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我国自上个世纪九十年代后期才开始对大型古地下工程的研究。以后大型古地下工程逐渐引起人们的重视。对大型古地下工程的研究目的主要有两个:第一,揭示蕴藏在大型古地下工程中的古人朴素的工程科学思想,并给现代工程以启示;第二,长期保护大型古地下工程这一先人留给我们的宝贵遗产。
通过现场工程地质勘察、测量、室内资料整理与分析、室内围岩物理力学试验及三维数值模拟等揭示了蕴藏在龙王山大型古地下采石场中的工程科学亮点,这些亮点对现代工程有重要的启示。通过现场调查及数值模拟手段分析了龙王山大型古地下采石场洞内围岩变形破坏的类型及机理,并在此基础上提出了洞室围岩防治对策。通过现场调查对洞外简易公路段潜在滚石灾害危害性进行了分段和分区,并在此基础上提出了潜在滚石防治的对策。
通过在洞室群内作剖面发现,龙王山大型古地下采石场洞室群顶板高程的变化趋势与塘上组凝灰岩和赖家组粉砂岩的整合接触面基本一致。这样不仅避免采到不宜做石料的粉砂岩,而且也避免了粉砂岩作为洞室顶板对洞室稳定的不利影响。从这一点说明古人在开采石料前已经对龙王山山体进行了详细地“工程地质勘察”,因而能在充分考虑实际地质条件的基础上合理地选择洞口的位置及并“设计”洞室的空间布局。
通过现场调查发现,古人在龙王山大型古地下采石场内采石板的过程中,巧妙地利用已有的竖直或接近竖直的结构面作为待采石板的侧槽,不仅提高了采石的效率,而且还节省了采石费用。
通过数值模拟分析证明了位于岩柱与项板相交部位的柱顶弧形斜托改善了岩柱及顶板的应力状态;证明了岩柱间肋形仰拱改善了其两侧的岩柱及下方的底板的应力,并减小了围岩的侧鼓及底鼓。
在龙王山大型古地下采石场洞室群内发现,在岩体内结构面较多的地段洞室顶板被开挖成了穹顶结构,而在结构面少的地段,洞顶则被开挖成平顶结构。通过数值分析表明,在洞室规模相同的情况下穹形顶板的拉压应力集中区比平直顶板小,且穹形顶板拉应力单元占总单元数的百分比也均小于平直顶板的相应值。在平顶洞室中为了避免因跨度和高度过大而造成的洞室稳定问题,在不同洞间设置了隔墙,在洞内设置了水平隔板。隔墙的作用主要表现减少洞顶下沉量,改善洞顶应力状态,而水平隔板的作用主要表现在改善了其所在洞室后端墙上的剪应力状态。
通过对洞内围岩变形破坏的调查发现,龙王山大型古地下采石场内围岩变形破坏主要发生在洞项、洞口及岩柱三个部位。围岩变形破坏的主要方式为围岩的开裂变形及块体失稳。对于大跨度洞室而言,由于洞内岩柱数量少或某些岩柱断面小而无法帮助顶板分担更多的山体荷载,所以导致顶板拉应力区增大,裂缝增多,同时使岩柱发生复杂的拉剪变形破坏。
对龙王山大型古地下采石场外简易公路段潜在滚石灾害进行了分段和分区。并发现景区洞口所在南边坡滚石的发生受凝灰岩与粉砂岩的整合接触面控制。
为了保证洞室整体稳定,在基于洞内围岩的变形破坏调查及规律分析的基础上,提出以支顶为主的防治对策。对简易公路段的滚石,则提出“以避为先”的防治对策。