下伏煤層采空區(qū)對公路隧道影響的數(shù)值分析

劉朝躍 汪育慶 呂冠穎 劉發(fā)林

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 長沙 410012)

高速公路建設(shè)受路線走向、地形地質(zhì)等諸多條件控制，路線穿采空區(qū)常常不可避免[1]。采空區(qū)覆巖不均變形，很容易造成路面錯(cuò)落起伏、襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂等破壞現(xiàn)象[2]，同時(shí)對隧道施工及運(yùn)營亦帶來安全風(fēng)險(xiǎn)與潛在危害[3]。

在采空區(qū)隧道勘察過程中，除了詳細(xì)清查采空區(qū)特征外，還應(yīng)著重評價(jià)地下采空區(qū)巖移特征及變形機(jī)理。而地下煤礦開采區(qū)對公路隧道影響主要取決于地質(zhì)條件和采礦等因素，如煤層傾角、開采深度、采高、采礦工藝、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及圍巖特性等[4]。為探究公路下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性及對公路的影響程度，本文通過數(shù)值模擬方法，對現(xiàn)有采空區(qū)垮塌后引起的地表移動(dòng)及變形等進(jìn)行分析預(yù)測，以總結(jié)受力及變形規(guī)律，判斷其工程安全性。

1 工程背景

某擬建公路隧道采用雙向4車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h。隧道K15+255-K15+742路段上跨云安煤礦采空區(qū)，煤礦開采標(biāo)高+740-+850 m，隧道底板設(shè)計(jì)標(biāo)高為908 m。隧道東側(cè)50 m處為鼎興煤礦礦界，煤礦開采標(biāo)高為580～900 m。

2處煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力均為9萬t/年，均采用走向長壁后退式采煤法，陷落法管理頂板，炮采落煤，工作面采用偽傾斜柔性掩護(hù)支架支護(hù)。2處煤礦分別于2013年3月、2012年2月正式停采，歷經(jīng)8～9年的開采時(shí)間。云安煤礦段+745～+850 m標(biāo)高范圍C5、C7煤層及鼎興煤礦段礦井保安煤柱東側(cè)+750～+870 m標(biāo)高范圍C5、C7、C12煤層已基本采完，回采率均達(dá)到80%以上，井下已形成了一定規(guī)模的采空區(qū)，采空區(qū)頂板長時(shí)間受到地下水浸蝕、巖層蠕變和采動(dòng)的影響，大部分已垮塌，地表可見大量塌陷、裂縫及巖體拉裂現(xiàn)象。隧址區(qū)煤系地層為二迭統(tǒng)上統(tǒng)龍?zhí)督M地層，由砂巖、頁巖及少量灰?guī)r和煤層組成，層厚70～80 m，平均74 m，可采煤層3層，平均總厚11.1 m。煤層總體呈單斜，傾向340°～10°，傾角38°～48°，平均46°。煤層直接頂板為粉砂質(zhì)泥巖。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型的建立是通過midas GTS建模后再導(dǎo)入FLAC3D，并對模型網(wǎng)格組賦值而成。FLAC3D計(jì)算模型見圖1。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束垂直位移，頂部地表為自由邊界。依據(jù)隧道勘察報(bào)告及工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定巖體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。計(jì)算時(shí)，巖體材料本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb模型。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 模型計(jì)算及分析方案

煤礦終采時(shí)間大于730 d，因此主要考慮采空區(qū)垮塌引起的覆巖剩余變形。計(jì)算過程中，首先對模型初始平衡，再模擬煤礦開挖C5、C7煤層，直到應(yīng)力重新平衡，記錄地表、隧道底板累積變形量，然后清除應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)，計(jì)算采空區(qū)頂板完全垮塌后的地表、隧道底板剩余變形量，最后分析累積變形、剩余變形量，得出采空區(qū)對隧道的影響程度。

數(shù)值模擬分2個(gè)部分進(jìn)行分析：①在隧道洞身地表代表部位，布置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(見圖2)，分別監(jiān)測各點(diǎn)的X、Y、Z軸向位移值；②確定采空區(qū)冒落的計(jì)算時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算各項(xiàng)剩余變形數(shù)值。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1位移分析

FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算至7 300步時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)X、Y、Z方向的位移基本趨于穩(wěn)定，采空區(qū)剛好被頂板冒落巖體基本充填，其豎向位移云圖見圖3。

圖3 豎向位移云圖(單位：m)

提取各監(jiān)測點(diǎn)X、Y、Z方向及各時(shí)期的位移變化曲線，其變化趨勢及規(guī)律如下。

1)X方向位移規(guī)律。1～4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)X方向位移見圖4。由圖4可見，1，2，3，4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)主要表現(xiàn)為負(fù)向位移，2號(hào)點(diǎn)位移較大，最大位移值5.1 mm，1，3，4號(hào)點(diǎn)最大位移值分別為2.4，1.0，2.6 mm。

圖4 X方向位移監(jiān)測曲線

2)Y方向位移規(guī)律。1～4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)Y方向位移見圖5。由圖5可見，2號(hào)監(jiān)測點(diǎn)為正向位移，1，3，4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)主要表現(xiàn)為負(fù)向位移，其中2號(hào)點(diǎn)位移較大，最大位移值6.4 cm，1，3，4號(hào)點(diǎn)最大位移值分別為1.0，0.6，1.80 cm。

圖5 Y方向位移監(jiān)測曲線

3)Z方向位移規(guī)律。1～4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)Z方向位移見圖6。由圖6可見，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)主要表現(xiàn)為負(fù)向位移。4號(hào)監(jiān)測點(diǎn)位移值最大41 cm，1，2，3號(hào)監(jiān)測點(diǎn)最大位移值分別為1，5，1 cm。

圖6 Z方向位移監(jiān)測曲線

2.3.2地表塑性區(qū)分析

地表塑性區(qū)分布圖見圖7。由圖7可知，隧道位于山體塑性破壞區(qū)域范圍內(nèi)。隨著C5、C7煤層開挖，山體產(chǎn)生了明顯塑性破壞，主要破壞區(qū)域位于云安煤礦礦井保安煤柱東翼采空區(qū)及鼎興煤礦礦井保安煤柱西翼采空區(qū)上方山體，破壞類型主要為剪切破壞，與現(xiàn)場調(diào)查時(shí)地表產(chǎn)生裂縫及塌陷的位置基本相符，巖體穩(wěn)定性較差。

圖7 地表塑性區(qū)分布圖

2.3.3應(yīng)力分析

穿過2個(gè)主要采空區(qū)剖面的最大應(yīng)力云圖見圖8。由圖8可見，隧道頂?shù)装宸秶鷥?nèi)受拉應(yīng)力影響較大，最大拉應(yīng)力0.4 MPa，巖體受拉易產(chǎn)生拉伸破壞，隧道施工對巖體產(chǎn)生擾動(dòng)，易誘發(fā)山體滑動(dòng)。

圖8 最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

2.3.4累積變形影響分析

據(jù)隧道底板移動(dòng)變形等值線表明，隧道底板在云安煤礦礦界范圍內(nèi)產(chǎn)生的X向水平變形最大值為1.0 mm/m，未超過隧道容許變形值2.0 mm/m；Y向水平變形值為2～3.5 mm/m，超過容許變形值；傾斜值為3～5 mm/m，超過容許變形值3.0 mm/m；部分路段曲率值為0.28～0.43 mm/m2，超過容許變形值0.2 mm/m2。

2.3.5剩余變形影響分析

傾斜變形等值線表明，云安煤礦礦界范圍內(nèi)隧道底板傾斜變形值為0.1～1.1 mm/m之間，曲率值小于0.1 mm/m2，均小于容許變形值；隧道底板X方向水平變形值為1.15～1.5 mm/m，未超過規(guī)程容許值，但隧道底板K15+600樁號(hào)附近Y方向水平變形達(dá)到2～3.5 mm/m，超過規(guī)程容許變形值。

3 結(jié)論

1) 通過礦區(qū)C5、C7煤層開挖數(shù)值模擬計(jì)算，以及對采空區(qū)形成后的隧道底板位移變化、塑性區(qū)、應(yīng)力分布進(jìn)行分析，隨著煤層的逐步開挖，空區(qū)上覆巖層至地表均產(chǎn)生了一定程度塑性變形。

2) 從隧道底板、地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，采空區(qū)覆巖變形產(chǎn)生的水平位移量及下沉量大，剪切、拉伸破壞區(qū)域主要分布在采空區(qū)上方山體范圍內(nèi)；據(jù)最大主應(yīng)力分布云圖顯示，隧道頂?shù)装鍘r層處于受拉影響范圍，易產(chǎn)生拉伸破壞。

3) 根據(jù)隧道底板水平變形、傾斜及曲率計(jì)算，可以得出云安煤礦礦界范圍內(nèi)隧道路段水平變形、傾斜變形、曲率值均超過隧道容許變形值。由采空區(qū)覆巖剩余變形影響分析，ZK15+520-ZK15+730路段的水平變形值超過容許變形值。

4) 通過隧道下伏采空區(qū)數(shù)值分析，采空區(qū)對擬建隧道影響大，需采取工程措施或線位避讓處理。