第十三章 地下洞室
13.1 概 述
人工开挖或天然存在于岩土体内作为各种用途的构筑物统称为地下洞室，也有称为地下建筑或地下工程的。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型；
（1）按其内壁是否有内水压力作用可分为无压洞室和有压洞室两类；（2）按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形等类型；按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类；（3）按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类；（4）另外还有人工洞室与天然洞室之分等等。
变形与破坏的围岩作用于支衬上的压力称为围岩压力。衬砌产生变形并把压力传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。围岩应力、围岩压力、围岩变形与破坏及围岩抗力是地下洞室主要的岩土工程问题。除此之外，在某些特殊地质条件下开挖地下洞室时，还存在诸如坑道涌水、有害气体及地温等工程问题。
一、地下采空区场地评价与勘察
人类为采掘地下资源而留下的地下空间称为地下采空区，根据开采现状可分为老采空区、现采空区及未来采空区三类。
地下采空区场地评价的主要任务是：查明老采空区上覆岩层的稳定性，预测现采空区和未来
采空区地表移动、变形的特征和规律，判定其作为建筑场地的适宜性和对建筑物的危害程度。
二、 采空区的地表变形特征
(一) 地表变形的分区与分类
当地下开采影响到达地表以后，在采空区上方地表将形成一个凹陷盆地，或称地表移动盆地。
发育完全的地表移动盆地可分为三个区域(图13－19见书P289)：
①中间区。位于采空区正上方，其地表下沉均匀，地面平坦，一般不出现裂缝，地表下沉值最大；②内边缘区。位于采空区内侧上方，其地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，呈凹形，一般不出现明显的裂缝；③外边缘区。位于采空区外侧矿层上方，其地表下沉不均匀，地面向盆地中心倾斜，呈凸形，常有张裂缝出现。
地表移动盆地内各区域变形可划分出下沉{又称为垂直位移：指盆地内任一点铅直方向的位移分量W（mm）}、水平位移{ U(mm)是指盆地内任一点水平方向的位移分量}(伸张与压缩)、倾斜{T(mm/m)是指任意两点间的沉降差ΔW与两点间的水平距离之比}和弯曲(曲率：指任意一点处的平均倾斜变化率)及水平变形等五种变形。如图13-20所示。
水平变形ε(mm/m)是指任意两点水平位移之差ΔU与两点间的水平距离L之比。
(二) 影响地表变形的因素
采空区地表变形的大小及其发展趋势、地表移动盆地的形态与范围等主要受以下因素影响：
1)矿层因素：表现在矿层埋深愈大(即开采深度愈大)，变形扩展到地表所需的时间愈长，地表变形值愈小，变形比较平缓均匀，且地表移动盆地范围较大。矿层厚度愈大，采空区愈大，促使地表变形值增大。矿层倾角愈大，使水平位移增大，地表出现裂缝的可能性加大，且盆地与采空区的位置也不对称等。
2)岩性因素：上覆岩层强度高且单层厚度大时，其变形破坏过程长,不易影响到地表。有些厚度大的坚硬岩层，甚至长期不产生地表变形，而强度低、单层厚度薄的岩层则相反。脆性岩层易出现裂缝，而塑性岩层则往往表现出均匀沉降变形。另外，地表第四系堆积物愈厚，则地表变形值愈大，但变形平缓均匀。
3)地质构造因素：岩层节理裂隙发育时，会促进变形加块，变形范围增大，扩大地表裂缝区。而断层则会破坏地表变形的正常规律，改变移动盆地的范围和位置，同时，断层带上的地表变形会更加剧烈
4)地下水因素：地下水活动会加快变形速率，扩大变形范围，增大其地表变形值。
5)开采条件：矿层开采和顶板处理方法及采空区的大小、形状、工作面推进速度等，都影响着地表变形值、变形速度和变形方式。如以柱房式开采和全充填法处理顶板时，对地表变形影响就较小等等。
(三) 地表变形的观测方法
地表变形观测是在选定的地区或建筑物上，设置一定数量的观测点(水准点或三角测量点)，定期观测这些点在地下采动过程中变形随时间的变化情况，确定其位移和变形大小。
地表变形观测一般至少布置两条测线，一条平行于矿层走向，另一条垂直于矿层走向。方法
是先确定矿层走向，然后根据矿区已有地表位移资料确定其观测线。
观测点的间距应大致相等，可根据开采深度H按表13-18确定。各观测点的观测周期可据开采深度按表13-19或公式13-41(见P291)确定。
在观测过程中应同时对地表裂缝、陷坑及台阶的发展和建筑物变形情况进行观测与描述。
根据系统观测可得到如下成果：①观测区和各观测点的下沉曲线、下沉等值线及水平位移分布图等；
②根据下沉W≥10mm，圈定地表移动盆地范围，同时根据一定标准进行变形分区；③根据表13－17中的公式计算相关点的地表下沉(W)、倾斜(T)、曲率(K)和水平位移值(U)。
同时对正在开采和未来开采的采空区地表变形进行预测，为建筑地基稳定性评价、处理及工程设计提供依据。
三、 采空区场地的建筑适宜性评价
(一) 地表变形对建筑物的影响：在采空区场地进行建筑时，必须考虑地表变形对建筑物安全稳定及正常使用的影响。建筑所处的位置不同，其地表变形的类型与大小各异，使建筑物遭受的破坏程度和方式都是不一样的。地表变形类型不同，对建筑物的影响也是不同的。 地表变形对建筑物的破坏作用，常是几种变形同时作用的结果。
(二) 建筑物的允许变形和破坏等级划分：各类建筑地基的允许变形可参考国标GBJ7-89《建筑地基基础设计规范。根据各类地表变形值的大小，可将砖石结构建筑物的破坏等级划分为如表13-20的4级。 在建筑物下采矿时，应根据预测的变形值及其对建筑物的破坏程度，对建筑物
采取加固措施。
(三) 场地的建筑适宜性评价：在采空区建筑时，应根据地表变形特征、所处的阶段、变形值大小和上覆岩层稳定性进行建筑适宜性分区，划分出不宜建筑的场地、相对稳定可以建筑的场地和较稳定须经处理后才能建筑的场地三类。
1)不宜建筑的场地：这是指经预测变形超过建筑物允许变形值，将使建筑物产生严重破坏，甚至有倒塌危险，严重影响建筑物安全稳定的场地。具体有如下几种场地不宜建筑：①在开采过程中及其以后可能产生台阶、裂缝和塌陷坑等非连续变形的地段；②处于地表变形活跃阶段的地段；③特厚煤层和倾角大于55°的厚煤层的露头地段。④由于地表变形可能引起边坡失稳和山崩的地段；⑤地下水位埋深小于下沉量与建筑物基础埋深之和的地段。
2)相对稳定的场地：这是指地表变形趋于稳定，且无重复开采可能的地表移动盆地的中间区或预测的地表变形小于建筑物允许变形，即地表倾斜T＜3mm/m，曲率K＜0.2×10-3mm/m2及水平变形ε＜2mm/m
的地段。
3)较稳定的场地：这是指稳定性介于以上两者之间，须进行结构或地基方面的特殊处理或加固才能建筑的场地。属于这类场地的有：①采空区采深采厚比小于30的地段；②预测地表变形值处于以下范围内的地段，即地表倾斜T=3～10mm/m或曲率K=0.2～0.6×10-3mm/m2或水平变形ε=2～6mm/m；③老采空区可能活化或有较大残余变形影响的地段；④采深小、上覆岩层坚硬并采用非正规开采方法掘进的采空区地段。
四、 采空区场地的建筑设计原则
在地下采空区场地建筑时，应在充分掌握地表移动和变形规律，分析地表变形对建筑物影响
的基础上，合理规划并采取有效的结构与建筑措施，以减少地表变形对建筑物的影响，保证建筑物安全稳定与正常使用。
(一) 建筑规划
首先根据地表变形分析预测结果和建筑适宜性分区结果，选择有利的建筑场址；然后，规划各种建筑物的位置、型式和轴线方位等等
(二) 建筑措施
为了减少地下开采及地表变形对建筑物的影响，建筑上一般可采取如下措施： (1) 建筑物体型力求简单、对称，平面形状以矩形或方形为宜，且各部分高度相同。 (2) 设置沉降缝，将体型复杂、长度过长及各部分刚度或荷载相差较大的建筑物，划分为若干个体型简单、长度较短及刚度与荷载均匀的独立单元。
(三) 结构措施
为了提高建筑物抵抗地表变形引起的附加作用力的能力，结构上可采取如下措施：
(1) 采用混凝土或钢筋混凝土十字交叉条形基础，以增加基础的整体性和刚度。
(2) 设置圈梁和纵横贯通式对称承重墙，以增加建筑物的整体性和刚度，提高砖砌体的抗弯、抗剪和抗拉强度。
(3) 在地表曲率变形较大时，为提高墙体的抗剪强度，增加建筑物的整体刚度，可在墙内受剪力较大或单元墙体转角部位，设置钢筋混凝土构造柱等。
除建筑和结构措施外，改进开采工艺和顶板管理方法也是防止地表和建筑物变形破坏的有效措施。
五、 地下采空区场地勘察要点
地下采空区勘察的主要目的是查明老采空区的分布范围、埋深、充填程度及上覆岩层的稳定性，预测现采空区和未来采空区的地表变形特征和规律，为建筑工程选址、设计和施工提供可靠的地质和岩土工程资料。采空区勘察主要通过资料搜集、地面调查，辅以物探、钻探和地表变形观测等进行。
具体内容如下：
(1) 矿区地层岩性、地质构造及水文地质条件。
(2) 矿层的分布、层数、厚度、倾角、埋深及上覆岩层性质。
(3) 开采方法、深度、厚度、顶板管理方法、开采边界及工作面推进方向与速度。
(4) 地表变形特征和分布规律，包括地表陷坑、台阶及裂缝的位置、形状、大小、深度、延伸方向及其与采空区、地质构造、开采边界及工作面推进方向等的关系。
(5) 对老采空区应通过调查访问和物探、钻探工作查明采空区的分布范围、采厚、埋深、充填情况和密实程度、开采时间、方式，评价上覆岩层的稳定性，预测残余变形的影响，判定作为建筑场地的适宜性和应采取的措施。
(6) 对现采空区和未来采空区，应分析预测地表移动盆地的特征，划分出中间区、内边缘区
和外边缘区。计算地表下沉、倾斜、曲率、水平位移和变形等值的大小。根据建筑物的允许变形判断对建筑物的危害程度，提出加固保护方案和措施。
(7) 采空区附近的抽、排水情况及对采空区稳定性的影响。
(8) 已有建筑物的类型、结构及其对地表变形的适宜程度和建筑经验等。
(9) 建筑场地的地形及地基岩土物理力学性质。
13.10 地下洞室岩土工程勘察要点
地下洞室岩土工程勘察的目的，是查明建筑地区的岩土工程地质条件，选择优良的建筑场址、洞口及轴线方位，进行围岩分类和围岩稳定性评价，提出有关设计、施工参数及支护结构方案的建议，为地下洞室设计、施工提供可靠的岩土工程依据。整个勘察工作应与设计工作相适应地分阶段进行。
一、 可行性研究勘察及初步勘察
本阶段勘察的目的是选择优良的地下洞室位址和最佳轴线方位。
勘察研究内容有：①搜集已有地形、航卫片、区域地质、地震及岩土工程等方面的资料；②调查各比较洞线地貌、地层岩性、地质构造及物理地质现象等条件，查明是否存在不良地质因素，如性质不良岩层、与洞轴线平行或交角很小的断裂和断层破碎的存在与分布等；③调查洞室进出口和傍山浅埋地段的滑坡、泥石流、覆盖层等的分布，分析其所在山体的稳定性；④调查洞室沿线的水文地质条件，并注意是否有岩溶洞穴、矿山采空区等存在；⑤进行洞室工程地质分段和初步围岩分类。
勘察方法以工程地质测绘为主，辅以必要的物探、钻探与测试等工作。测绘比例尺一般为1∶5 000～1∶25 000。对可行性研究阶段的小比例尺测绘可在遥感资料解释的基础上进行。
本阶段的勘探以物探为主，主要用于探测覆盖层厚度及古河道、岩溶洞穴、断层破碎带和地下水的分布等。钻探孔距一般为200～500m，主要布置在洞室进出口、地形低洼处及有岩土工程问题存在的地段。钻探中应注意收集水文地质资料，并根据需要进行地下水动态观测和抽、压水试验。试验则以室内岩土物理力学试验为主。
二、 详细勘察
本阶段勘察是在已选定的洞址区进行。其勘察研究内容有：
①查明地下洞室沿线的工程地质条件。在地形复杂地段应注意过沟地段、傍山浅埋地段和进出口边坡的稳定条件。在地质条件复杂地段，应查明松软、膨胀、易溶及岩溶化地层的分布，以及岩体中各种结构面的分布、性质及其组合关系，并分析它们对围岩稳定性的影响。
②查明地下洞室地区的水文地质条件，预测涌水及突水的可能性、位置及最大涌水量。在可溶岩分布区还应查明岩溶发育规律，溶洞规模、充填情况及富水性。
③确定岩体物理力学参数，进行围岩分类，分析预测地下洞室围岩及进出口边坡的稳定性，提出处理建议。
④对大跨度洞室，还应查明主要软弱结构面的分布和组合关系，结合天然应力评价围岩稳定性，提出处理建议。
⑤提出施工方案及支护结构设计参数的建议。
本阶段工程地质测绘、勘探及测试等工作同时展开。
测绘主要补充校核可行性研究及初勘阶段的地质图件。在进出口、傍山浅埋及过沟等条件复杂地段可安排专门性工程地质测绘，比例尺一般为1∶1 000～1∶2 000或更大。
钻探孔距一般为100～200m，城市地区洞室的孔距不宜大于100m，洞口及地质条件复杂的地段不宜少于3个孔。孔深应超过洞底设计标高3～5m，当遇破碎带、溶洞、暗河等不良地质条件时，还应适当调整其孔距和孔深。
在水文地质条件复杂地段，应有适当的水文地质孔，以求取岩层水文地质参数。坑、洞探主要布置在进出口及过沟等地段，同时结合孔探和坑、洞探，以围岩分类为基础，分组采取岩样进行室内岩土力学试验及原位岩土体力学试验，测定岩石、岩土体和结构面的力学参数。
对于埋深很大的大型洞室，还需进行天然应力及地温测定，在条件允许时宜进行模拟试验。
三、 施工勘察
本阶段勘察主要根据导洞所揭露的地质情况，验证已有地质资料和围岩分类，对围岩稳定性和涌水情况进行预测预报。
本阶段的工作主要是编制导洞展示图，比例尺一般为1∶50～1∶200，同时进行涌水与围岩变形观测。
必要时可进行超前勘探，对不良地质条件进行超前预报。超前勘探常用地质雷达、水平钻孔及声波探测等手段，超前勘探预报深度一般为5～10m。
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