淺談坑道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

董言斌，齊文斌

吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六〇五隊(duì)，吉林 延吉 133001

坑探作為地質(zhì)勘查工作的一種手段，已廣泛的應(yīng)用在勘查工作中。在開挖地下坑道的過程中，圍巖穩(wěn)定性問題已關(guān)系到施工安全、工程進(jìn)度、材料的消耗和坑道的使用。因此，基于坑道圍巖穩(wěn)定性分析、監(jiān)測(cè)，已經(jīng)成為坑道正常施工和使用的重要組成部分[1]。成功的監(jiān)測(cè)將及時(shí)揭露勘察階段未發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)問題，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，防范于未然。

本文首先采用FLAC3D對(duì)延吉市八道金礦深埋坑道的開挖過程進(jìn)行模擬，從坑道圍巖的應(yīng)力、變形位移及塑性區(qū)等方面進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)坑道施工過程中圍巖形變大的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為坑道施工安全及支護(hù)方案提供了一定的參考依據(jù)。

1 FLAC3D簡(jiǎn)介

FLAC3D（fast LaGrange analysis of continua in 3 dimension）是一款運(yùn)用有顯示限差分方法對(duì)巖土或其它材料的三維力學(xué)行為進(jìn)行模擬的軟件。由美國(guó)Itasca 軟件公司編制開發(fā),在20 世紀(jì)90 年代初期才引入中國(guó)，主要應(yīng)用于工程地質(zhì)和巖土力學(xué)分析,如礦體滑坡、淺基和深基工程 ,坑道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)、水利樞紐巖體穩(wěn)定性等[1]?？梢跃_的模擬屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至破壞的整個(gè)過程[2]。

2 工程概況

延吉八道金礦坑探工程的布置主要是為詳查階段探求首采區(qū)高級(jí)儲(chǔ)量及為未來礦山開采所利用，坑道軸線大致呈近E-W 向展布，總長(zhǎng)約5.88 km，設(shè)計(jì)斷面為長(zhǎng)方形。

礦區(qū)位于吉林省長(zhǎng)白山脈北麓英額嶺北部，中低山侵蝕剝蝕區(qū)。礦區(qū)山巒起伏，多呈尖棱角狀，海拔標(biāo)高300～-660 m，當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面標(biāo)高300 m。地形坡度20°～35°，局部山體陡峭，坡度角大于45°。區(qū)內(nèi)發(fā)育的河流主要是小煙集河和朝陽河，自北西向南東流匯入布爾哈通河。地下水埋深一般為7.0～15.0 m 之間，根據(jù)年降水量的大小而有所變化?？拥绹鷰r主要由燕山期細(xì)粒花崗巖和鉀長(zhǎng)花崗巖、侏羅系安山巖、無斑安山巖、石英安山巖、安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r等構(gòu)成。礦區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，風(fēng)化裂隙也較發(fā)育，工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬于中等。礦區(qū)開采必然會(huì)引發(fā)一些環(huán)境工程地質(zhì)問題，尤其是露天開采邊坡的穩(wěn)定性和井巷開采井巷圍巖穩(wěn)固性問題。

3 計(jì)算模型

因坑道工程總長(zhǎng)較大，本文僅對(duì)埋深400 m 的坑道進(jìn)行模擬分析。巖性主要為侏羅系安山巖、石英安山巖、安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r，開挖坑道長(zhǎng)度80 m，寬度3 m，高度3.5 m。本次數(shù)值模擬為靜力模擬，計(jì)算域邊界采取靜力邊界條件下的位移約束。因此，計(jì)算模型的6 個(gè)面采取相應(yīng)位移約束和地應(yīng)力的施加。根據(jù)早期地質(zhì)勘探報(bào)告和坑道實(shí)際情況，對(duì)實(shí)體單元模型施加等效的地應(yīng)力作用，施加到模型上的垂直應(yīng)力為巖體自重應(yīng)力，水平應(yīng)力的大小為巖體的垂直應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)的乘積。屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。取水平向右為X 軸正向，豎直向上為Z 軸正向，沿洞室軸線方向?yàn)閅 軸。巖體數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Rock mass parameters of physical and mechanics

4 模擬結(jié)果與分析

本文利用FLAC3D對(duì)埋深400 m 坑道開挖過程進(jìn)行模擬，掘進(jìn)過程中不進(jìn)行支護(hù)。對(duì)坑道受力云圖及形變?cè)茍D進(jìn)行分析研究，結(jié)果如下：

圖1 坑道X向應(yīng)力云圖Fig.1 The stress nephogram of the simulated tunnel in the X axis

（1）由圖1、2 應(yīng)力云圖和3 剪力分布圖4 的塑性區(qū)分布圖可知： 在坑道開挖之前，圍巖巖體處于原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，由于坑道的開挖，導(dǎo)致巖體初始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，洞周巖體發(fā)生卸荷回彈等應(yīng)力重分布作用，卸荷后巖體質(zhì)量降低，微裂隙擴(kuò)大并貫通，在二次應(yīng)力擾動(dòng)下，洞周圍巖進(jìn)入塑性區(qū)，從而使圍巖的強(qiáng)度降低，致使隧洞圍巖穩(wěn)定性下降。（圖中負(fù)為壓應(yīng)力，正為拉應(yīng)力,應(yīng)力單位為Pa）。

（2）由圖5、6 的位移圖可知：坑道開挖后，使坑道的圍巖失去了原有的支撐，圍巖要向坑道內(nèi)空間松脹位移[3]。左右兩側(cè)洞壁最大產(chǎn)生1.07 ㎝的位移，坑道頂?shù)南鲁廖灰坡源笥诘装宓幕貜椢灰?，此時(shí)頂拱位移達(dá)2.85 cm，底板的位移達(dá)2.50 cm。越遠(yuǎn)離坑道壁的地方，巖體內(nèi)部受力越趨于自然應(yīng)力狀態(tài)，從而由開挖導(dǎo)致的變形就越小（圖中位移單位為m）。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過利用FLAC3D軟件對(duì)不支護(hù)坑道開挖過程模擬，可以很好的對(duì)圍巖的受力部位和位移情況進(jìn)行了解。這樣就可以在關(guān)鍵部位設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)坑道施工過程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行觀測(cè)。本工程我們?cè)诳拥理敼?、底板和腰線按5 m 間距均勻布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。通過不間斷的觀測(cè)，對(duì)不支護(hù)坑道開挖過程中圍巖徑向位移變化情況總結(jié)如表2。

6 結(jié)論

圖2 坑道Z向應(yīng)力云圖Fig. 2 The stress nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

圖3 坑道剪力分布圖Fig. 3 The shear stress distribution diagram in the simulated tunnel

圖4 坑道塑性區(qū)分布圖Fig. 4 The distribution of plastic zone in the simulated tunnel

圖5 坑道X向位移云圖Fig. 5 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the X axis

圖6 坑道Z向位移云圖Fig. 6 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

表2 無支護(hù)條件下圍巖位移變化情況Table 2 Displacement change of surrounding rock without supporting

綜上所述，在無支護(hù)狀態(tài)下坑道開挖后引起了圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化。結(jié)合《巖體基本質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》和監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，坑道所處的安山巖圍巖中有裂隙發(fā)育，巖石飽和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)較低，整體性較差。由于坑道開挖后圍巖應(yīng)力的不斷釋放導(dǎo)致徑向位移的加大，致使坑道在無支護(hù)條件下不具有長(zhǎng)期的自穩(wěn)能力，必須進(jìn)行合理可行的支護(hù)處理。

[1] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2008.

[2] 尹清鋒,白 冰. FLAC3D及其在地下空間開挖分析中的一些問題[J] .西部探礦工程，2005,11：1-4.

[3] 馮景偉. 深埋隧道圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)研究[D].陜西：西安科技大學(xué), 2009.