岩体结构面产状与地下建筑物轴线关系初探

刘芙荣，熊 博，黄向春

（1. 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.水利部海委引滦工程管理局，河北 唐山064309）

1 地下建筑物的工程地质

与其他建筑物相比，地下建筑物具有明显特点，虽然规模各异，但都建在山体内，具有特定横断面和一定长度， 围岩的稳定性决定了地下建筑物的安全和正常使用。

例如，水利水电工程的地下洞室大小不一，洞径变化大，并且断面形状多样，有圆形、马蹄形、城门洞形、卵形等。 洞室多选择岩石坚固完整地区，以降低支护费用。 一般情况下，洞室埋深不大，但有些洞室埋深较大。但地下洞室多属于过水的永久建筑物，要求支护措施具有较好耐久性，洞壁平整光滑，衬砌与围岩需共同承受内水压力。 围岩稳定性是主要工程地质问题之一。

常见围岩破坏形式多为滑动与坍塌、 松动与脱落、变形与膨胀、岩爆、岩溶突水突泥等。围岩由岩块和各种结构面组成，结构面切割岩体，破坏岩体完整性，使围岩（岩体）具有不连续性和不均一性，而结构面的产状、性状、规模、密度、类型差异较大，对地下建筑物的开挖和围岩稳定性的影响程度也有所不同。此外，结构面也为地下水运动创造了条件。可见，结构面作为岩体的主要组成部分， 其存在对围岩强度和稳定性具有决定性作用。

因此，结构面的勘察与研究是必要的，尤其对复杂地质条件、大洞室、洞群、勘察工作尤为重要。

2 岩体结构面产状与地下建筑物轴线关系

2.1 隧洞

一般来说，陡倾角结构面对高边墙的稳定不利；缓倾角结构面对大跨度的洞室顶拱不利。

据SL279—2016《水工隧洞设计规范》［1］，在满足总体要求的条件下，洞线宜布置在地质构造简单、岩体完整稳定、水文地质条件有利及施工方便的地区。洞线与岩层、 构造线及主要软弱带走向宜有较大的交角；对整体块状结构岩体及厚层并胶结紧密、岩石坚硬完整的岩体，交角不宜小于30°；对薄层岩体、特别是层间结合较差的陡倾角薄岩层， 交角不宜小于45°。 隧洞通过较大的地质构造带时，综合考虑，选定洞线方向。

据杨子文［2］等研究，隧洞轴线与结构面产状关系如表1。

表1 隧洞轴线与结构面产状的相互关系

谷兆祺［3］研究发现，对中等埋深或浅埋深的洞室，若地应力不大，洞室长轴宜布置在两组结构面的交角分角线上，但不宜平行结构面走向。长而高的边墙与陡倾角、表面光滑的结构面宜有较大交角，不宜小于25°。 对深埋地下洞室，不仅考虑结构面关系，还需考虑与地应力关系。 当洞室长轴与最大主应力方向水平投影的夹角为15°～30°时， 其稳定性较好，但洞室长轴不宜与结构面走向平行。 在各向异性岩体中，若主应力方向与结构面、层理走向相近时，洞室长轴与结构面走向夹角不小于35°。

据比尼奥斯基（Bieniawski）［4］提出的地质力学分类法（RMR），不连续面产状与隧洞关系如表2。

表2 隧洞中不连续结构面的走向和倾向对围岩稳定的影响

由此可见， 地下洞线布置与结构面产状密切相关，不同地质条件下，需结合实际条件，综合多因素后确定，尽可能利用有利因素，减少或降低不利因素影响。

2.2 地下厂房

一般而言， 地下厂房纵轴方向选择以纵轴线与最大主应力宜成小夹角或平行、 与岩体主要裂隙的走向呈较大夹角为主要原则。

据SL266—2014《水电站厂房设计规范》［5］，地下厂房主洞室的纵轴线走向， 宜与围岩的主要构造弱面（断层、节理、裂隙、层面等）呈较大的夹角。 同时，应注意次要构造面对洞室稳定的不利影响。 在高地应力地区， 洞室纵轴线走向与地应力最大主应力水平投影方向的交角宜采用较小角度。

据NB/T35090—2016《水电站地下厂房设计规范》［6］，地下厂房位置应考虑地形地质条件、枢纽布置、输水系统水力条件、施工条件、机电设备布置、运行要求及环境保护等主要因素，综合选定。主体洞室宜布置在地质构造简单、岩体较完整、上覆岩层厚度适宜、地下水不发育、岸坡稳定的地段，宜避开较大断层、高应力区、节理裂隙发育区。 地下厂房主体洞室纵轴线方位选择， 应在满足引水发电系统布置较为顺畅的前提下， 与岩体主要结构面走向呈较大夹角，在以构造应力为主的高地应力区，与最大主应力方位呈较小夹角。 岩石强度应力比大于7.0时，宜主要考虑结构面因素； 而岩石强度应力比小于4.0时，宜主要考虑地应力因素并兼顾结构面因素。 主体洞室纵轴线与岩体主要结构面走向的夹角不宜小于50°；岩石强度应力比小于4.0时，主体洞室纵轴线与最大主应力方向的夹角不宜大于30°。

据李莉等［7］研究发现，以构造为主和以自重为主的地应力场，在厂房纵轴线方位选择时存在差异。以构造为主的地应力场， 当厂房纵轴线与σ1成小角度相交时，椭圆洞室周边最大切向应力取得较小值，对围岩稳定性较为有利； 而以自重应力场为主的地应力场， 当σ1与纵轴线成小角度相交时， 并非最为有利。 地下厂房纵轴线方位的选取应尽量避免洞室周边切向出现量值较大的拉应力， 当洞室周边只存在压应力时， 应当选择使洞室周边最大切向应力为最小的纵轴线方位角。 当洞室周边同时存在拉压应力时， 应当使洞室周边的切向拉应力和压应力都尽量接近较小值。

地下厂房具有自身特点，跨度和高度较大，其布置需兼顾结构面和地应力等主要因素， 并需考虑自身结构需求，达到工程自然协调统一。

3 地质勘察工作思路

与常规线性隧洞相比， 地下厂房多属于地下洞群，主要有主体洞室、副厂房洞室、主变压器洞室、交通洞、通（排）风洞、尾水洞等，主体洞室长轴线的选择影响因素较多，亦较为复杂。

为研究地下厂房的长轴线方向， 在查明厂房区岩体发育的结构面（层理、节理、裂隙、片理、断层、软弱结构面等） 发育规律基础上， 绘制结构面玫瑰花图；然后依据有关标准对结构面进行分级和分类，确定岩体中发育的主要结构面和次要结构面， 以及可能影响；调查地应力分布规律，确定地应力方向和数值，以及影响；然后综合岩体基本质量、结构面条件、地应力条件，以及建筑物布局，确定地下厂房长轴方向，充分利用地质条件有利因素，限制或处理地质条件不利或缺陷，达到工程与自然协调。

而常规线性隧洞，通常长度较大，主要研究沿线I级、II级区域性的构造线分布规律与影响；其次查明沿线地层岩性，然后结合工程布局，确定洞线布置。

4 结语

由于地下工程具有其特殊性， 局限于现有勘察技术水平，地质条件存在不确定性，但围岩稳定性是地下建筑物的主要工程地质问题之一。

地下隧洞轴线宜与优势结构面走向呈大角度相交，一般情况下，不宜小于30°；而小角度相交，较为不利；如埋深较大，需考虑地应力，则洞室长轴与最大主应力方向水平投影的夹角呈小角度， 一般情况下，不宜小于15°。

地下厂房纵轴方向与岩体主要结构面的走向呈较大夹角，一般情况下，交角不小于50°；与最大主应力水平投影方向的交角宜呈小角度，一般情况下，不大于30°。

地下洞室布置需兼顾功能、施工、地质条件、运行等因素，需综合统筹，抓住核心和重点，充分利用自然条件，限制或处理其缺陷。