水工隧洞與廢棄礦洞的穩(wěn)定性相互影響分析

□黃　凱□陳　楠□張俊峰□王國(guó)振（豫東水利工程管理局；河南省水利廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心)

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水工隧洞與廢棄礦洞的穩(wěn)定性相互影響分析

□黃凱1□陳楠1□張俊峰1□王國(guó)振2
（1豫東水利工程管理局；2河南省水利廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心)

摘要：巖體的穩(wěn)定性對(duì)水工隧洞的安全運(yùn)行有著重要的影響，采用差分法結(jié)合非線(xiàn)性巖石力學(xué)模型，針對(duì)老礦區(qū)上部水工隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過(guò)不同的研究方案表明：隧洞開(kāi)挖過(guò)程中巖體能夠滿(mǎn)足自身的穩(wěn)定要求，但是由于礦洞的長(zhǎng)期風(fēng)化，巖石強(qiáng)度降低，在不進(jìn)行任何處理措施情況下，隧洞的開(kāi)挖導(dǎo)致老礦洞頂部出現(xiàn)較大的應(yīng)力區(qū)和塑性區(qū)，且礦洞存在可能坍塌的危險(xiǎn)；在隧洞開(kāi)挖前對(duì)礦洞采取相應(yīng)的加固措施，增強(qiáng)礦洞自身的穩(wěn)定性，可減小隧洞施工對(duì)礦洞的影響，從而保證整個(gè)工程的正常運(yùn)行。關(guān)鍵詞：水工隧洞；礦洞采空區(qū)；圍巖穩(wěn)定性；塑性區(qū)

0　前言

圍巖的穩(wěn)定性對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程及其正常運(yùn)行有著重要的影響，水利工程中的隧洞在開(kāi)挖之前首先要探明巖石的力學(xué)性能，且根據(jù)隧洞的主要功能等相關(guān)因素確定其埋藏深度，選取有利的地質(zhì)條件，以保證隧洞的開(kāi)挖安全和正常運(yùn)行。對(duì)于巖體較為完整的山體而言，隧洞開(kāi)挖后穩(wěn)定性較好；對(duì)于含有較多斷層、層面、節(jié)理等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞，隧洞開(kāi)挖后的穩(wěn)定性問(wèn)題較為復(fù)雜，不僅要對(duì)隧洞所在區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行充分的調(diào)查，還要對(duì)隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。隨著數(shù)值模擬手段和科學(xué)理論水平的提高，可以對(duì)復(fù)雜巖體條件下的隧洞穩(wěn)定性進(jìn)行較好的模擬分析。原先凡等[1]通過(guò)有限元程序和FLAC3D對(duì)不同埋深和不同斷面尺寸隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，得出不同埋深情況下卸荷作用對(duì)隧洞圍巖變形的影響，斷面尺寸對(duì)不同埋深情況的隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，并給出了相應(yīng)的規(guī)律。陳慶蘇等[2]采用解析計(jì)算和數(shù)值模擬分析隧道埋深、初始地應(yīng)力、跨度、側(cè)壓力系數(shù)、隧道斷面形狀及巖體物理力學(xué)參數(shù)對(duì)隧道圍巖松動(dòng)壓力的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。趙大洲等[3]對(duì)砂板互層巖體中隧圍巖的變形及其對(duì)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)的影響進(jìn)行了研究。鄭穎人等[4]采用有限元強(qiáng)度折減法，通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析方法對(duì)不同埋深下隧洞破壞過(guò)程進(jìn)行了分析。

許多學(xué)者針對(duì)巖體的節(jié)理、斷層等復(fù)雜條件的隧洞穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，得出了許多有意義的結(jié)論，但針對(duì)于人工開(kāi)挖礦洞區(qū)域興建隧洞的研究文獻(xiàn)很少，特別是對(duì)于新中國(guó)成立以前的老礦洞，由于未經(jīng)過(guò)合理的開(kāi)采和相應(yīng)的處理措施，導(dǎo)致地質(zhì)條件惡化。本文結(jié)合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用大型巖土工程差分軟件flac3d對(duì)老礦洞上部開(kāi)挖隧洞圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。

1　數(shù)值模型

電站引水隧洞從礦洞的老采空區(qū)上方通過(guò)，下方為百年老采空區(qū)，跨度較大，基本未留礦柱，采空區(qū)頂距引水隧洞底板巖石厚度為8.61～20.42 m，隧洞直徑4 m，采空區(qū)上部隧洞襯砌采用鋼筋混凝土（厚40 cm，單層鋼筋）。從現(xiàn)場(chǎng)踏勘知，由于風(fēng)化作用，采空區(qū)洞壁、洞頂部分已風(fēng)化成砂狀，由于溶蝕、風(fēng)化，洞壁、洞頂有塌落現(xiàn)象，不僅對(duì)礦山安全造成威脅，而且可能對(duì)引水隧洞正常運(yùn)行造成威脅。

礦洞采空區(qū)地層為二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）淺灰～深灰色致密隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖體堅(jiān)硬、完整、連續(xù)性好，為中厚層——巨厚層或塊狀結(jié)構(gòu)。

1.1計(jì)算工況

工況一不考慮回填，即認(rèn)為隧洞運(yùn)行時(shí)，采空區(qū)未進(jìn)行回填處理；工況二考慮礦區(qū)回填的影響，即認(rèn)為隧洞運(yùn)行時(shí)，采空區(qū)回填已經(jīng)完成；計(jì)算采用的工況如表1。

表1　計(jì)算工況及荷載組合表

1.2巖石力學(xué)參數(shù)

引水隧洞圍巖和舊礦洞巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　材料物理參數(shù)表

1.3計(jì)算模型

針對(duì)工程實(shí)際情況及引水隧洞與礦洞的主要影響范圍，選取礦洞采空區(qū)上部的一段隧洞，計(jì)算模型長(zhǎng)度為40 m，隧洞直徑4 m，襯砌厚度為0.40 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

坐標(biāo)軸定義：三軸的方向確定如下：

X軸：垂直洞軸線(xiàn)方向，沿洞軸線(xiàn)方向上看從左到右為正；

Z軸：垂直方向，由下至上為正；

Y軸：沿洞軸線(xiàn)方向，符合右手螺旋定則。

數(shù)值模擬采用分步方式模擬開(kāi)挖過(guò)程及襯砌。計(jì)算模型如圖1和圖2。

圖1　隧洞與礦洞采空區(qū)模型整體圖

圖2　隧洞與礦洞采空區(qū)空間相對(duì)位置圖

3　模擬結(jié)果

3.1工況一

本工況考慮隧洞下部采空區(qū)的影響，即認(rèn)為采空區(qū)在自身作用下已基本沉降完畢，隧洞開(kāi)挖后，由于采空區(qū)的存在，分析隧洞在正常運(yùn)行下對(duì)周邊巖石的影響范圍及隧洞自身安全。計(jì)算過(guò)程分為四步，第一步為計(jì)算自重應(yīng)力場(chǎng)；第二步為開(kāi)挖隧洞；第三步為施加襯砌；第四步為施加水壓力。

3.1.1應(yīng)力分析

開(kāi)挖完成后，巖體的最大壓應(yīng)力為-13.1MPa，主要位于隧洞腰線(xiàn)；襯砌完成后，巖體上的最大壓應(yīng)力為-12.7MPa，位于隧洞腰線(xiàn)；施加水荷載以后，巖體上的最大壓應(yīng)力為-12.3MPa，位于隧洞腰線(xiàn)；在整個(gè)過(guò)程中，巖體和襯砌并未出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū)。圖3給出了水壓力荷載作用下襯砌的第三主應(yīng)力圖。

圖3　水壓力荷載作用下第三主應(yīng)力圖

圖4　水壓力荷載作用下綜合位移矢量圖

3.1.2位移計(jì)算結(jié)果

隧洞開(kāi)挖完成后，洞身巖體豎向位移最大值為1.38 mm，出現(xiàn)在洞底，方向向上，而洞頂最大位移為-1.24 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值為-0.36 mm，出現(xiàn)在洞腰處。襯砌完成后，洞頂巖體豎向位移最大值為-1.25 mm，方向向下，洞底最大位移為1.37 mm，方向向上，即襯砌的完成抑制了巖體位移的進(jìn)一步擴(kuò)大。在水荷載作用下，洞底最大位移為1.38 mm，方向向上，而洞頂最大位移為-1.16 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值為-0.32 mm，出現(xiàn)在兩側(cè)洞腰。圖4給出了水壓力荷載作用下襯砌的綜合位移圖。

3.2工況二

在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行漿砌石回填，并對(duì)采空區(qū)上部巖石風(fēng)化區(qū)進(jìn)行固結(jié)灌漿，分析隧洞在正常運(yùn)行下對(duì)周邊巖石的影響范圍及隧洞自身安全。計(jì)算過(guò)程分為五步，第一步為計(jì)算自重應(yīng)力場(chǎng)；第二步為漿砌石回填；第三步為開(kāi)挖隧洞；第四步為施加襯砌；第五步為施加水壓力。

3.2.1應(yīng)力分析

隧洞開(kāi)挖后，洞身周?chē)鷰r體出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力區(qū)，巖體的最大壓應(yīng)力為-13.00 MPa，主要位于隧洞腰線(xiàn)，洞頂和洞底的壓應(yīng)力明顯小于隧洞兩側(cè)腰線(xiàn)的壓應(yīng)力；兩側(cè)巖體壓應(yīng)力值遞減較快，在1.50 m的范圍內(nèi)減小到-9.00 MPa左右，在3 m的范圍內(nèi)減小為-6.00 MPa，4 m以外的巖體的壓應(yīng)力變化梯度不大；在開(kāi)挖過(guò)程中的巖體的應(yīng)力變化較大，開(kāi)挖完成后，在開(kāi)挖面上存在較大的壓應(yīng)力。

襯砌完成后，巖體上的最大壓應(yīng)力為-12.53 MPa，位于隧洞腰線(xiàn)。襯砌上出現(xiàn)了壓應(yīng)力區(qū)，最大值分布在隧洞腰線(xiàn)，最大壓應(yīng)力為-8 MPa，出現(xiàn)在襯砌外側(cè)與巖體連接部位，而襯砌內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力則較小，不超過(guò)-2 MPa。由于襯砌承受了一定的應(yīng)力，則巖體上的壓應(yīng)力有所減小。

施加水壓力后，巖體和襯砌的壓應(yīng)力減小，但是變化較小。巖體上的最大壓應(yīng)力為-12.39 MPa，位于隧洞腰線(xiàn)。襯砌上最大壓應(yīng)力仍出現(xiàn)在隧洞腰線(xiàn)，最大壓應(yīng)力為-7.00 MPa，即在水壓力作用下，襯砌上的壓應(yīng)力有所減小。圖5給出了水壓力荷載作用下襯砌的第三主應(yīng)力圖。

圖5　水壓力荷載作用下第三主應(yīng)力圖

圖6　水壓力荷載作用下綜合位移矢量圖

3.2.2位移計(jì)算結(jié)果

隧洞開(kāi)挖完成后，洞底巖體豎向位移最大值為1.35 mm，方向向上，洞頂最大位移為-1.24 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值為-0.36 mm，出現(xiàn)在洞腰處。襯砌完成后，洞頂豎向位移最大值為-1.25 mm，方向向下；洞底最大位移為1.34 mm，方向向上。垂直水流方向的位移值較開(kāi)挖后也無(wú)明顯變化。水荷載作用下，洞頂最大位移為-1.25 mm，方向向下；洞底最大位移為1.34 mm，方向向上；垂直水流方向的位移最大值為-0.36 mm，出現(xiàn)在兩側(cè)洞腰。

根據(jù)以上結(jié)果，隧洞開(kāi)挖后，洞身產(chǎn)生一定的變形；而施加水壓力后，位移有一定的變化，洞身的壓縮變形有所減小。由于自重應(yīng)力場(chǎng)的存在，開(kāi)挖后在洞底出現(xiàn)明顯的反拱現(xiàn)象，導(dǎo)致洞底出現(xiàn)向上的位移。圖6給出了水壓力荷載作用下襯砌的綜合位移圖。

3.3塑性區(qū)分析

根據(jù)以上應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填前后的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果變化不大。為了進(jìn)一步研究隧洞存在條件下巖體的穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)采空區(qū)在進(jìn)行回填前后是否存在塑性區(qū)進(jìn)行分析，以確定巖體是否破壞。

根據(jù)相關(guān)資料，采空區(qū)存在一定的風(fēng)化層，該部分的巖體材料參數(shù)相對(duì)較小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，在采空區(qū)回填前（工況一），隧洞開(kāi)挖后以及隧洞運(yùn)行條件下，在采空區(qū)出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)，塑性區(qū)主要在采空區(qū)的邊界處，即在采空區(qū)的邊角處巖體破壞較大，同時(shí)在隧洞下部的采空區(qū)頂部也出現(xiàn)了少量的塑性區(qū)，由此可知，采空區(qū)邊界處和隧洞下部的采空區(qū)頂部巖體已經(jīng)發(fā)生破壞，對(duì)巖體整體穩(wěn)定性存在較大的影響，故需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填處理后（工況二），巖體的整體性提高，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，回填處理后并未出現(xiàn)塑性區(qū)，即該部分的穩(wěn)定性提高，破壞區(qū)減小。具體見(jiàn)圖7。

圖7　采空區(qū)巖體塑性區(qū)分布圖

4　結(jié)論

采用分步模擬的方式對(duì)隧洞及周邊巖體的應(yīng)力、位移及塑形區(qū)進(jìn)行分析，隧洞的開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r體的應(yīng)力重分布存在較大影響，從而影響礦洞的穩(wěn)定。對(duì)于隧洞而言，由于周?chē)鷰r體強(qiáng)度及襯砌的共同作用，隧洞滿(mǎn)足自身穩(wěn)定要求；但是由于隧洞的開(kāi)挖造成巖體應(yīng)力的重分布，從而影響礦洞頂部應(yīng)力，根據(jù)礦洞采空區(qū)處理前后巖體塑性區(qū)開(kāi)展情況分析，未處理前巖體塑性區(qū)較大，處理后幾乎不出現(xiàn)塑性區(qū)。由此可見(jiàn)，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的處理，減小塑性區(qū)，以滿(mǎn)足巖體的整體穩(wěn)定要求。

參考文獻(xiàn)

[1]原先凡，鄧華鋒，宛良朋，等．埋深及斷面尺寸對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響［J］.人民黃河，2013，35（6）: 100-102.

[2]陳慶，盧珂，韓聰.巖質(zhì)隧道圍巖壓力影響因素分析［J］.人民黃河，2013，35（6）: 134-137.收稿日期：2015-12-29

（責(zé)任編輯：劉青）

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文章編號(hào)：1673-8853（2016）03-0119-03