《Geosciences》：Stability Assessment of Volcanic Lava Tubes Using Engineering Rock Mass Classifications and an Empirical Approach
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火山洞穴，通常称为熔岩管，是典型浅层地下洞穴，由玄武岩熔岩流在冷却较快并充当热绝缘体的顶板或外壳下冷却形成。这些洞穴可作为旅游景点，此时必须分析并确保其稳定性。经验性岩体分类系统（此处应用了Q指数（Q-index））已被用于评估地下开挖（矿山和隧道）的稳定性，
火山洞穴，通常称为熔岩管，是典型浅层地下洞穴，由玄武岩熔岩流在冷却较快并充当热绝缘体的顶板或外壳下冷却形成。这些洞穴可作为旅游景点，此时必须分析并确保其稳定性。经验性岩体分类系统（此处应用了Q指数（Q-index））已被用于评估地下开挖（矿山和隧道）的稳定性，包括天然洞穴。研究人员发现这些方法存在局限性，特别是在融合关键几何参数（如顶板厚度和洞穴长度）方面。本研究分析了缩放跨度法（SSM）在火山洞穴中的适用性。该方法最初是为浅层矿山中顶柱稳定性的评估而开发的。研究人员建立了一个位于加那利群岛（西班牙）、加拉帕戈斯群岛（厄瓜多尔）和约旦的熔岩管（洞穴）数据集。在本研究中，研究人员利用Q系统（Q-system）进行了地质力学表征，并基于洞穴几何形状和岩体性质应用了缩放跨度法（SSM）来评估稳定性。结果表明，总体而言，与Q系统（Q-system）相比，缩放跨度法（SSM）得出的稳定性估计更为保守，特别是对于顶板厚度有限的浅层洞穴。然而，在若干案例中观察到两种方法之间存在差异，这凸显了将针对矿山开挖开发的经验方法直接转移至天然洞穴系统的局限性。这些差异强调了需要谨慎解释，并在适当时进行补充稳定性分析。缩放跨度法（SSM）对于火山洞穴稳定性的初步评估有用，特别是在预计与地表存在潜在相互作用（如上方有建筑物或道路）的情况下。然而，由于工程化的矿山开挖与天然地下洞穴之间存在根本差异，其应用需要调整和批判性评估。
论文解读文章
**研究背景与问题**
火山熔岩管（lava tubes）是玄武岩熔岩流冷却过程中形成的浅层地下洞穴，常见于火山区域如加那利群岛、加拉帕戈斯群岛和约旦的哈拉特·阿尔沙姆（Harrat al Shaam）火山场。这些天然洞穴常作为旅游景点，其稳定性直接关系到游客安全和地表基础设施（如建筑物、道路）的完整性。然而，熔岩管的稳定性评估面临挑战：传统岩体分类系统（如Q系统（Q-system））虽广泛用于矿山和隧道，但未明确纳入关键几何参数（如顶板厚度和跨度），导致对浅层洞穴的预测能力有限。此外，矿山开挖与天然洞穴在几何不规则性、岩体异质性和破坏机制上存在根本差异，直接移植经验方法可能产生误导。因此，本研究旨在评估缩放跨度法（SSM）在火山熔岩管中的适用性，并与Q系统（Q-system）对比，以建立更可靠的初步稳定性评估框架。
**研究方法**
研究人员采用的主要技术方法包括：1）现场地质力学调查，在加那利群岛（兰萨罗特岛）、加拉帕戈斯群岛（圣克鲁斯岛）和约旦哈拉特·阿尔沙姆（Harrat al Shaam）的15个熔岩管系统中设置观测站点，测量洞穴几何参数（高度、宽度、跨度）并利用施密特锤（Schmidt hammer）估算单轴抗压强度（UCS），同时记录不连续面特征；2）基于Q系统（Q-system）计算岩体质量指数，参数包括岩石质量指标（RQD）、节理组数（J
n）、节理粗糙度系数（J
r）、节理蚀变系数（J
a）、节理水折减系数（J
w）和应力折减系数（SRF）；3）应用缩放跨度法（SSM），通过公式C
s = (S × γ) / (T × SR × cosθ) 计算缩放跨度，其中S为实际跨度，γ为岩石单位重量，T为顶板厚度，SR为跨度与长度比，θ为矿体倾角（天然洞穴中取0°以保守估计），并利用Rocscience CPillar v5软件分析；4）将SSM结果与Q系统分类及现场视觉稳定性分类（稳定、轻微不稳定、不稳定）进行对比。
**研究结果**
**4.1 Q指数确定**
通过现场测量和参数计算，研究人员获得了各洞穴的Q指数（Q-index）值。结果显示，大部分洞穴的岩体质量处于中等至良好范围，但部分洞穴（如Jameo hundido）因节理发育和应力条件较差，Q指数较低，被归类为不稳定区域。图9展示了基于Q系统（Q-system）稳定性图表的分类，其中稳定区与过渡区界限明确。
**4.2 缩放跨度法稳定性评估**
应用缩放跨度法（SSM）后，研究人员计算了各洞穴的缩放跨度（C
s）和安全系数（FoS）。结果（表4、图10）显示，若干洞穴（如编号1、2、3、4、6）在SSM稳定性图中靠近或进入失效过渡区，表明其破坏概率较高。相比之下，Q系统（Q-system）将部分相同洞穴（如1、2、4）归类为稳定。这种差异突出了SSM对几何参数（尤其是顶板厚度和跨度）的敏感性。现场视觉观察验证了部分案例：例如Jameo hundido被识别为不稳定或部分坍塌，与SSM和Q系统一致；而Cueva de los Verdes auditorio等则被一致判定为稳定。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，两种方法在识别稳定与不稳定状态上总体一致，但在浅层洞穴中，SSM因明确纳入几何控制而更保守，能捕捉到Q系统忽略的局部破坏风险。然而，SSM源自矿山顶柱设计，直接应用于天然洞穴需谨慎，因其几何不规则性和破坏机制差异。研究结论强调，Q系统（Q-system）和缩放跨度法（SSM）的组合提供了更全面的初步评估框架，但两者均属筛选工具，需结合现场具体分析进行风险评价。未来工作应扩展数据集并进一步探索岩体分类与几何方法的关系。该研究发表于《Geosciences》，为火山熔岩管稳定性评估提供了实用方法，尤其适用于浅层且与地表可能相互作用的环境。
