建立三維地質(zhì)力學(xué)模型，模擬洞室群開(kāi)挖過(guò)程，分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)特征；設(shè)置不同應(yīng)力狀態(tài)，模擬洞室群在地震、地下水變化等情況下的變形和破壞特征，預(yù)測(cè)潛在破壞區(qū)域和破壞形式。分析天臺(tái)黑洞古地下洞室群可能帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害隱患和工程安全問(wèn)題，綜合考慮巖體力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水作用等因素，評(píng)估洞室群坍塌、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性；結(jié)合周邊工程建設(shè)規(guī)劃，分析洞室群對(duì)附近工程的影響，如基礎(chǔ)穩(wěn)定性、地下水位變化等。并針對(duì)分析出的地質(zhì)災(zāi)害隱患和工程安全問(wèn)題，從工程措施、監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面提出相應(yīng)的防范和治理措施。1.3.2研究方法本研究運(yùn)用地質(zhì)調(diào)查法，對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群所在區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)測(cè)繪，觀察地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等露頭信息，繪制地質(zhì)圖件，初步了解區(qū)域地質(zhì)背景；進(jìn)入洞室群內(nèi)部，采用三維激光掃描技術(shù)，獲取洞室群的三維空間數(shù)據(jù)，建立精確的三維模型，直觀展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)；運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)等地球物理探測(cè)方法，探測(cè)洞室圍巖內(nèi)部的巖性變化、斷層位置等信息。采用物理試驗(yàn)法，在現(xiàn)場(chǎng)采集洞室群和周邊巖體的巖芯樣本，將其帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，包括單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)等，獲取巖石的基本力學(xué)參數(shù)；進(jìn)行巖體變形試驗(yàn)，測(cè)定巖體的彈性模量、泊松比等變形參數(shù)；利用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試技術(shù)，如扁千斤頂法、水壓致裂法等，測(cè)定巖體的地應(yīng)力狀態(tài)。運(yùn)用數(shù)值模擬法，選用合適的數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、ANSYS等，基于地質(zhì)調(diào)查和物理試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，建立天臺(tái)黑洞古地下洞室群的工程地質(zhì)力學(xué)模型；設(shè)置模型的邊界條件、材料參數(shù)等，模擬洞室群開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布及變化規(guī)律；通過(guò)改變模型參數(shù)，如巖體力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力大小和方向等，分析不同因素對(duì)洞室群穩(wěn)定性的影響。采用理論分析法，依據(jù)巖石力學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；運(yùn)用極限平衡理論，計(jì)算洞室圍巖在不同受力狀態(tài)下的安全系數(shù)，判斷洞室的穩(wěn)定性；結(jié)合彈性力學(xué)、塑性力學(xué)理論，分析洞室開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力重分布規(guī)律，為數(shù)值模擬和工程實(shí)踐提供理論支持。二、天臺(tái)黑洞古地下洞室群概況2.1地理位置與地質(zhì)背景天臺(tái)黑洞古地下洞室群坐落于浙江天臺(tái)縣始豐街道山頭裘村旁的蟹山山體內(nèi)，地理坐標(biāo)約為東經(jīng)121.05°，北緯29.15°。天臺(tái)縣地處浙東丘陵南部，地形以低山丘陵為主，地勢(shì)呈東北向西南傾斜。蟹山周邊山巒起伏，植被較為茂盛，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水充沛，年平均降水量在1300-1600毫米之間，降水主要集中在夏季，豐富的降水為地下水的形成和運(yùn)移提供了充足的水源。天臺(tái)黑洞古地下洞室群所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，處于華南褶皺系的浙東南褶皺帶。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要包括加里東運(yùn)動(dòng)、海西-印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)。這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得巖體中發(fā)育了多種類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造，如褶皺、斷層、節(jié)理等。褶皺構(gòu)造主要表現(xiàn)為一系列的緊閉褶皺，軸向多為北北東向，褶皺的存在改變了巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，使得巖體內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，在褶皺的軸部和翼部，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，對(duì)洞室群的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，主要有北東向和北西向兩組斷層，斷層破碎帶寬度不一，從數(shù)厘米到數(shù)米不等，斷層破碎帶內(nèi)巖石破碎，膠結(jié)程度差，力學(xué)強(qiáng)度低，容易導(dǎo)致洞室圍巖的失穩(wěn)。節(jié)理則更為密集，節(jié)理的產(chǎn)狀、間距和連通性對(duì)巖體的完整性和力學(xué)性質(zhì)影響顯著。例如，一些近垂直的節(jié)理與洞室軸線垂直時(shí)，會(huì)削弱洞室圍巖的抗剪強(qiáng)度，增加洞室坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。從地層巖性來(lái)看，天臺(tái)黑洞古地下洞室群總體采石層系上白堊統(tǒng)塘上組(K2t)第6層灰白色含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。這種巖石主要由火山碎屑物質(zhì)組成，其中玻屑含量較高，一般在30%-50%之間。巖石結(jié)構(gòu)致密，塊狀構(gòu)造，具有較高的抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度一般在80-120MPa之間，彈性模量約為30-50GPa。然而，由于火山碎屑物質(zhì)的不均勻分布以及后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，巖體中存在一些微裂隙和薄弱面，使得巖體的完整性受到一定破壞。在洞室開(kāi)挖過(guò)程中，這些微裂隙和薄弱面可能會(huì)在應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度降低，從而影響洞室的穩(wěn)定性。此外，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r在地下水的長(zhǎng)期作用下，可能會(huì)發(fā)生化學(xué)溶蝕和物理軟化現(xiàn)象，進(jìn)一步削弱巖體的力學(xué)性能。天臺(tái)黑洞古地下洞室群的地理位置和地質(zhì)背景對(duì)其形成和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造為洞室的開(kāi)鑿提供了一定的地質(zhì)條件，如斷層和節(jié)理的存在使得巖石更容易被開(kāi)采，但同時(shí)也增加了洞室群穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。特定的地層巖性決定了洞室圍巖的力學(xué)性質(zhì)，雖然含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r本身強(qiáng)度較高，但內(nèi)部的微裂隙和薄弱面以及地下水的作用，都對(duì)洞室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。2.2洞室群規(guī)模與結(jié)構(gòu)特征天臺(tái)黑洞古地下洞室群規(guī)模宏大，由21個(gè)洞室組成，總面積達(dá)24000m2。各洞室大小不一，其中5號(hào)洞規(guī)模最為突出，最大跨度達(dá)81m，遠(yuǎn)超現(xiàn)代地下洞室設(shè)計(jì)理念中不大于50m的長(zhǎng)期穩(wěn)定最大跨度，這一數(shù)據(jù)不僅彰顯了其在古地下洞室群中的獨(dú)特地位，也對(duì)現(xiàn)代地下工程的跨度設(shè)計(jì)理念提出了挑戰(zhàn)，引發(fā)了對(duì)古代高超開(kāi)采技術(shù)和巖體自身承載能力的深入思考。在結(jié)構(gòu)特征方面，洞室群的形態(tài)豐富多樣。部分洞室呈穹頂狀，這種形狀能夠?qū)⒍词翼敳克惺艿膲毫鶆虻胤稚⒌蕉词业膫?cè)壁和周邊巖體上，就像古代的穹頂建筑，如羅馬萬(wàn)神殿，利用穹頂結(jié)構(gòu)有效地減輕了頂部壓力，增強(qiáng)了建筑的穩(wěn)定性。穹頂洞室通過(guò)合理的拱形結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了巖體的抗壓性能，使得洞室在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下仍能保持穩(wěn)定。還有一些洞室呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，這可能是由于在開(kāi)采過(guò)程中受到巖體內(nèi)部節(jié)理、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的影響，工匠們根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件靈活調(diào)整開(kāi)采方式所導(dǎo)致的。不規(guī)則洞室的存在增加了洞室群結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也使得洞室的受力情況更加復(fù)雜，對(duì)其穩(wěn)定性分析帶來(lái)了一定難度。洞室群的布局也具有一定的規(guī)律性，長(zhǎng)軸方向基本沿兩組主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向展布。這種布局方式并非偶然，古人在開(kāi)鑿洞室時(shí)充分考慮了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。沿地質(zhì)結(jié)構(gòu)面走向開(kāi)鑿，能夠減少對(duì)巖體整體結(jié)構(gòu)的破壞，降低開(kāi)采難度，同時(shí)也有利于洞室的長(zhǎng)期穩(wěn)定。因?yàn)榈刭|(zhì)結(jié)構(gòu)面本身就是巖體中的薄弱部位，沿其走向開(kāi)鑿可以避免在巖體中產(chǎn)生過(guò)多的應(yīng)力集中點(diǎn)，使得洞室周?chē)膽?yīng)力分布更加均勻。洞室之間的連接關(guān)系也較為復(fù)雜，存在多種連接方式。一些洞室通過(guò)狹窄的通道相連，通道的寬度和高度根據(jù)實(shí)際需要和巖體條件而定，這些通道不僅起到了連接洞室的作用，還在一定程度上影響著洞室群內(nèi)部的通風(fēng)和排水。另一些洞室則通過(guò)較大的空間相互貫通，形成了較為開(kāi)闊的地下空間。洞室之間的連接關(guān)系對(duì)洞室群的穩(wěn)定性有著重要影響。合理的連接方式可以增強(qiáng)洞室群的整體性，使得各個(gè)洞室之間能夠相互支撐，共同承受外部荷載。而不合理的連接方式，如連接部位過(guò)于薄弱或連接方式不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低洞室群的穩(wěn)定性。例如，當(dāng)兩個(gè)洞室通過(guò)一個(gè)狹窄且頂部較薄的通道連接時(shí)，在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下，通道頂部可能會(huì)因?yàn)槌惺苓^(guò)大的壓力而發(fā)生坍塌，進(jìn)而影響整個(gè)洞室群的穩(wěn)定性。2.3形成歷史與開(kāi)采工藝推測(cè)天臺(tái)黑洞古地下洞室群的形成歷史悠久，據(jù)相關(guān)研究和考證，其開(kāi)采活動(dòng)可追溯至隋朝。從隋朝開(kāi)始，這片區(qū)域憑借其優(yōu)越的工程地質(zhì)條件和完整的巖體結(jié)構(gòu)，吸引了古代工匠在此進(jìn)行大規(guī)模的采石活動(dòng)。在那個(gè)時(shí)期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)石材的需求不斷增加，天臺(tái)黑洞所在的蟹山擁有優(yōu)質(zhì)的含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，這種巖石質(zhì)地堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密，是建筑、雕刻等領(lǐng)域的理想材料，因此成為古人開(kāi)采的重點(diǎn)區(qū)域。歷經(jīng)多個(gè)朝代的持續(xù)開(kāi)采，逐漸形成了如今規(guī)模宏大的洞室群。在長(zhǎng)期的開(kāi)采過(guò)程中，不同朝代的工匠們根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和實(shí)際需求，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新開(kāi)采工藝，使得洞室群的規(guī)模和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展變化。關(guān)于古人的開(kāi)采工藝，雖然缺乏直接的文字記載，但通過(guò)對(duì)洞室群的現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析，可以進(jìn)行一些合理的推測(cè)。在工具方面，古代工匠可能主要使用了石制工具、青銅工具和鐵制工具。在早期，石制工具如石斧、石鑿等可能是主要的開(kāi)采工具，這些工具雖然相對(duì)簡(jiǎn)陋，但在開(kāi)采初期對(duì)巖體進(jìn)行初步的開(kāi)鑿和修整起到了重要作用。隨著青銅時(shí)代的到來(lái)，青銅工具因其硬度和韌性相對(duì)較高，逐漸成為開(kāi)采的重要工具，能夠更高效地開(kāi)鑿巖石。到了鐵器時(shí)代，鐵制工具的出現(xiàn)極大地提高了開(kāi)采效率，鐵斧、鐵錘、鐵鑿等工具使得工匠們能夠更深入、更精準(zhǔn)地開(kāi)采巖石。在開(kāi)采方法上，古人可能采用了火燒水激法和錘鑿法。火燒水激法是利用巖石熱脹冷縮的原理，先對(duì)巖體進(jìn)行加熱，然后迅速潑冷水，使巖石表面產(chǎn)生裂縫，從而更容易開(kāi)采。這種方法在早期的巖石開(kāi)采中較為常見(jiàn)，尤其適用于質(zhì)地較為堅(jiān)硬的巖石。錘鑿法是通過(guò)人力使用錘子和鑿子對(duì)巖石進(jìn)行開(kāi)鑿，這需要工匠具備高超的技藝和強(qiáng)大的體力。在開(kāi)鑿過(guò)程中，工匠們會(huì)根據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)和紋理，巧妙地運(yùn)用錘鑿的力量，逐步將巖石開(kāi)鑿成所需的形狀和大小。對(duì)于洞室的支撐結(jié)構(gòu)，古人可能采用了石柱支撐和巖體自身支撐相結(jié)合的方式。在洞室的關(guān)鍵部位，如洞室的跨度較大處或頂部，會(huì)設(shè)置石柱來(lái)支撐洞室的頂部，防止其坍塌。這些石柱的形狀和大小根據(jù)洞室的實(shí)際需求而定，有些石柱呈圓柱形，有些則呈方形。同時(shí)，古人也充分利用了巖體自身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，通過(guò)合理的開(kāi)采方式，保留部分巖體作為自然支撐，減少對(duì)人工支撐結(jié)構(gòu)的依賴(lài)。在遇到斷層破碎帶等不良地質(zhì)體時(shí)，古代工匠采用了近垂直、小斷面、高臺(tái)階穿越技術(shù)方法。這種方法能夠有效減小開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低坍塌風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)近垂直的開(kāi)挖方式，減少了對(duì)斷層破碎帶的橫向切割，降低了巖體失穩(wěn)的可能性；小斷面開(kāi)挖可以減小開(kāi)挖面積，降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)；高臺(tái)階穿越則可以提高施工效率，同時(shí)保證了在不良地質(zhì)體中的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。古人的開(kāi)采工藝對(duì)洞室穩(wěn)定性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。合理的開(kāi)采工藝，如根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)和紋理進(jìn)行開(kāi)鑿、設(shè)置合理的支撐結(jié)構(gòu)等，有效地保證了洞室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。許多洞室在歷經(jīng)千年后仍能保持相對(duì)完好，證明了古人開(kāi)采工藝的科學(xué)性和合理性。然而，部分不合理的開(kāi)采行為，如過(guò)度開(kāi)采導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理等，也給洞室的穩(wěn)定性帶來(lái)了隱患。一些洞室可能由于過(guò)度開(kāi)采，使得巖體的承載能力下降，在后期的地質(zhì)作用下，出現(xiàn)了局部坍塌或變形的情況。對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群形成歷史和開(kāi)采工藝的研究，不僅有助于了解古代工程技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，還能為現(xiàn)代地下工程建設(shè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。三、工程地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析3.1巖體物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試為全面了解天臺(tái)黑洞洞室群巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，為后續(xù)的工程地質(zhì)力學(xué)分析提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，本研究采用了多種先進(jìn)且科學(xué)的測(cè)試方法，對(duì)巖體的密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等關(guān)鍵物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)致測(cè)定。在密度測(cè)試方面，考慮到洞室群巖體的復(fù)雜性，對(duì)于能制備成規(guī)則試件的巖石，采用量積法。首先在現(xiàn)場(chǎng)選取具有代表性的巖芯樣本，將其帶回實(shí)驗(yàn)室，利用高精度的測(cè)量工具，如游標(biāo)卡尺等，精確測(cè)量規(guī)則試件的長(zhǎng)、寬、高或直徑等尺寸，測(cè)量精度精確到0.01mm。然后使用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)量試件的質(zhì)量，精度可達(dá)0.001g。根據(jù)公式\rho=m/V（其中\(zhòng)rho為密度，m為質(zhì)量，V為體積）計(jì)算出巖石的密度。對(duì)于遇水易崩解、溶解和干縮濕脹，無(wú)法制備成規(guī)則試件的巖石，采用灌砂法。該方法的原理基于標(biāo)準(zhǔn)砂具有較為穩(wěn)定的松散堆積密度。先分別稱(chēng)量測(cè)筒和巖石試件的質(zhì)量，在測(cè)筒底部鋪入一層厚度為3-5mm的標(biāo)準(zhǔn)砂，將巖石試件放入測(cè)筒并居中放置，接著將標(biāo)準(zhǔn)砂均勻灌入測(cè)筒，直至灌滿且標(biāo)準(zhǔn)砂高出測(cè)筒口10mm，以確保標(biāo)準(zhǔn)砂均勻覆蓋巖石試件并填充于試件和測(cè)筒之間。隨后使用刮刀將高出測(cè)筒口的標(biāo)準(zhǔn)砂刮平，擦掉粘接在測(cè)筒外壁的砂粒，再次稱(chēng)量裝有巖石試件和標(biāo)準(zhǔn)砂的測(cè)筒質(zhì)量。最后通過(guò)公式\rho_{?2????}=\frac{m_{?2????}}{V-\frac{m-m_{?2????}-m_{?μ??-?}}{\rho_{?

?}}}（其中\(zhòng)rho_{?2????}為巖石試件的塊體密度，\rho_{?

?}為標(biāo)準(zhǔn)砂的松散堆積密度，m_{?2????}為巖石試件的質(zhì)量，m_{?μ??-?}為測(cè)筒的質(zhì)量，m為裝有巖塊和標(biāo)準(zhǔn)砂的測(cè)筒總質(zhì)量，V為測(cè)筒的體積）計(jì)算出巖石的密度。通過(guò)這兩種方法的結(jié)合使用，確保了不同類(lèi)型巖石密度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，采用了室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，從現(xiàn)場(chǎng)采集的巖芯樣本加工成直徑為50mm、高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，其高度與直徑之比嚴(yán)格控制在2.0±0.05范圍內(nèi)。使用高精度的材料試驗(yàn)機(jī)，如微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，將試件放置在試驗(yàn)機(jī)的承壓板中心，保證試件的軸線與試驗(yàn)機(jī)的加載軸線重合。以恒定的加載速率，通常為0.5-1.0MPa/s，緩慢施加軸向壓力，同時(shí)利用位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件的軸向變形。當(dāng)試件達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，記錄下此時(shí)的最大荷載值。根據(jù)公式\sigma_{c}=P/A（其中\(zhòng)sigma_{c}為單軸抗壓強(qiáng)度，P為破壞荷載，A為試件的橫截面積）計(jì)算出巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。在三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，同樣采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，將試件放入三軸壓力室中，先施加圍壓至設(shè)定值，圍壓的取值根據(jù)實(shí)際工程需求和地質(zhì)條件確定，一般在5-20MPa范圍內(nèi)。然后以與單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同的加載速率施加軸向壓力，直至試件破壞。通過(guò)記錄破壞時(shí)的軸向壓力和圍壓值，利用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則等相關(guān)理論，計(jì)算出巖石在不同圍壓條件下的三軸抗壓強(qiáng)度。在抗拉強(qiáng)度測(cè)試方面，采用了直接拉伸試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)。直接拉伸試驗(yàn)時(shí)，加工特制的巖石拉伸試件，其形狀通常為啞鈴型，在試件的兩端設(shè)計(jì)有螺紋，以便與試驗(yàn)機(jī)的夾具連接。將試件安裝在材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具上，確保試件受力均勻。以緩慢且恒定的加載速率，如0.05-0.1MPa/s，施加拉伸荷載，同時(shí)使用高精度的引伸計(jì)測(cè)量試件的伸長(zhǎng)量。當(dāng)試件被拉斷時(shí)，記錄下破壞荷載，根據(jù)公式\sigma_{t}=P/A（其中\(zhòng)sigma_{t}為抗拉強(qiáng)度，P為破壞荷載，A為試件的橫截面積）計(jì)算出巖石的抗拉強(qiáng)度。由于直接拉伸試驗(yàn)對(duì)試件的加工精度和試驗(yàn)操作要求較高，且?guī)r石在拉伸過(guò)程中易出現(xiàn)偏心受力等問(wèn)題，所以同時(shí)采用巴西劈裂試驗(yàn)作為補(bǔ)充。巴西劈裂試驗(yàn)時(shí)，將巖石加工成直徑為50mm、厚度為25mm的圓盤(pán)狀試件。將試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)的承壓板上，在試件的直徑方向上施加一對(duì)線性分布的壓力，加載速率一般為0.3-0.5MPa/s。當(dāng)試件沿加載直徑方向劈裂破壞時(shí)，根據(jù)公式\sigma_{t}=\frac{2P}{\piDH}（其中\(zhòng)sigma_{t}為抗拉強(qiáng)度，P為破壞荷載，D為試件的直徑，H為試件的厚度）計(jì)算出巖石的抗拉強(qiáng)度。通過(guò)兩種試驗(yàn)方法的相互驗(yàn)證，提高了抗拉強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測(cè)試過(guò)程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，如《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266-2013）等。對(duì)每個(gè)測(cè)試指標(biāo)，均選取多個(gè)不同位置的巖芯樣本進(jìn)行測(cè)試，每種測(cè)試方法的樣本數(shù)量不少于10個(gè)，以保證測(cè)試結(jié)果能夠代表洞室群巖體的整體性質(zhì)。同時(shí)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和整理，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析，計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)，評(píng)估數(shù)據(jù)的離散程度和可靠性。3.2地應(yīng)力測(cè)量與分析地應(yīng)力作為存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，其測(cè)量和分析對(duì)于理解天臺(tái)黑洞古地下洞室群的穩(wěn)定性至關(guān)重要。它不僅是各種巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的根本作用力，也是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件。本次研究采用了多種先進(jìn)的地應(yīng)力測(cè)量方法，以確保獲取全面、準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)據(jù)。采用水壓致裂法，在洞室群周邊巖體中選取多個(gè)具有代表性的鉆孔位置。在選定的鉆孔中，利用2007型-深孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓泵、數(shù)據(jù)采集器、工控機(jī)、封隔器等設(shè)備。首先將封隔器放置在鉆孔的預(yù)定深度位置，通過(guò)高壓泵向封隔器與鉆孔壁之間的環(huán)形空間注入高壓水，使鉆孔壁產(chǎn)生裂縫。記錄裂縫產(chǎn)生時(shí)的水壓值，即初始開(kāi)裂壓力P_i，以及裂縫重新張開(kāi)時(shí)的壓力值，即重張壓力P_r。根據(jù)水壓致裂法的基本原理，利用公式\sigma_{H}=\frac{3\sigma_{h}-\sigma_{v}+P_{t}-P_{0}}{2}（其中\(zhòng)sigma_{H}為最大水平主應(yīng)力，\sigma_{h}為最小水平主應(yīng)力，\sigma_{v}為垂直主應(yīng)力，P_{t}為巖石的抗拉強(qiáng)度，P_{0}為鉆孔內(nèi)的孔隙水壓力）計(jì)算出最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。同時(shí)，通過(guò)測(cè)量鉆孔內(nèi)不同深度處的水壓變化，結(jié)合巖體的自重應(yīng)力計(jì)算公式\sigma_{v}=\gammah（其中\(zhòng)gamma為巖體的重度，h為深度），確定垂直主應(yīng)力。在部分鉆孔中運(yùn)用深孔套芯解除法，使用2006型-深孔套芯地應(yīng)力測(cè)量?jī)x，該儀器包括井下專(zhuān)用空心包體探頭和井下應(yīng)變記錄儀等。在鉆孔底部安裝空心包體探頭，通過(guò)套芯的方式將探頭周?chē)膸r體與原巖分離，使巖體的應(yīng)力得到解除，從而引起探頭內(nèi)應(yīng)變片的變形。井下應(yīng)變記錄儀實(shí)時(shí)記錄應(yīng)變片的應(yīng)變變化，通過(guò)測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合巖體的彈性模量等參數(shù)，利用胡克定律等相關(guān)理論，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。具體計(jì)算公式為\sigma_{ij}=D_{ijkl}\varepsilon_{kl}（其中\(zhòng)sigma_{ij}為應(yīng)力分量，D_{ijkl}為彈性矩陣，\varepsilon_{kl}為應(yīng)變分量）。為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，每種測(cè)量方法均選取多個(gè)不同位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，水壓致裂法的測(cè)點(diǎn)數(shù)量不少于15個(gè)，深孔套芯解除法的測(cè)點(diǎn)數(shù)量不少于10個(gè)。對(duì)不同方法測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮測(cè)量過(guò)程中的各種因素，如測(cè)量?jī)x器的精度、測(cè)量環(huán)境的影響等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和驗(yàn)證。同時(shí)，將測(cè)量結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景相結(jié)合，分析地應(yīng)力的形成機(jī)制和分布規(guī)律。通過(guò)測(cè)量分析，發(fā)現(xiàn)天臺(tái)黑洞古地下洞室群區(qū)域的地應(yīng)力分布具有一定的規(guī)律。最大水平主應(yīng)力方向主要為北東-南西向，與區(qū)域主要構(gòu)造線方向基本一致，這表明區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)該地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的形成起到了主導(dǎo)作用。地應(yīng)力大小隨深度的增加而逐漸增大，在淺部（0-200m），最大水平主應(yīng)力一般在5-10MPa之間，最小水平主應(yīng)力在3-6MPa之間，垂直主應(yīng)力約為巖體自重應(yīng)力。隨著深度的增加，地應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸加快，在深部（大于200m），最大水平主應(yīng)力可達(dá)到15-25MPa，最小水平主應(yīng)力在8-15MPa之間。在洞室群附近，由于洞室開(kāi)挖對(duì)巖體應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，地應(yīng)力分布出現(xiàn)局部異常。在洞室周邊一定范圍內(nèi)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力均有所增大，尤其是在洞室的拐角處和跨度較大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到1.5-2.5。這是因?yàn)槎词议_(kāi)挖改變了巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)，使得應(yīng)力重新分布，在這些部位，巖體所承受的應(yīng)力超過(guò)了其自身的承載能力，容易發(fā)生變形和破壞。地應(yīng)力對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響顯著。過(guò)大的地應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致洞室圍巖產(chǎn)生較大的變形，如洞室頂部下沉、側(cè)壁內(nèi)鼓等。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)圍巖的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引發(fā)圍巖的破壞，出現(xiàn)坍塌、片幫等現(xiàn)象。在應(yīng)力集中區(qū)域，這種影響更為突出。洞室5號(hào)洞的最大跨度處，由于地應(yīng)力集中，圍巖出現(xiàn)了多條裂縫，部分區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了小規(guī)模的坍塌。地應(yīng)力的方向也會(huì)影響洞室的穩(wěn)定性。當(dāng)最大水平主應(yīng)力方向與洞室軸線夾角較小時(shí)，洞室側(cè)壁更容易受到擠壓，導(dǎo)致側(cè)壁巖體破壞；而當(dāng)夾角較大時(shí)，洞室頂部更容易受到拉應(yīng)力作用，增加頂部坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。3.3地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響天臺(tái)黑洞古地下洞室群所在區(qū)域降水充沛，年平均降水量在1300-1600毫米之間，為地下水的形成和賦存提供了充足的水源。區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水，賦存于含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的裂隙中。這些裂隙的發(fā)育程度、連通性以及產(chǎn)狀對(duì)地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)有著重要影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆孔資料分析發(fā)現(xiàn)，洞室群周邊巖體中裂隙較為發(fā)育，裂隙密度一般在3-5條/米，部分區(qū)域可達(dá)8-10條/米。裂隙的連通性在不同區(qū)域存在差異，在一些構(gòu)造破碎帶附近，裂隙連通性較好，形成了地下水的優(yōu)勢(shì)徑流通道；而在巖體相對(duì)完整的區(qū)域，裂隙連通性較差，地下水主要以孤立的形式存在于裂隙中。地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到地形、地質(zhì)構(gòu)造和巖體滲透性等多種因素的綜合控制。在地形方面，洞室群所在區(qū)域地勢(shì)呈東北向西南傾斜，地下水總體流向也大致為東北向西南。在地質(zhì)構(gòu)造影響下，斷層和節(jié)理等構(gòu)造為地下水的運(yùn)動(dòng)提供了通道，使得地下水在這些構(gòu)造附近的流速加快。巖體的滲透性對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)起著關(guān)鍵作用，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的滲透性較低，滲透系數(shù)一般在10??-10??厘米/秒之間。但在裂隙發(fā)育區(qū)域，巖體的滲透性會(huì)顯著增加，滲透系數(shù)可達(dá)到10?3-10??厘米/秒。通過(guò)對(duì)鉆孔水位的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地下水水位隨季節(jié)變化明顯，在雨季，由于降水的大量補(bǔ)給，地下水位迅速上升；而在旱季，補(bǔ)給量減少，地下水位逐漸下降。水位年變幅一般在2-5米之間。地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在強(qiáng)度和變形兩個(gè)方面。在強(qiáng)度方面，地下水的存在會(huì)降低巖體的強(qiáng)度。這是因?yàn)榈叵滤M(jìn)入巖體裂隙后，會(huì)對(duì)裂隙面產(chǎn)生軟化和弱化作用。含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r中的部分礦物，如長(zhǎng)石等，在地下水的長(zhǎng)期浸泡下，會(huì)發(fā)生水解和溶蝕反應(yīng)，導(dǎo)致礦物結(jié)構(gòu)破壞，從而降低了巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，飽水狀態(tài)下的含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r內(nèi)聚力可降低20%-30%，內(nèi)摩擦角降低10°-15°。地下水在裂隙中還會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力，當(dāng)孔隙水壓力增大到一定程度時(shí)，會(huì)抵消部分有效應(yīng)力，使巖體的抗剪強(qiáng)度降低。根據(jù)有效應(yīng)力原理，巖體的抗剪強(qiáng)度\tau=c+(\sigma-u)\tan\varphi（其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c為內(nèi)聚力，\sigma為總應(yīng)力，u為孔隙水壓力，\varphi為內(nèi)摩擦角），孔隙水壓力u的增大，會(huì)導(dǎo)致(\sigma-u)減小，進(jìn)而降低抗剪強(qiáng)度。在變形方面，地下水會(huì)使巖體的變形增大。一方面，地下水的軟化作用使得巖體的彈性模量降低，在相同荷載作用下，巖體的變形量增大。室內(nèi)試驗(yàn)表明，飽水狀態(tài)下含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的彈性模量比干燥狀態(tài)下降低15%-25%。另一方面，地下水在巖體中流動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力的作用會(huì)使巖體產(chǎn)生附加變形。尤其是在洞室周邊巖體中，動(dòng)水壓力可能導(dǎo)致巖體的局部變形加劇，如洞室側(cè)壁的鼓脹變形等。在長(zhǎng)期的地下水作用下，巖體的變形會(huì)逐漸積累，可能引發(fā)洞室的失穩(wěn)。例如，洞室群中的部分洞室，由于長(zhǎng)期受到地下水的影響，洞室頂部出現(xiàn)了明顯的下沉變形，部分區(qū)域的下沉量達(dá)到了10-20厘米。四、工程地質(zhì)力學(xué)模型建立與模擬4.1模型建立的原理與方法基于地質(zhì)力學(xué)理論，建立天臺(tái)黑洞洞室群工程地質(zhì)力學(xué)模型的原理在于綜合考慮巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造特征以及洞室開(kāi)挖等因素對(duì)巖體力學(xué)行為的影響。地質(zhì)力學(xué)理論強(qiáng)調(diào)地質(zhì)體在各種力的作用下發(fā)生變形和破壞的過(guò)程，通過(guò)研究這些過(guò)程來(lái)揭示地質(zhì)現(xiàn)象的本質(zhì)。在天臺(tái)黑洞洞室群的研究中，運(yùn)用地質(zhì)力學(xué)理論，從巖體的基本力學(xué)特性出發(fā)，考慮其在自重、地應(yīng)力、地下水壓力以及洞室開(kāi)挖引起的應(yīng)力變化等多種力的共同作用下的力學(xué)響應(yīng)。在建模方法上，有限元法是常用的一種方法。有限元法的基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互連接。對(duì)于天臺(tái)黑洞洞室群，首先根據(jù)其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和洞室分布，將整個(gè)區(qū)域劃分為多個(gè)小的單元。以5號(hào)洞為例，將洞室周邊巖體劃分為數(shù)以萬(wàn)計(jì)的四面體單元，確保能夠精確地模擬洞室周邊的應(yīng)力應(yīng)變分布。對(duì)每個(gè)單元賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，這些參數(shù)基于前期的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，如彈性模量、泊松比、密度等。通過(guò)建立單元的平衡方程，將這些方程組裝成整個(gè)模型的方程組，利用數(shù)值方法求解該方程組，得到模型在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。有限元法能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對(duì)于模擬洞室群這種復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢(shì)。在模擬洞室開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，可以通過(guò)逐步“挖除”相應(yīng)單元來(lái)模擬巖體的卸載過(guò)程，分析洞室開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力重分布和變形情況。離散元法也是一種重要的建模方法，特別適用于分析節(jié)理巖體等非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為。離散元法將巖體視為由離散的塊體組成，塊體之間通過(guò)接觸力相互作用。在天臺(tái)黑洞洞室群中，巖體存在大量的節(jié)理和裂隙，離散元法能夠很好地模擬這些節(jié)理的張開(kāi)、閉合以及塊體之間的相對(duì)滑動(dòng)等行為。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，確定節(jié)理的分布、產(chǎn)狀、間距等參數(shù)，將巖體劃分為不同的塊體單元。在模擬過(guò)程中，考慮塊體之間的法向和切向接觸力，根據(jù)力和位移的關(guān)系，通過(guò)迭代計(jì)算求解塊體的運(yùn)動(dòng)和相互作用。當(dāng)洞室開(kāi)挖引起巖體應(yīng)力變化時(shí)，離散元法可以直觀地模擬節(jié)理面的力學(xué)響應(yīng)，如節(jié)理面的錯(cuò)動(dòng)、張開(kāi)導(dǎo)致的巖體變形和破壞過(guò)程，從而為洞室群的穩(wěn)定性分析提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。此外，邊界元法也是一種可用于建立工程地質(zhì)力學(xué)模型的方法。邊界元法將求解域的邊界離散化，通過(guò)求解邊界積分方程來(lái)得到邊界上的未知量，進(jìn)而求解整個(gè)區(qū)域的物理量。對(duì)于天臺(tái)黑洞洞室群，邊界元法可以有效地處理無(wú)限域問(wèn)題，如遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力對(duì)洞室群的影響。通過(guò)將洞室群周邊的邊界劃分為邊界單元，根據(jù)邊界條件建立邊界積分方程，利用數(shù)值方法求解方程得到邊界上的應(yīng)力和位移，再通過(guò)插值計(jì)算得到整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力和位移分布。邊界元法的優(yōu)點(diǎn)是可以降低問(wèn)題的維數(shù)，減少計(jì)算量，尤其適用于求解具有無(wú)限域或半無(wú)限域特征的工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題。在實(shí)際建模過(guò)程中，通常會(huì)根據(jù)洞室群的具體特點(diǎn)和研究目的，綜合運(yùn)用多種建模方法。對(duì)于整體的應(yīng)力應(yīng)變分析，有限元法能夠提供較為全面的結(jié)果；對(duì)于節(jié)理巖體的非連續(xù)變形分析，離散元法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；而邊界元法在處理無(wú)限域問(wèn)題時(shí)則發(fā)揮重要作用。通過(guò)多種方法的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，可以建立更準(zhǔn)確、更全面的天臺(tái)黑洞洞室群工程地質(zhì)力學(xué)模型，為后續(xù)的模擬分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.2模型參數(shù)的確定巖體力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確確定是建立可靠工程地質(zhì)力學(xué)模型的關(guān)鍵。依據(jù)前期詳細(xì)的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合天臺(tái)黑洞洞室群的地質(zhì)條件，對(duì)模型中的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致確定。巖石的彈性模量是反映其在彈性范圍內(nèi)抵抗變形能力的重要參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的彈性模量在干燥狀態(tài)下一般為30-50GPa?？紤]到洞室群長(zhǎng)期受到地下水作用，巖體存在一定程度的軟化，參考相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)彈性模量進(jìn)行修正，最終確定模型中含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的彈性模量取值為35-45GPa。泊松比反映巖石橫向變形與縱向變形的比值，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的泊松比在0.2-0.25之間，在模型中取值為0.22。巖石的密度也是重要參數(shù)之一。通過(guò)量積法和灌砂法對(duì)不同類(lèi)型的巖石樣本進(jìn)行測(cè)試，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的密度平均值為2.5-2.7g/cm3，在模型中取2.6g/cm3。單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度是衡量巖石抵抗壓力能力的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度一般在80-120MPa之間，三軸抗壓強(qiáng)度在不同圍壓條件下有所變化。在模型中，根據(jù)洞室群不同部位的受力情況和實(shí)際地質(zhì)條件，合理選取單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度的值，對(duì)于洞室周邊等應(yīng)力集中區(qū)域，適當(dāng)降低強(qiáng)度取值，以更準(zhǔn)確地模擬巖體的力學(xué)行為。地應(yīng)力作為影響洞室穩(wěn)定性的重要因素，在模型中需要準(zhǔn)確考慮。根據(jù)水壓致裂法和深孔套芯解除法的測(cè)量結(jié)果，天臺(tái)黑洞洞室群區(qū)域的地應(yīng)力分布具有明顯的方向性和隨深度變化的特征。最大水平主應(yīng)力方向主要為北東-南西向，在模型中，按照實(shí)際測(cè)量的方向設(shè)置最大水平主應(yīng)力的方向。地應(yīng)力大小隨深度的增加而逐漸增大，在淺部（0-200m），最大水平主應(yīng)力一般在5-10MPa之間，最小水平主應(yīng)力在3-6MPa之間，垂直主應(yīng)力約為巖體自重應(yīng)力。隨著深度的增加，地應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸加快，在深部（大于200m），最大水平主應(yīng)力可達(dá)到15-25MPa，最小水平主應(yīng)力在8-15MPa之間。在模型中，根據(jù)不同的深度范圍，按照測(cè)量得到的地應(yīng)力大小和變化規(guī)律設(shè)置地應(yīng)力邊界條件。在洞室群周邊一定范圍內(nèi)，由于洞室開(kāi)挖對(duì)巖體應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，地應(yīng)力分布出現(xiàn)局部異常。在洞室周邊一定范圍內(nèi)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力均有所增大，尤其是在洞室的拐角處和跨度較大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到1.5-2.5。在模型中，對(duì)于這些應(yīng)力集中區(qū)域，通過(guò)局部加密網(wǎng)格的方式，更精確地模擬地應(yīng)力的變化和分布情況。地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響也在模型參數(shù)中得到體現(xiàn)。由于地下水的存在，巖體的強(qiáng)度降低，變形增大。在模型中，通過(guò)降低飽水狀態(tài)下巖體的彈性模量、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)來(lái)反映地下水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化作用。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，飽水狀態(tài)下的含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r內(nèi)聚力可降低20%-30%，內(nèi)摩擦角降低10°-15°，彈性模量降低15%-25%。在模型中，對(duì)于地下水位以下的巖體部分，按照相應(yīng)的降低比例調(diào)整巖體力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，考慮地下水的滲流作用，在模型中設(shè)置滲流邊界條件，模擬地下水在巖體中的流動(dòng)和對(duì)巖體力學(xué)行為的影響。4.3不同工況下的模擬分析利用建立的工程地質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)天臺(tái)黑洞洞室群在不同工況下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析，深入研究洞室的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布，以及洞室在不同工況下的穩(wěn)定性。在洞室開(kāi)挖工況模擬中，采用分步開(kāi)挖的方式，模擬洞室從初始狀態(tài)到逐步開(kāi)挖完成的過(guò)程。以5號(hào)洞為例，將開(kāi)挖過(guò)程劃分為5個(gè)階段，每個(gè)階段開(kāi)挖一定厚度的巖體。通過(guò)模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，洞室周邊巖體的應(yīng)力逐漸發(fā)生重分布。在洞室頂部，由于巖體被挖除，應(yīng)力逐漸減小，出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)；而在洞室底部和側(cè)壁，應(yīng)力逐漸增大，形成應(yīng)力集中區(qū)。在洞室的拐角處，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，最大主應(yīng)力可達(dá)到初始地應(yīng)力的2-3倍。洞室周邊巖體的應(yīng)變和位移也逐漸增大，在洞室頂部，巖體產(chǎn)生向下的位移，位移量隨著開(kāi)挖的進(jìn)行逐漸增加，最終在開(kāi)挖完成后，洞室頂部的最大位移量可達(dá)10-15厘米。在洞室側(cè)壁，巖體產(chǎn)生向洞室內(nèi)的位移，導(dǎo)致側(cè)壁出現(xiàn)鼓脹變形。考慮到洞室群可能受到地震作用的影響，進(jìn)行地震工況模擬。選取合適的地震波，如ELCentro波，將其輸入到模型中，模擬洞室群在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。在地震作用下，洞室周邊巖體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)變化。應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，超過(guò)巖體的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致巖體出現(xiàn)塑性變形。洞室頂部和側(cè)壁的位移響應(yīng)較為強(qiáng)烈，位移峰值可達(dá)正常工況下的3-5倍。在地震波的持續(xù)作用下，洞室周邊巖體的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，尤其是在洞室的薄弱部位，如節(jié)理密集區(qū)和斷層附近，塑性區(qū)的擴(kuò)展更為明顯。這些部位的巖體可能會(huì)發(fā)生破裂和坍塌，對(duì)洞室的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。由于天臺(tái)黑洞洞室群所在區(qū)域地下水豐富，模擬地下水水位變化工況。通過(guò)改變模型中地下水位的高度，分析不同地下水位條件下洞室的力學(xué)行為。當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，洞室周邊巖體處于飽水狀態(tài)，巖體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。彈性模量降低，導(dǎo)致巖體的變形能力增強(qiáng)；內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角減小，使得巖體的抗剪強(qiáng)度降低。在地下水位上升過(guò)程中，洞室周邊巖體的應(yīng)力和應(yīng)變逐漸增大，位移也相應(yīng)增加。洞室底部的位移變化較為顯著，由于受到地下水浮力的作用，洞室底部巖體可能會(huì)出現(xiàn)上抬變形。當(dāng)水位上升到一定程度時(shí)，洞室周邊巖體的穩(wěn)定性明顯下降，存在坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。在洞室加載工況模擬中，考慮洞室周邊可能存在的建筑物、堆載等情況，在模型中施加相應(yīng)的荷載。隨著荷載的增加，洞室周邊巖體的應(yīng)力逐漸增大，尤其是在荷載作用點(diǎn)附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。當(dāng)荷載超過(guò)一定值時(shí)，巖體可能會(huì)發(fā)生屈服和破壞。應(yīng)變和位移也隨著荷載的增加而增大，洞室的變形加劇。加載工況對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響與荷載大小、分布范圍以及洞室的初始狀態(tài)等因素密切相關(guān)。在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要充分考慮這些因素，合理規(guī)劃荷載分布，以確保洞室的穩(wěn)定性。五、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與地質(zhì)災(zāi)害隱患分析5.1洞室群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)洞室群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)于保障地下工程安全、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。本研究采用定性與定量相結(jié)合的方法，全面、系統(tǒng)地評(píng)估天臺(tái)黑洞古地下洞室群的穩(wěn)定性。定性評(píng)價(jià)方法主要包括工程地質(zhì)分析法和工程類(lèi)比法。工程地質(zhì)分析法是對(duì)洞室群的工程地質(zhì)條件進(jìn)行深入分析，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等。天臺(tái)黑洞古地下洞室群所在區(qū)域地層巖性為上白堊統(tǒng)塘上組(K2t)第6層灰白色含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r，這種巖石的力學(xué)性質(zhì)對(duì)洞室穩(wěn)定性有重要影響。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷層、節(jié)理等發(fā)育，褶皺改變了巖體原始應(yīng)力狀態(tài)，斷層破碎帶巖石破碎、力學(xué)強(qiáng)度低，節(jié)理影響巖體完整性和力學(xué)性質(zhì)，這些地質(zhì)構(gòu)造因素都增加了洞室群穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。水文地質(zhì)條件方面，洞室群所在區(qū)域降水充沛，地下水類(lèi)型為基巖裂隙水，地下水的賦存和運(yùn)動(dòng)對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響洞室穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)這些工程地質(zhì)條件的綜合分析，初步判斷洞室群的穩(wěn)定性狀況。工程類(lèi)比法是將天臺(tái)黑洞古地下洞室群與其他類(lèi)似地質(zhì)條件和工程特征的洞室群進(jìn)行對(duì)比。選取了國(guó)內(nèi)其他地區(qū)同樣位于火山碎屑巖地層、且規(guī)模和結(jié)構(gòu)有一定相似性的古地下洞室群，對(duì)比它們?cè)陂_(kāi)挖工藝、洞室形態(tài)、巖體力學(xué)參數(shù)等方面的情況。若其他洞室群在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中保持穩(wěn)定，且與天臺(tái)黑洞古地下洞室群的相似性較高，則可推測(cè)天臺(tái)黑洞古地下洞室群在類(lèi)似條件下也具有一定的穩(wěn)定性。定量評(píng)價(jià)方法運(yùn)用了極限平衡法和數(shù)值模擬法。極限平衡法是基于極限平衡理論，通過(guò)計(jì)算洞室圍巖的安全系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。對(duì)于天臺(tái)黑洞古地下洞室群，在洞室的關(guān)鍵部位，如洞室頂部、側(cè)壁等，根據(jù)巖體的力學(xué)參數(shù)，包括內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、重度等，以及洞室的幾何形狀和尺寸，運(yùn)用極限平衡理論公式計(jì)算安全系數(shù)。當(dāng)安全系數(shù)大于1時(shí)，表明洞室在當(dāng)前條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)接近或小于1時(shí)，洞室的穩(wěn)定性存在風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)值模擬法采用有限元軟件FLAC3D對(duì)洞室群進(jìn)行模擬分析。根據(jù)前期的地質(zhì)勘察和物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果，建立洞室群的三維有限元模型，模型中考慮巖體的非線性力學(xué)行為、地應(yīng)力分布、地下水滲流等因素。通過(guò)模擬洞室開(kāi)挖過(guò)程以及不同工況下洞室群的力學(xué)響應(yīng)，得到洞室周邊巖體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況。在模擬地震工況時(shí)，輸入特定的地震波，觀察洞室群在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，判斷洞室的穩(wěn)定性。確定了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括安全系數(shù)、變形量、塑性區(qū)范圍等。安全系數(shù)是衡量洞室穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，如前所述，通過(guò)極限平衡法計(jì)算得到。變形量也是重要指標(biāo)之一，包括洞室頂部的下沉量、側(cè)壁的鼓脹位移等。利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，獲取洞室不同部位的變形量。若洞室頂部下沉量超過(guò)一定閾值，如10cm，可能預(yù)示著洞室頂部巖體出現(xiàn)較大變形，穩(wěn)定性下降。塑性區(qū)范圍反映了巖體的破壞程度，在數(shù)值模擬中，通過(guò)分析塑性區(qū)的分布和大小來(lái)評(píng)估洞室的穩(wěn)定性。當(dāng)洞室周邊塑性區(qū)范圍過(guò)大，如超過(guò)洞室周邊巖體一定比例時(shí)，表明洞室穩(wěn)定性較差，存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)。5.2潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別天臺(tái)黑洞古地下洞室群由于其特殊的地質(zhì)條件和復(fù)雜的洞室結(jié)構(gòu)，存在多種潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患，對(duì)周邊地區(qū)的安全構(gòu)成威脅。坍塌是洞室群面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害隱患之一。洞室群的巖體完整性受到多種因素破壞，為坍塌埋下隱患。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的斷層破碎帶，使得巖體破碎，完整性喪失，降低了巖體的承載能力。在5號(hào)洞附近的一條斷層破碎帶，寬度達(dá)3米，帶內(nèi)巖石呈碎塊狀，膠結(jié)程度差。當(dāng)洞室開(kāi)挖或受到外部荷載作用時(shí)，這些破碎巖體容易發(fā)生滑動(dòng)和垮塌。節(jié)理裂隙也較為密集，平均每平方米可達(dá)10-15條，節(jié)理的存在削弱了巖體的整體性，在洞室頂部，由于節(jié)理的切割，巖體可能形成不穩(wěn)定的塊體，在重力作用下有坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。地下水的長(zhǎng)期作用對(duì)洞室穩(wěn)定性影響顯著。一方面，地下水會(huì)導(dǎo)致巖體軟化，含玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r中的部分礦物在地下水的浸泡下發(fā)生水解和溶蝕反應(yīng)，降低了巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，使巖體強(qiáng)度降低。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，飽水狀態(tài)下巖體的內(nèi)聚力可降低20%-30%，內(nèi)摩擦角降低10°-15°。另一方面，地下水在洞室周邊產(chǎn)生的孔隙水壓力會(huì)抵消部分有效應(yīng)力，進(jìn)一步降低巖體的抗剪強(qiáng)度。在地下水位較高的區(qū)域，洞室側(cè)壁和頂部的巖體在孔隙水壓力和重力的共同作用下，容易發(fā)生坍塌。滑坡也是可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害之一。洞室群周邊地形起伏較大，部分區(qū)域坡度可達(dá)30°-45°，且由于洞室開(kāi)挖改變了山體的原有應(yīng)力狀態(tài)，使得山體的穩(wěn)定性降低。在洞室群邊緣，由于開(kāi)挖導(dǎo)致巖體臨空面增大，在雨水沖刷、地震等因素作用下，巖體容易沿著潛在的滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)。巖體中的軟弱夾層也是滑坡的重要誘發(fā)因素，天臺(tái)黑洞古地下洞室群中存在的泥質(zhì)夾層，厚度在0.5-2米之間，其力學(xué)強(qiáng)度低，遇水后易軟化，抗剪強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)軟弱夾層位于山體的潛在滑動(dòng)面上時(shí)，就會(huì)成為滑坡的控制面，增加滑坡發(fā)生的可能性。涌水災(zāi)害同樣不容忽視。洞室群所在區(qū)域降水充沛，地下水豐富，且?guī)r體中裂隙發(fā)育，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了良好條件。當(dāng)洞室開(kāi)挖揭露含水層或與地下水連通的裂隙時(shí)，就可能引發(fā)涌水災(zāi)害。在洞室施工過(guò)程中，曾出現(xiàn)過(guò)涌水現(xiàn)象，最大涌水量達(dá)到50立方米/小時(shí)，涌水不僅會(huì)影響施工進(jìn)度，還可能導(dǎo)致洞室圍巖失穩(wěn)。如果涌水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，還可能引發(fā)周邊地下水位下降，導(dǎo)致地面沉降等次生災(zāi)害。地震也是洞室群面臨的潛在威脅。雖然該地區(qū)歷史上地震活動(dòng)相對(duì)較弱，但仍存在發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性。地震會(huì)使洞室周邊巖體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)作用，導(dǎo)致巖體的結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)力重新分布。在地震作用下，洞室頂部和側(cè)壁的巖體可能出現(xiàn)裂縫擴(kuò)展、剝落甚至坍塌。尤其是洞室的薄弱部位，如節(jié)理密集區(qū)、斷層附近等，在地震中的破壞風(fēng)險(xiǎn)更高。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在里氏5級(jí)地震作用下，洞室周邊巖體的塑性區(qū)范圍將擴(kuò)大20%-30%，部分區(qū)域的位移將增加1-2倍，這表明地震對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響巨大。5.3災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)采用層次分析法（AHP），對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。邀請(qǐng)地質(zhì)工程、巖石力學(xué)等領(lǐng)域的10位專(zhuān)家，對(duì)影響地質(zhì)災(zāi)害的多個(gè)因素，包括巖體完整性、地下水水位變化、地震活動(dòng)、洞室跨度等，進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣。通過(guò)計(jì)算判斷矩陣的特征向量和特征值，確定各因素的相對(duì)權(quán)重。結(jié)果顯示，巖體完整性的權(quán)重為0.35，地下水水位變化的權(quán)重為0.25，地震活動(dòng)的權(quán)重為0.2，洞室跨度的權(quán)重為0.15，其他因素權(quán)重為0.05。這表明巖體完整性和地下水水位變化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響最為顯著。運(yùn)用地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)評(píng)估模型，結(jié)合前期獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)洞室群坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的潛在危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)估。對(duì)于坍塌災(zāi)害，根據(jù)洞室周邊巖體的結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖石力學(xué)參數(shù)等，計(jì)算坍塌的可能性指數(shù)。在5號(hào)洞的部分區(qū)域，由于巖體完整性較差，節(jié)理裂隙密集，計(jì)算得到的坍塌可能性指數(shù)為0.75，處于較高危險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于滑坡災(zāi)害，考慮山體坡度、巖體強(qiáng)度、軟弱夾層分布等因素，利用極限平衡理論計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。在洞室群周邊的一處山體，由于存在軟弱夾層，且坡度較陡，計(jì)算得到的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.05，接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)，存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)歷史地震數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，利用地震危險(xiǎn)性分析方法，預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)洞室群可能遭受的地震影響。研究區(qū)域歷史上最大地震震級(jí)為5.5級(jí)，發(fā)生在距離洞室群約50公里處。根據(jù)地震活動(dòng)規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造特征，預(yù)測(cè)未來(lái)50年內(nèi)，洞室群所在區(qū)域發(fā)生5級(jí)以上地震的概率為0.2。一旦發(fā)生5級(jí)地震，洞室群周邊巖體的應(yīng)力將顯著增加，可能導(dǎo)致洞室坍塌、側(cè)壁破裂等破壞情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在5級(jí)地震作用下，洞室頂部的位移將增加10-15厘米，部分區(qū)域的應(yīng)力將超過(guò)巖體的屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)塑性變形。考慮到地下水水位的變化對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響，利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，結(jié)合長(zhǎng)期的地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)不同降水條件下地下水位的變化趨勢(shì)，進(jìn)而評(píng)估其對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響。在極端降水條件下，如年降水量增加30%，模擬結(jié)果顯示地下水位將上升2-3米。地下水位的上升將導(dǎo)致洞室周邊巖體處于飽水狀態(tài)，巖體強(qiáng)度降低，孔隙水壓力增大，洞室的穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重威脅。在這種情況下，洞室底部可能會(huì)出現(xiàn)隆起變形，側(cè)壁的鼓脹位移將增加5-10厘米，部分區(qū)域可能會(huì)發(fā)生坍塌。六、防治措施與保護(hù)建議6.1針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防治措施針對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群可能面臨的坍塌、滑坡、涌水等地質(zhì)災(zāi)害，制定一系列科學(xué)有效的防治措施，以降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保洞室群及周邊區(qū)域的安全。在坍塌防治方面，對(duì)洞室群進(jìn)行全面細(xì)致的勘查，確定可能發(fā)生坍塌的危險(xiǎn)區(qū)域，特別是洞室頂部和側(cè)壁存在明顯裂縫、節(jié)理密集或巖體破碎的部位。針對(duì)這些危險(xiǎn)區(qū)域，采用錨桿支護(hù)和噴射混凝土加固相結(jié)合的方式。錨桿支護(hù)利用高強(qiáng)度的錨桿，如直徑為25mm的螺紋鋼錨桿，以一定的間距，通常為1.5-2.0米，將洞室圍巖與深部穩(wěn)定巖體錨固在一起，增強(qiáng)圍巖的整體性和穩(wěn)定性。噴射混凝土加固則是在洞室圍巖表面噴射一層厚度為10-15厘米的混凝土，形成一層堅(jiān)固的防護(hù)層，提高圍巖的抗風(fēng)化和抗變形能力。對(duì)于跨度較大的洞室，如5號(hào)洞，設(shè)置鋼支撐結(jié)構(gòu)，采用工字鋼或H型鋼制作鋼支撐，按照一定的間距，如3-5米，布置在洞室的關(guān)鍵部位，如洞室的拐角處和頂部，增強(qiáng)洞室的承載能力。對(duì)于滑坡防治，對(duì)洞室群周邊山體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估，確定潛在的滑坡區(qū)域。在滑坡區(qū)域，通過(guò)卸載減載的方式，減少山體上部的荷載。例如，對(duì)坡度較陡的山體上部進(jìn)行削坡處理，將坡度降低至安全范圍內(nèi)，一般控制在30°以下。同時(shí)，進(jìn)行反壓填方，在滑坡體的下部堆積土石等材料，增加抗滑力。采用擋土墻、抗滑樁等工程措施，增強(qiáng)山體的穩(wěn)定性。擋土墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高度根據(jù)實(shí)際情況確定，一般為3-5米，墻體厚度為0.5-1.0米，在滑坡體的前緣或側(cè)緣設(shè)置，阻擋滑坡體的滑動(dòng)?？够瑯恫捎勉@孔灌注樁，樁徑為1.0-1.5米，樁長(zhǎng)根據(jù)滑坡體的厚度和地質(zhì)條件確定，一般為10-20米，在滑坡體中按照一定的間距，如3-5米，布置，深入穩(wěn)定巖體，抵抗滑坡體的下滑力。涌水防治方面，首先進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)勘察，查明洞室群周邊地下水的分布、水位變化和水力聯(lián)系等情況。在此基礎(chǔ)上，采用堵水和排水相結(jié)合的方法。堵水采用注漿技術(shù)，對(duì)于涌水通道，如裂隙、溶洞等，采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿封堵。水泥漿和水玻璃漿按照一定的比例，通常為1:0.5-1:1，混合后通過(guò)鉆孔注入涌水通道，形成堅(jiān)固的封堵體，阻止地下水的涌入。排水則是在洞室群周邊設(shè)置排水孔和排水廊道。排水孔采用鉆孔方式施工，孔徑為50-100mm，深度根據(jù)地下水水位和洞室深度確定，一般為10-30米，按照一定的間距，如5-10米，布置在洞室周邊巖體中，將地下水引入排水廊道。排水廊道采用混凝土襯砌，斷面尺寸根據(jù)涌水量確定，一般為2-3平方米，沿著洞室群周邊布置，將排水孔收集的地下水排出洞室群區(qū)域。6.2古洞室群的保護(hù)與開(kāi)發(fā)建議古洞室群作為珍貴的歷史文化遺產(chǎn)和獨(dú)特的地質(zhì)景觀，具有極高的歷史、文化和科學(xué)價(jià)值。在保護(hù)方面，應(yīng)遵循“保護(hù)為主、科學(xué)規(guī)劃、合理利用、傳承發(fā)展”的原則。具體措施上，首先要建立健全保護(hù)法規(guī)和管理制度，天臺(tái)縣相關(guān)部門(mén)應(yīng)制定專(zhuān)門(mén)針對(duì)天臺(tái)黑洞古地下洞室群的保護(hù)條例，明確洞室群的保護(hù)范圍、保護(hù)要求以及違反保護(hù)規(guī)定的法律責(zé)任。設(shè)立專(zhuān)門(mén)的保護(hù)管理機(jī)構(gòu)，配備專(zhuān)業(yè)的管理人員和技術(shù)人員，負(fù)責(zé)洞室群的日常保護(hù)和管理工作。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與研究工作也是關(guān)鍵。建立長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用高精度的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如三維激光掃描儀、位移傳感器、應(yīng)力傳感器等，對(duì)洞室群的變形、應(yīng)力、地下水水位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。及時(shí)掌握洞室群的動(dòng)態(tài)變化，為保護(hù)決策提