劉士洋,高 峰
(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)
隨著公路工程建設(shè)的發(fā)展,公路隧道不斷增多,穿越采空區(qū)的隧道也逐漸增多。采空區(qū)隧道不僅在施工中存在諸多風(fēng)險(xiǎn),運(yùn)營期間地層的變形也會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響;目前,尚缺少采空區(qū)地層變形對(duì)運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)研究。方勇、崔戈等采用模型試驗(yàn)的方法,得出了隧道下穿煤層采空區(qū)開挖過程中地層的移動(dòng)規(guī)律以及初期支護(hù)的受力特征[1-2];文獻(xiàn)[3]~[5]對(duì)采空區(qū)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;王少斌[6]對(duì)柏樹底鐵路隧道地下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;李曉紅等[7-8]結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)西山坪隧道穿煤及采空區(qū)圍巖變形特性進(jìn)行了研究,剖析了采空區(qū)對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響,論述了采空區(qū)的治理措施;文獻(xiàn)[9]~[14]介紹了公路隧道穿越采空區(qū)的處治技術(shù);廖沛源等[15]對(duì)采空區(qū)地層變形產(chǎn)生的隧道附加荷載進(jìn)行了計(jì)算分析,得出了采空區(qū)地層容許彎曲變形和水平應(yīng)變數(shù)值;梁建平等[16]通過雙曲線預(yù)測模型和灰色預(yù)測模型,建立了穿越采空區(qū)公路隧道地表沉陷預(yù)測模型和分析方法。目前,對(duì)穿越采空區(qū)隧道運(yùn)營時(shí)出現(xiàn)病害的相關(guān)研究成果較少,因此有必要結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際對(duì)穿越采空區(qū)的運(yùn)營隧道進(jìn)行分析探討。
本文依托巴岳山隧道工程,探討采空區(qū)沉陷對(duì)運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)的影響,以期為隧道的維修加固提供指導(dǎo)建議。
2014年9月4日,巴岳山隧道K35+162~K35+171段二次襯砌混凝土表面出現(xiàn)開裂,即隧道左線K35+168行車方向右側(cè)(大足至重慶方向)水溝電纜槽蓋板至拱腰處的襯砌邊墻,出現(xiàn)寬約1 cm左右的開裂,延伸高度約4 m,如圖1所示?,F(xiàn)場隨即開展監(jiān)測工作。
圖1 K35+168處襯砌開裂
2014年11月15日,隧道YK35+268處二次襯砌混凝土表面出現(xiàn)開裂,即隧道右線K35+268行車方向右側(cè)(重慶至大足方向)水溝電纜槽蓋板至拱腰處的襯砌邊墻,出現(xiàn)寬約3 cm左右的開裂,高度約6 m,如圖2所示。
圖2 YK35+268處襯砌開裂
2015年6月29日,隧道右線(重慶至大足方向)YK35+268處(與2014年11月15日出現(xiàn)裂縫位置相同)經(jīng)處理的裂縫繼續(xù)擴(kuò)展至隧道頂部,并且拱頂二襯混凝土表面出現(xiàn)開裂,襯砌拱頂、邊墻混凝土掉塊如圖3所示。
圖3 YK35+268處隧道裂縫擴(kuò)展及二襯砌混凝土掉塊
2016年7月7日,隧道左線(大足至重慶方向)ZK35+220處行車方向左側(cè)二襯混凝土表面出現(xiàn)開裂,襯砌邊墻混凝土掉塊(圖4),裂縫貫通。致使正在該路段正常行駛的一輛小客車輪胎爆裂,車輛失控,所幸未造成人員傷亡,但車輛輪胎、懸掛均造成較重的損壞。
圖4 ZK35+220處左洞二襯混凝土掉塊
2016年7月15日,隧道右線(重慶至大足方向)YK35+268處左側(cè)拱腰混凝土掉塊,經(jīng)處治的裂縫也發(fā)生變形,邊墻混凝土掉塊(圖5),裂縫(與2014年11月和2015年6月裂縫處于同一位置)貫通。由于存在安全隱患,為確保行車安全,執(zhí)法大隊(duì)對(duì)渝蓉高速全線進(jìn)行了強(qiáng)制交通關(guān)閉,全線道路中斷交通210 min。
圖5 YK35+268處右洞二襯混凝土掉塊
為了更好地分析巴岳山隧道變形產(chǎn)生的原因,下文對(duì)隧址區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行簡要闡述。
巴岳山隧道進(jìn)洞口位處銅梁縣圍龍鎮(zhèn)梅良寺,距公路約55 m,交通條件便利;出洞口位處于大足縣萬古鎮(zhèn)花朝門,距公路約100 m,交通條件便利。
隧道所在區(qū)域位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))、重慶臺(tái)坳(Ⅱ級(jí))、重慶陷褶束(Ⅲ級(jí))、華鎣山穹褶束(Ⅳ級(jí))、西山背斜(Ⅴ級(jí))。該背斜北起于銅梁縣東南4 km,南止成渝鐵路上的長河碥,南北端均傾沒消失于紅色地層之中,全長約52 km,寬4~5 km。背斜內(nèi)出露的最老地層為三疊系嘉陵江組石灰?guī)r,兩翼依次為三疊系須家河組、侏羅系自流井組、沙溪廟組地層。地層走向?yàn)镹20E~N50E,有較大的變化;背斜軸走向也有變化,使背斜南段略呈“弓”形彎曲,如圖6所示。
圖6 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造
隧道進(jìn)、出洞口走向玫瑰花圖見圖7、8。區(qū)內(nèi)未見大的斷裂構(gòu)造,西山背斜地質(zhì)構(gòu)造簡單。
圖7 進(jìn)口段裂隙走向玫瑰花圖
圖8 出口段裂隙走向玫瑰花圖
隧道里程K33+142~K33+192、K34+250~K34+337段的頁巖為隔水層,將嘉陵江組巖溶水封閉,使之成為一個(gè)獨(dú)立、封閉的水文地質(zhì)單元。地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給,一部分沿斜坡自流斜地多以濕地的方式排泄,另一部分下滲形成地下水,在煤層采空區(qū)及巷道處排泄,匯集后經(jīng)水泵或水溝排出地表,煤礦排水量見表1。
表1 煤礦排水量匯總
隧道施工和運(yùn)行期間,隧道左洞K33+740~K33+820段巖溶槽谷內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)巖溶塌陷落水洞:一個(gè)位于K33+760處右側(cè)10 m左右,在槽谷水溝附近,施工期間用水泥砂漿充填;另一個(gè)位于K33+820處右側(cè)60 m左右,位于田地一側(cè),塌陷面積約2 m2,直徑為1.5 m左右,表現(xiàn)為地面下沉0.5 m。據(jù)調(diào)查,遇大雨季節(jié),田地積水沿塌陷處下滲,有可能影響隧道。
隧道施工過程中,施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工,監(jiān)理單位對(duì)原材料、施工工藝進(jìn)行了嚴(yán)格的管控,隧道開挖成型較好,初期支護(hù)、二次襯砌質(zhì)量均得到了很好的控制。根據(jù)揭露的圍巖情況,業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、總承包、施工單位等各方通過工地會(huì)議的形式對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整加強(qiáng),質(zhì)監(jiān)局交工驗(yàn)收時(shí)采用雷達(dá)掃描未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。
2014年9月出現(xiàn)裂縫后,總承包部立即組織中鐵五院對(duì)裂縫處的隧道左線K35+110~YK35+210段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描和隧底鉆探,同時(shí)組織開展煤礦采空區(qū)調(diào)查工作,雷達(dá)掃描的結(jié)果為:除局部仰拱不密實(shí)外,側(cè)壁未發(fā)現(xiàn)明顯空洞,與施工記錄基本一致。
總承包部于2015年7月3日委托中鐵五院對(duì)巴岳山隧道右洞YK35+200~YK35+350段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測,掃描結(jié)果為:隧道右洞除個(gè)別地段圍巖破碎富水外,未發(fā)現(xiàn)隧道二襯脫空和仰拱充填不密實(shí)現(xiàn)象。
2016年7月29日渝蓉公司再次委托廣西交通科學(xué)研究院對(duì)隧道二襯、仰拱及仰拱填充情況進(jìn)行專項(xiàng)檢測。檢測結(jié)果為:隧道二次襯砌未見明顯異常,二次襯砌背后未見明顯不密實(shí)或脫空情況,二次襯砌內(nèi)部鋼筋信號(hào)明顯,與設(shè)計(jì)相符;局部仰拱充填不密實(shí)、有空洞,但仰拱充填的缺陷與隧道結(jié)構(gòu)的病害沒有直接的關(guān)系。
綜上所述,隧道施工質(zhì)量基本可靠,局部存在小缺陷,不至于造成二襯混凝土掉塊的病害發(fā)生。
4.2.1 地表移動(dòng)盆地的形成
在地表移動(dòng)盆地的形成過程中,逐漸改變了地表的原有形態(tài),會(huì)引起地表標(biāo)高、水平位置發(fā)生變化,從而導(dǎo)致位于影響范圍的建(構(gòu))筑物、鐵路、公路等的損壞。充分采動(dòng)后,隨著開采工作面的尺寸繼續(xù)擴(kuò)大,地表受影響的范圍也相應(yīng)擴(kuò)大,但地表的最大下沉值卻不再繼續(xù)增加,此時(shí)地表移動(dòng)盆地將出現(xiàn)平底。通常把地表移動(dòng)盆地內(nèi)只有一個(gè)點(diǎn)的下沉達(dá)到最大下沉值時(shí),對(duì)應(yīng)的采動(dòng)狀態(tài)稱為剛好達(dá)到充分采動(dòng),與之相對(duì)應(yīng)的開采稱為臨界開采,達(dá)到臨界開采時(shí)地表移動(dòng)盆地呈碗形。從地表移動(dòng)的力學(xué)過程及工程技術(shù)問題的需要出發(fā),地表移動(dòng)的狀態(tài)可用垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)進(jìn)行描述。常用的定量指標(biāo)有:下沉量、水平移動(dòng)、傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應(yīng)變。
4.2.2 地表移動(dòng)的影響因素
(1)覆巖組成及層位的影響。直接頂堅(jiān)硬、老頂軟弱,地表的下沉量小于直接頂軟弱、老頂堅(jiān)硬的地表下沉量;流沙層距采空區(qū)近比流砂層距采空區(qū)遠(yuǎn)的地表下沉量大。主要原因?yàn)?,流砂層距采空區(qū)遠(yuǎn),失水、失砂少,地表下沉量小。地表有軟弱覆蓋層比無軟弱覆蓋層時(shí),移動(dòng)更平緩、均勻,連續(xù)性更好。
(2)煤層傾角的影響。傾斜巖層與水平巖層相比,地表移動(dòng)、變形,失去對(duì)稱性和相似性,最大下沉點(diǎn)偏向下山方向,上山下沉曲線比下山陡,拐點(diǎn)偏向下山方向,上山方向水平位移增加,下山方向水平位移減少,最大拉伸變形在上山方向,最大壓縮變形在下山方向。左線K35+168處出現(xiàn)裂縫,而洞口明顯出現(xiàn)鼓脹壓縮變形。
(3)開采厚度的影響。采厚越大,冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度越大,地表移動(dòng)變形值也越大,移動(dòng)過程表現(xiàn)得越劇烈,巖層及地表移動(dòng)變形值與采厚成正比,即
W0=qmcosα
式中:W0為充分采動(dòng)時(shí)的最大下沉值(mm);m為采厚(mm);α為煤層傾角;q為下沉系數(shù),與巖性相關(guān),巖性越堅(jiān)硬,q越小,巖性越軟,q越大。
(4)開采深度的影響。隨著開采深度的增加,地表各種移動(dòng)變形值逐漸減小,地表移動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大,移動(dòng)盆地趨于平緩。各種變形值與采深成反比。
(5)采煤方法及頂板管理方法的影響。目前,在煤礦應(yīng)用最廣泛的管理方法有長壁垮落法、長壁充填法和條帶法三種。采用垮落法進(jìn)行長壁工作面開采時(shí),頂板巖層一般都要發(fā)生冒落和開裂性破壞,地表沉陷量較大,下沉系數(shù)為0.7~0.9。充填法采煤時(shí)對(duì)覆巖的破壞較小,地表移動(dòng)量也較小,水砂充填時(shí)地面下沉系數(shù)為0.1~0.3,風(fēng)力充填時(shí)為0.3~0.4 。條帶開采方法采煤時(shí),地表下沉系數(shù)為0.06~0.16。
根據(jù)以上分析,隧道病害主要是由昌榮煤礦地下開采造成地表沉陷和水平位移造成的,由于水平位移存在,K35+335~K35+500段路面隨地層一起移動(dòng)受到隧道結(jié)構(gòu)的制約,使得路面在隧道出口處的起拱最大達(dá)15 cm,這也是隧道二次襯砌發(fā)生擠壓變形破壞的主要原因。由于隧道病害有3次發(fā)生在雨季,1次發(fā)生在雨季結(jié)束后,說明地下水的變化對(duì)圍巖的強(qiáng)度影響較大;地表沉陷后裂縫發(fā)育,加速雨水下滲,致使雨季圍巖在飽水的情況下強(qiáng)度降低,地表變形加劇,雨季結(jié)束后圍巖失水,一部分收縮性較大的圍巖發(fā)生較大變形,也可能使地表變形增大。同時(shí),地下水豐富時(shí),會(huì)導(dǎo)致煤礦開采形成的裂隙帶水流速度加快,帶走部分裂隙充填物,使地表變形進(jìn)一步擴(kuò)大。
隧道病害主要表現(xiàn)在拉應(yīng)力部位出現(xiàn)裂縫,在壓應(yīng)力部位出現(xiàn)二襯混凝土掉塊,因而左線K35+168處出現(xiàn)裂縫病害,左線K35+222處和右線YK35+268處以及洞口為壓應(yīng)力部位,都出現(xiàn)二襯混凝土掉塊、洞口鼓脹變形。
在分析了隧道變形的主要原因之后,本文將利用采動(dòng)評(píng)估模型對(duì)采空區(qū)處于不同時(shí)期時(shí)隧道的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析,為隧道維護(hù)提供依據(jù)。
根據(jù)現(xiàn)有高速公路與礦區(qū)的關(guān)系,昌榮礦業(yè)有限公司鍋廠灣煤礦和新生煤礦均對(duì)高速公路或多或少存在一定程度的影響,本文分別對(duì)2個(gè)礦區(qū)的影響范圍進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,結(jié)合隧址區(qū)工程經(jīng)驗(yàn),上山移動(dòng)角取γ=46°,下山移動(dòng)角取β=53°,走向移動(dòng)角取δ=53°,按剖面法圈定影響范圍。
截止2016年,昌榮礦業(yè)有限公司鍋廠灣煤礦從2010年以來開采高速公路以下下伏煤礦,K7、K9、K10均開采至+95 m標(biāo)高。K5未開采,左線地表移動(dòng)盆地范圍為K35+042~K35+550段;右線地表移動(dòng)盆地范圍為YK35+085~YK35+506段。昌榮礦業(yè)有限公司鍋廠灣煤礦目前采空的影響范圍均位于隧道和路基的變形段。
如果開采至現(xiàn)有礦區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)高,左線地表移動(dòng)盆地范圍為K35+042~K35+885段;右線地表移動(dòng)盆地范圍為YK35+085~YK35+822段。
新生煤業(yè)有限公司煤礦礦區(qū)范圍是+150 m~-200 m,從2010年以來主要開采高速公路以下下伏0 m~-200 m標(biāo)高煤礦,截止2016年,K11、K12均開采至-200 m標(biāo)高,局部還出現(xiàn)超采現(xiàn)象。150 m~0 m標(biāo)高為2010年以前采空區(qū),150 m標(biāo)高以上為已經(jīng)關(guān)閉的小煤窯開采。綜合考慮,計(jì)算按-200 m標(biāo)高煤礦均采空計(jì)。左線地表移動(dòng)盆地范圍為K35+356~K36+322段;右線地表移動(dòng)盆地范圍為YK35+350~YK36+315段。新生煤業(yè)有限公司煤礦目前采空的影響范圍主要是路基的變形段。
巴岳山隧道下方歷史開采均為小煤礦開采,開采時(shí)間跨度較大,目前大部分小煤礦已經(jīng)整合或停止開采。當(dāng)前在中國開采沉陷研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的預(yù)計(jì)計(jì)算方法是概率積分模型,因此,本文研究的隧址區(qū)地表移動(dòng)變形預(yù)測采用概率積分法預(yù)測模型。
采用概率積分法對(duì)開采地表及內(nèi)部移動(dòng)和變形進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算公式如下。
下沉
(1)
水平移動(dòng)
(2)
W(x,y)cotθ0
(3)
水平變形
(4)
i(x,y)cotθ0
(5)
式中:W(x,y)為開采后引起的地表及內(nèi)部下沉;Wcm為充分采動(dòng)時(shí)地表最大下沉值;Ucm為充分采動(dòng)時(shí)地表最大水平移動(dòng)值;r為主要影響半徑;θ0為主要影響傳播角;D為開采區(qū)域;x,y為計(jì)算點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)(考慮了拐點(diǎn)偏移距);η、ξ為采出后引起地表下沉礦體微元量;i(x,y)為開采后引起的地表及內(nèi)部傾斜。
5.3.1 已有采空區(qū)開采影響隧道變形計(jì)算
渝蓉高速巴岳山隧道于2010年12月 31日開工建設(shè),2011年4月23日YK35+268被損害段施工完畢。因此,本次計(jì)算對(duì)2011年之前的工作面考慮老采空區(qū)參與沉降,采用老采空區(qū)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。2011年、2012年、2013年、2014年和2015年的開采均采用常規(guī)的概率積分法參數(shù)計(jì)算。計(jì)算自2012年開始,分年度進(jìn)行計(jì)算。巴岳山隧道地表最大變形值及出現(xiàn)的位置如表2、3所示。
表2 隧道右線各年度最大變形值統(tǒng)計(jì)
表3 隧道左線各年度最大變形值統(tǒng)計(jì)
由以上結(jié)果對(duì)隧道損害情況分析如下。
(1)受開采影響,隧道左線ZK35+168處2014年水平變形由2013年的2.06 mm·m-1增至2.61 mm·m-1,為隧道在該段的最大水平變形量。隧道在2012年、2013年均已經(jīng)受到拉伸變形的影響,2014年開采后隧道水平變形繼續(xù)增大,并在雨季造成隧道損害,損傷表現(xiàn)為混凝土表面的拉伸開裂。隧道損害情況為:2014年9月4日,隧道左線(大足至重慶方向)行車方向右側(cè)ZK35+168處二襯混凝土表面出現(xiàn)開裂,裂縫高度約4 m,寬約1 cm左右。
(2)隧道右線YK35+268處受開采影響水平變形為負(fù)值,表現(xiàn)為擠壓變形,變形大小在2013年為-1.12 mm·m-1,2014年為-2.58 mm·m-1。2014年地下開采造成隧道擠壓變形值增大,并出現(xiàn)變形縫擠壓混凝土發(fā)生崩落的現(xiàn)象。變形表現(xiàn)為:2014年11月15日,隧道右線(重慶至大足方向)YK35+268處,行車方向右側(cè)二襯混凝土表面出現(xiàn)開裂,裂縫高度約6 m,寬約3 cm左右。
(3)計(jì)算結(jié)果表明,隧道在ZK35+350~ZK35+500區(qū)段表現(xiàn)為拉伸變形,并逐年增大。
(4)綜合各項(xiàng)變形值,隧道左線變形較大的范圍在ZK35+100~ZK35+300段;右線變形較大的區(qū)域位于YK35+150~YK35+300段;兩者均包含拉伸和壓縮2種變形形式。
5.3.2 礦區(qū)范圍煤炭資源全部回采隧道變形預(yù)計(jì)
目前,昌榮煤礦、新生煤礦在該區(qū)域正常生產(chǎn),且隨著資源開采水平向深部延伸,開采對(duì)隧道的影響范圍逐漸增大,因此有必要對(duì)資源全部回采后隧道的變形情況進(jìn)行分析。按照未來兩礦區(qū)煤炭資源全部回采對(duì)隧道變形進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表4和圖9、10。
表4 煤炭資源全部回采后隧道變形情況
圖9 煤炭資源全部開采左線地表變形曲線
圖10 煤炭資源全部開采右線地表變形曲線
結(jié)果表明,隧道左線在ZK35+150至隧道出口、隧道右線YK35+150至隧道出口處的變形量隨著昌榮煤礦、新生煤礦剩余煤炭資源的開采將進(jìn)一步增大。擠壓區(qū)域隧道會(huì)出現(xiàn)變形縫擠死造成混凝土脫落掉皮、拉伸區(qū)域出現(xiàn)襯砌裂縫等現(xiàn)象。
根據(jù)開采沉陷計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可知,隧道變形及應(yīng)力集中的路段為ZK35+150至隧道出口、YK35+150至隧道出口處。其中ZK35+150~ZK35+200、YK35+150~YK35+200段為拉伸變形;ZK35+200至隧道出口處、YK35+200至隧道出口處為壓縮變形。參照相關(guān)規(guī)定,Ⅰ級(jí)采動(dòng)損害的臨界變形值為i=3 mm·m-1,k=0.2×10-3m,ε=2 mm·m-1,Ⅱ級(jí)采動(dòng)損害的i=6 mm·m-1,k=0.4×10-3m,ε=4 mm·m-1。該段變形為Ⅱ級(jí)變形。因此,隨著開采的影響可能會(huì)出現(xiàn)襯砌拉伸開裂、變形縫擠死、混凝土崩落、拱頂脫皮等對(duì)影響隧道安全的危害性變形。
根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和采動(dòng)評(píng)估的分析,結(jié)合煤礦開采現(xiàn)狀,為保證隧道的安全正常運(yùn)營,應(yīng)做好如下工作。
(1)做好隧道變形和地表變形的監(jiān)測工作。
(2)對(duì)于影響段的巴岳山隧道二次襯砌每間隔一定距離設(shè)置變形縫(沉降縫),以利于吸收殘余變形對(duì)巴岳山隧道的影響。
(3)對(duì)于有影響段的巴岳山隧道二次初襯未做配筋的部分適當(dāng)配筋,未設(shè)仰拱地段補(bǔ)充仰拱,以利于抵抗殘余變形對(duì)巴岳山隧道的影響。
(4)鑒于隧道以下采空區(qū)已經(jīng)對(duì)隧道圍巖造成一定程度的破壞,建議對(duì)隧底一定深度范圍內(nèi)冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶圍巖進(jìn)行注漿加固,確保隧道的穩(wěn)定和運(yùn)營期間的安全。由于隧道變形可能對(duì)隧底仰拱和仰拱填充有一定破壞,建議注漿加固。