公路隧道穿越陡傾煤層采空區(qū)力學(xué)特性分析*

劉曉勇 田 嬌 龔建伍

(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(yáng) 550081)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷增大，高速公路建設(shè)迅速發(fā)展，不可避免地需要經(jīng)過(guò)煤礦采空區(qū)[1]。急傾斜采空區(qū)極易失穩(wěn)冒落，使地表劇烈變形，產(chǎn)生陷坑等，嚴(yán)重威脅隧道的安全施工[2]。近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)采空區(qū)開(kāi)展了系列研究工作[3-5]，但多針對(duì)某采空區(qū)的穩(wěn)定性或處治措施進(jìn)行分析，且煤層與隧道的交角相對(duì)較平緩，陡傾煤層采空區(qū)極少涉及，而陡傾煤層采空區(qū)上覆地層的移動(dòng)和變形規(guī)律明顯有別于緩傾斜煤層采空區(qū)。因此，對(duì)高速公路穿越陡傾煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處治技術(shù)研究具有重要的意義。

基于此，本文針對(duì)陡傾煤層，開(kāi)展隧道垂直穿越陡傾采空區(qū)的三維數(shù)值分析，并建立對(duì)應(yīng)無(wú)采空區(qū)的分析模型，對(duì)比有無(wú)采空區(qū)情況下，隧道施工對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力影響規(guī)律，分析陡傾采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律，為采空區(qū)隧道處治方案的決策提供參考。

1 計(jì)算模型及方案

以?xún)绍?chē)道公路隧道為例進(jìn)行分析，按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦形式選取隧道斷面，橫向開(kāi)挖最大跨度約12 m，豎向開(kāi)挖高度約10 m。計(jì)算模型范圍：X方向取200 m，左右距隧道外邊側(cè)均超過(guò)90 m，Y方向取150 m，距隧道上下邊側(cè)約70 m，沿隧道軸向即Z方向取99 m。

選取隧道垂直穿越煤層采空區(qū)這種工況進(jìn)行分析，考慮到當(dāng)前開(kāi)采中厚煤層多采用全部垮落法，采空區(qū)頂板圍巖充分垮落，采空區(qū)被垮落圍巖填充，特別對(duì)于薄煤層采空區(qū)，由于垮落圍巖有一定的碎脹性，填充物幾乎可以充滿(mǎn)采空空間，采空區(qū)可視為沒(méi)有空洞，數(shù)值計(jì)算中可采用降低力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬。本節(jié)數(shù)值分析過(guò)程中，即采取弱化圍巖來(lái)模擬，弱化煤層采區(qū)尺寸選取5 m×40 m×200 m(高×寬×長(zhǎng))，采空區(qū)的弱化力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型

本次數(shù)值模擬采用midas GTS進(jìn)行計(jì)算，模型共劃分27 416個(gè)單元，23 352個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型位移邊界條件：對(duì)于左右兩側(cè)給定X向位移約束；對(duì)于底面給定Y向位移約束；對(duì)于隧道縱向邊界面，施加Z向位移約束。模型坐標(biāo)與半模型有限元網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖1。隧道和采空區(qū)開(kāi)挖局部網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖2，隧道與采空區(qū)單元相對(duì)位置關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

圖1 模型坐標(biāo)及有限元網(wǎng)格劃分圖

圖2 隧道與采空區(qū)局部有限元網(wǎng)格劃分圖

圖3 隧道與采空區(qū)垂直穿越位置示意圖

為突出研究目的，重點(diǎn)分析公路隧道垂直穿越采空區(qū)施工的相互影響，建立對(duì)應(yīng)無(wú)采空區(qū)分析模型，分別對(duì)比有無(wú)采空區(qū)情況下，隧道施工對(duì)圍巖變形和應(yīng)力的影響規(guī)律。進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，將施工過(guò)程簡(jiǎn)化為施工工況表見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算模型施工工況表 m

續(xù)表2

模擬隧道施工工法為全斷面法，距離采空區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)開(kāi)挖步長(zhǎng)取10 m，距離采空區(qū)較近時(shí)開(kāi)挖步長(zhǎng)減小為5 m，隧道模型范圍及開(kāi)挖步長(zhǎng)平面示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 隧道模型范圍及開(kāi)挖步長(zhǎng)平面示意圖(單位：m)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 隧道施工過(guò)程中圍巖位移分析

隧道施工引起采空區(qū)位置隧道拱頂下沉值變化曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 隧道施工引起采空區(qū)位置隧道拱頂下沉值變化曲線(xiàn)圖

由圖5可見(jiàn)，以目標(biāo)分析斷面拱頂下沉為例，當(dāng)隧道開(kāi)挖到距離目標(biāo)開(kāi)挖斷面前后一定范圍時(shí)，其對(duì)隧道拱頂位移影響顯著，超出這個(gè)范圍，其施工影響顯著減小，并基本趨于穩(wěn)定。

由圖5還可見(jiàn)，無(wú)采空區(qū)時(shí)隧道施工對(duì)目標(biāo)分析斷面主要影響范圍在其前后10 m左右，而有采空區(qū)時(shí)，該影響范圍有所增加，在穿越采空區(qū)前后15 m左右，當(dāng)然，該影響范圍與圍巖條件、采空區(qū)規(guī)模等密切相關(guān)。但這說(shuō)明采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍增大，該區(qū)域應(yīng)該成為隧道施工過(guò)程中加強(qiáng)初期支護(hù)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。整體而言，由于采空區(qū)圍巖破碎軟弱，隧道穿采空區(qū)段時(shí)，圍巖變形明顯增大，且影響范圍也有一定程度的增大，對(duì)隧道穩(wěn)定性有不利影響。

2.2 隧道施工過(guò)程中圍巖應(yīng)力分析

隧道施工穿越采空區(qū)(L11)和隧道施工結(jié)束(L16)2個(gè)典型施工步對(duì)應(yīng)的隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～圖9。同時(shí)也列出了無(wú)采空區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)工況下隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖以作對(duì)比分析。

圖6 第11施工步圍巖最大主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖7 第11施工步圍巖最小主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖8 第16施工步圍巖最大主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖9 第16施工步圍巖最小主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

從圖6～圖9中可以看出，對(duì)于圍巖最大、最小主應(yīng)力，沿隧道軸線(xiàn)方向同一埋深處，未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布無(wú)明顯變化，而對(duì)受采空區(qū)影響的范圍，圍巖應(yīng)力明顯大于無(wú)采空區(qū)條件下的圍巖應(yīng)力。

以隧道穿越采空區(qū)施工工況為例，無(wú)采空區(qū)情況下，圍巖最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)約為11 MPa，而對(duì)應(yīng)有采空區(qū)情況下，圍巖最小主應(yīng)力約為16 MPa，變化相對(duì)較大。這表明由于采空區(qū)段圍巖破碎及采空區(qū)上覆巖層下移，隧道穿采空區(qū)段的圍巖應(yīng)力向下部巖層進(jìn)行了應(yīng)力傳遞，受采空區(qū)影響段的隧道圍巖應(yīng)力分布與未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律差異明顯。

2.3 隧道施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

有采空區(qū)情況下隧道施工穿越采空區(qū)(L11)和隧道施工結(jié)束(L16)時(shí)2個(gè)典型施工步對(duì)應(yīng)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖10及圖11。同時(shí)也列出了無(wú)采空區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)工況下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布圖。

圖10 第11施工步二襯主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

圖11 第16施工步二襯主應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

由圖10及圖11可知，有無(wú)采空區(qū)情況下，隧道施工引起支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律基本一致，隧道施工穿越采空區(qū)和貫通后二襯結(jié)構(gòu)外側(cè)(接近圍巖一側(cè))主要承受壓應(yīng)力，二襯內(nèi)側(cè)表面也基本承受壓應(yīng)力，但在拱頂和仰拱底部局部位置承受拉應(yīng)力，襯砌遠(yuǎn)離拱頂?shù)膬蓚?cè)從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力逐漸過(guò)渡，到拱腳位置則主要承受壓應(yīng)力。從隧道二襯結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值分析可知，有采空區(qū)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比無(wú)采空區(qū)時(shí)均有明顯增大，不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的增幅略有不同，在當(dāng)前計(jì)算工況下，采空區(qū)的存在使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值增大15%～20%。拱腳位置壓應(yīng)力最大，經(jīng)計(jì)算得該處無(wú)采空區(qū)時(shí)襯砌的安全系數(shù)為2.29；有采空區(qū)時(shí)，襯砌安全系數(shù)降為1.98，已經(jīng)不滿(mǎn)足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于2的要求。

綜上所述，采空區(qū)的存在，無(wú)論是從圍巖變形，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有不利影響，施工中宜采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，在穿越采空區(qū)前后約15 m范圍應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)并加強(qiáng)圍巖和結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)，結(jié)合實(shí)際圍巖條件，可選擇加固圍巖或加強(qiáng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，確保隧道施工安全。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬，開(kāi)展隧道垂直穿越陡傾采空區(qū)的三維數(shù)值模擬，分析隧道施工對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力影響規(guī)律，以及陡傾采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律，得到如下主要結(jié)論。

1) 隧道穿越采空區(qū)段時(shí)，圍巖變形明顯增大，且影響范圍也有一定程度的增大，對(duì)隧道穩(wěn)定性有不利影響，該區(qū)域是隧道施工過(guò)程中加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。

2) 由于采空區(qū)段圍巖破碎及采空區(qū)上覆巖層下移，隧道穿越采空區(qū)段的圍巖應(yīng)力向下部巖層進(jìn)行了應(yīng)力傳遞，受采空區(qū)影響段的隧道圍巖應(yīng)力分布與未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律差異明顯。

3) 有采空區(qū)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比無(wú)采空區(qū)時(shí)均有明顯增大，不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的增幅略有不同，采空區(qū)的存在使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值增大15%～20%，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低。

4) 陡傾采空區(qū)的存在，無(wú)論是從圍巖變形，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有不利影響，施工中宜采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，確保隧道施工安全。