礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究①

關(guān)祥宏

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063）

礦山隧道掘進(jìn)包括隧道內(nèi)的施工測(cè)量防線、洞身開(kāi)挖、棄渣運(yùn)輸?shù)裙ば颍?］。 其中洞身開(kāi)挖使用的機(jī)械設(shè)備會(huì)對(duì)礦山隧道圍巖穩(wěn)定性造成影響，若事先未進(jìn)行巖石驗(yàn)證，會(huì)對(duì)后期礦山隧道帶來(lái)一定的安全隱患［2］。 因此，對(duì)礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

對(duì)礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，既可以確定礦山開(kāi)采方式，又可以為礦山安全開(kāi)采提供可靠參考。 近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者針對(duì)礦山隧道掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究［3-7］。 本文在考慮礦區(qū)隧道圍巖級(jí)別的同時(shí)，以礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)特征為基礎(chǔ)，采用對(duì)數(shù)螺線法對(duì)礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以隧道圍巖沉降、位移與埋深的關(guān)系為研究對(duì)象，進(jìn)行了礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。

1 工況概述

此次研究對(duì)象為湖北省地下深部煤礦礦山隧道，該煤礦井田中含有一條地下800 m 軌道開(kāi)拓巷道，巷道的主要作用是行人通行、通風(fēng)以及資源運(yùn)輸。 巷道所在圍巖為粉細(xì)砂巖，在隧道不斷掘進(jìn)過(guò)程中，由于巷道較深，受到明顯的構(gòu)造應(yīng)力作用，導(dǎo)致隧道圍巖嚴(yán)重變形形成破碎區(qū)，因此對(duì)該礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 隧道圍巖關(guān)鍵塊力學(xué)模型

隧道圍巖在掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)作用在周圍圍巖上，導(dǎo)致周圍圍巖形成裂痕嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂。 而相比近距離的掘進(jìn)，較遠(yuǎn)處的圍巖卻處于彈性介質(zhì)范圍內(nèi)［8］。 因此，一般礦區(qū)開(kāi)發(fā)的隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)能夠使用經(jīng)典的彈性力學(xué)模型，即假設(shè)圍巖巖體處于介質(zhì)連續(xù)均勻狀態(tài)，符合彈性范圍，則礦區(qū)隧道圍巖關(guān)鍵塊受力情況如圖1 所示。 圖中r為隧道中心O到圍巖裂痕的距離，m；a為圓形隧道半徑，m。

圖1 圓形隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)示意

2.1.1 關(guān)鍵塊側(cè)面平均正應(yīng)力

隧道圍巖靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)中不同角度力的計(jì)算表達(dá)式分別為：

式中σx＝k0σz，σz為抗壓強(qiáng)度，MPa。

在隧道頂部圍巖處，θ＝90°，當(dāng)r＝a時(shí)，σθ＝-σz＋3σx；當(dāng)r＝2a時(shí)當(dāng)圍巖的有效水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值k0不同時(shí)，隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖頂部的環(huán)向正應(yīng)力σθ可能為拉應(yīng)力。 依據(jù)有關(guān)調(diào)查研究分析可知，在埋深400 m 左右處進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，不同種類的圍巖具備不同的側(cè)壓系數(shù)，其中巖漿巖層側(cè)壓系數(shù)最大，變質(zhì)巖層的側(cè)壓系數(shù)最小，沉積巖則處于此二者之間［9］。

一般情況下，設(shè)置隧道底部的圍巖測(cè)壓次數(shù)在0.8～6 之間，變質(zhì)巖在0.7～4 之間，沉積巖在0.5～4 之間。 可見(jiàn)，k0＞1／3 時(shí)，則-σz＋3σx＞0，當(dāng)隧道頂部圍巖處于壓應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)積分運(yùn)算，得到關(guān)鍵圍巖塊體的側(cè)面平均正應(yīng)力σ計(jì)算式為：

式中h為關(guān)鍵塊的高度，m。 由此可以看出，圍巖關(guān)鍵塊體側(cè)向平均正應(yīng)力的值與埋深、洞徑及關(guān)鍵塊體高度相關(guān)。

2.1.2 關(guān)鍵塊體臨界荷載

當(dāng)圍巖關(guān)鍵塊是長(zhǎng)方體時(shí)，設(shè)置其高度為h，底面長(zhǎng)為b、寬為d，則在掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)荷載時(shí)，關(guān)鍵塊受力如圖2 所示。 圖中G為塊體自身重力；f1、f2為從不同面受到的沖擊力。

圖2 圍巖頂部關(guān)鍵塊體受力圖

關(guān)鍵塊體的自重：

式中γ為塊體數(shù)量。

在彈性力學(xué)中，接觸面正應(yīng)力相等的條件下，能夠獲取關(guān)鍵塊體上表面靜態(tài)壓力為：

式中η為接觸面正應(yīng)力，MPa。

此時(shí)忽略掘進(jìn)機(jī)自身對(duì)塊體側(cè)向產(chǎn)生的振動(dòng)作用，依據(jù)掘進(jìn)速度導(dǎo)致的振動(dòng)作用，得到關(guān)鍵塊體上的荷載與豎向速度關(guān)系式為：

式中ρ為圍巖密度，kN／m3；Cp為塊體結(jié)構(gòu)面的粘聚力，MPa；V為豎向振動(dòng)速度，m／s。

關(guān)鍵體側(cè)面阻滑力分為兩部分，以x軸法向側(cè)面阻滑力表達(dá)式為：

式中φ為結(jié)構(gòu)面壁巖的內(nèi)摩擦角，（°）；C為結(jié)構(gòu)面壁巖的粘聚力，MPa；β為結(jié)構(gòu)面抗剪力系數(shù)，與結(jié)構(gòu)面中凸起體大小和數(shù)量有關(guān)。

假定礦區(qū)隧道掘進(jìn)過(guò)程中兩個(gè)水平方向的壓力相等：σy＝σx［10］，以y軸法向側(cè)面阻滑力的表達(dá)式為：那么聯(lián)立兩個(gè)方向的側(cè)向阻力為：

依據(jù)剛體平衡原理，掘進(jìn)過(guò)程中關(guān)鍵塊遇到擾動(dòng)荷載時(shí)，達(dá)到臨界平衡條件為：

2.2 圍巖剪切支護(hù)阻力矩分析

圖3 圍巖最大切應(yīng)力區(qū)關(guān)鍵塊體受力圖

由彈性力學(xué)理論可以得到圓形隧道圍巖的剪切應(yīng)力解，取最大切應(yīng)力區(qū)位于45°處的塊體進(jìn)行受力分析，如圖3 所示。地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力在塊體兩側(cè)呈徑向平衡，導(dǎo)致塊體發(fā)生剪切旋轉(zhuǎn)［11］。 因此，依據(jù)推導(dǎo)結(jié)果和隧道的徑向剛體平衡原理，能夠得到剪應(yīng)力區(qū)塊體振動(dòng)速度的計(jì)算公式為：其中：

在隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的掌子面存在不穩(wěn)定因素，主要包括前方產(chǎn)生的滑動(dòng)土塊的自重Wf及滑動(dòng)土塊上部松動(dòng)區(qū)域的松動(dòng)土壓Q，將以上力對(duì)O 點(diǎn)取力矩平衡，就可以得到開(kāi)挖面的穩(wěn)定系數(shù)：

式中Mz為約束措施產(chǎn)生的支護(hù)阻力矩，N·m；Mt為土體抗力矩，N·m；Mf為滑動(dòng)土體自重力矩，N·m；MQ為松動(dòng)土力矩，N·m。 在不加約束時(shí)，若要預(yù)測(cè)掌子面的穩(wěn)定性，則掘進(jìn)面的穩(wěn)定系數(shù)為1，其力矩應(yīng)滿足平衡條件：

對(duì)數(shù)螺線的方程為：Mf計(jì)算公式為：

計(jì)算松動(dòng)土壓力矩MQ：

式中q為荷載，kN／m2；q0為地面荷載，kN／m2；K0為有效水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值；H為隧道掘進(jìn)的垂直影響范圍。

圍巖體抗剪強(qiáng)度為：

計(jì)算圍巖體抗力矩Mt：

當(dāng)Mt＜Mf＋MQ時(shí)，顯然此時(shí)隧道掌子面處于危險(xiǎn)狀態(tài)，一般需要給予加固約束措施才能保證掘進(jìn)過(guò)程中掌子面的穩(wěn)定性。

支護(hù)阻力矩的計(jì)算公式為：

以上判定條件皆是基于掌子面無(wú)任何人工支護(hù)或支護(hù)阻力的情況下圍巖的穩(wěn)定性分析，而實(shí)際上在礦區(qū)隧道掘進(jìn)過(guò)程中，一般要做到超前支護(hù)措施，而ADECO?RS 施工時(shí)更有超前預(yù)約束措施，其范圍達(dá)到隧道開(kāi)挖寬度的2～4 倍。

3 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

礦區(qū)隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過(guò)程中隧道圍巖產(chǎn)生的振動(dòng)位移來(lái)研究穩(wěn)定性。 對(duì)此，在掘進(jìn)之前埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在掘進(jìn)的同時(shí)采集位移值，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。 每間隔5 min 監(jiān)測(cè)1 次，持續(xù)監(jiān)測(cè)3 d。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

實(shí)驗(yàn)建模過(guò)程中，需要考慮掘進(jìn)對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，確定隧道模型的橫斷面兩側(cè)及下部分為3 倍洞徑，上部為實(shí)際地表。 模型邊界四周約束水平方向，底部約束豎直方向，上部為自由面，圍巖模型如圖5 所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

通過(guò)數(shù)值模擬得到礦區(qū)隧道掘進(jìn)圍巖位移的理想模型和實(shí)際得到位移模型如圖6 所示。

圖6 數(shù)值模擬模型

由圖6 可以看出，在掘進(jìn)過(guò)程中礦區(qū)隧道圍巖發(fā)生破壞主要集中在側(cè)面及底板處。 此外，隧道的拱腰處和拱肩處均產(chǎn)生了破損情況。 由以上分析可以看出，在掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)在側(cè)壁及底板處加強(qiáng)支護(hù)，提高錨噴強(qiáng)度以提高圍巖穩(wěn)定性。

經(jīng)3 d 持續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可直接將圍巖級(jí)別、埋深位移值進(jìn)行提取，繪制出礦區(qū)隧道圍巖相對(duì)變形在不同級(jí)別及埋深下的關(guān)系圖如圖7 所示。 從圖7 可以看出，共同規(guī)律是相對(duì)位移都隨埋深增加而增加，隨著圍巖級(jí)別降低而減小。 且各圍巖界別之間并沒(méi)有明顯的界限，也印證了各圍巖級(jí)別的位移是在一定范圍內(nèi)。由此可知，隧道埋深在150 m 下，位移取100 ～200 m埋深段的中間值，則拱腳數(shù)量位移Ⅲ級(jí)為0.097 6%，Ⅳ級(jí)為0.169 6%，Ⅴ級(jí)為0.235 2%，此數(shù)據(jù)在此只作為定性論證。

圖7 沉降與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖

不同圍巖級(jí)別下的周邊相對(duì)位移與隧道埋深的關(guān)系圖如圖8 所示。

圖8 位移與埋深關(guān)系圖

從圖8 可以看出，位移的變化規(guī)律符合不同圍巖級(jí)別與埋深的基本規(guī)律，側(cè)壁位移及底部位移均隨著埋深增加而增加，其中Ⅲ級(jí)圍巖位移變化較為顯著，且呈現(xiàn)規(guī)律性變化。 顯然，各級(jí)圍巖的周邊位移量與埋深的相關(guān)性很強(qiáng)，可以根據(jù)回歸的方式尋求這其中的關(guān)系。

4 結(jié) 論

利用對(duì)數(shù)螺線法可以有效地確定圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)可知：側(cè)壁、底部沉降與埋深呈線性關(guān)系；側(cè)壁、底部位移與埋深呈線性關(guān)系；礦區(qū)隧道掘進(jìn)過(guò)程可通過(guò)降低沉降或減少位移來(lái)增加圍巖穩(wěn)定性。