尾礦庫下方施工隧道安全影響分析

任從坡 林建廣

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

河北寬城縣地形為山嶺重丘區(qū)，當?shù)罔F礦數(shù)量眾多，地表尾礦庫星羅棋布，某正在運行國道由于安全原因需要改道，經(jīng)過多個路由方案比選，考慮當?shù)氐匦巍⒌刭|(zhì)條件較為復雜，最終確定的國道路由采用隧道方式從小峪溝尾礦庫下方21 m深度處通過。該隧道的施工是否會對尾礦庫造成安全隱患成為該路方案是否可行的關(guān)鍵條件，由此從隧道施工爆破振動影響、隧道圍巖變形影響及尾礦壩穩(wěn)定性方面展開深入研究分析。

1 概況

1.1 尾礦庫概況

小峪溝尾礦庫區(qū)域地貌為燕山山脈中段構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，地形較簡單、植被較發(fā)育，庫區(qū)走向西東向。溝谷及沖溝兩側(cè)有部分第四系坡積層覆蓋，溝谷中心以第四系殘坡積層和坡洪積層為主。整個庫區(qū)可視為一個獨立水文地質(zhì)單元，水的來源主要為地表水和地下水，地表水主要為季節(jié)性大氣降水和尾礦水。

尾礦庫處于V型溝谷內(nèi)，庫底為白云巖，第四系覆蓋層為角礫，溝口筑壩。庫區(qū)地層巖性由初期壩、天然地層和尾礦堆積層組成。該區(qū)尾礦砂中根據(jù)室內(nèi)篩分試驗判定，大部分為尾中砂、尾細砂、尾礦土，局部夾尾細砂薄層。尾礦壩采用上游式筑壩，尾礦庫總庫容為1 432 萬m3，等別為三等。該尾礦庫排放堆積的尾礦已達到設(shè)計標高，已停止排放尾礦，見圖1、2。

圖1 尾礦庫與隧道相對平面位置圖

初期壩：為混合壩，天然地層表層為角礫。尾礦砂：由于尾礦沉積分選性不強，庫區(qū)面積太大，不能完全均勻放礦，尾礦砂中普遍存在尾粉土夾層(3～10 cm)，且在同平面上不連續(xù)，呈透鏡體狀。垂直層序上存在上粗下細的規(guī)律，水平層上由堆積子壩向庫區(qū)內(nèi)由粗變細。

尾礦庫基本數(shù)據(jù)見表1、2。

表1 尾礦庫初期壩及堆積壩參數(shù) m

表2 尾礦庫現(xiàn)狀參數(shù) m

圖2 隧道建筑界限圖

1.2 隧道設(shè)計概況

國道路線隧道部分全長2.2 km，由于隧道位于山嶺重丘區(qū)，考慮地形、地質(zhì)條件較為復雜，隧道內(nèi)設(shè)計行車速度60 km/h，采用分離式隧道，雙洞單向行車。單隧道建筑限界寬度11.0 m，建筑限界高度5.5 m。右線隧道下穿點尾礦庫頂面標高為495.00 m，原地面(尾礦庫底面)標高為448.00 m；左線隧道下穿點尾礦庫頂面標高為495.00 m，原地面(尾礦庫底面)標高為460.00 m，隧道拱頂高程為401.0 m。

隧道洞身結(jié)構(gòu)：初期支護為主要承載結(jié)構(gòu)和二次襯砌承受部分荷載的復合式襯砌結(jié)構(gòu)，以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等作為初期支護；二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

隧道施工：隧道Ⅱ級圍巖采用全斷面法施工；Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用臺階法施工；Ⅴ級圍巖結(jié)合超前預加固措施采用臺階法加臨時橫撐。隧道開挖采用光面爆破，嚴格控制超欠挖，初期支護噴射混凝土應采用濕噴工藝。

2 地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于寬城凹斷束(Ⅳ242)東北，地層為太古界跑馬場組角閃斜長片麻巖，長城系常州溝組(Chc)石英砂巖，晚古生代華力西旋回角閃輝長巖。洞區(qū)長城系常州溝組(Chc)石英砂巖巖層為單斜產(chǎn)狀：N20°～25°E/65°～76°ES。

2.2 抗震烈度

區(qū)域位于地震活動水平較弱的華北地震構(gòu)造區(qū)的北部邊緣，地震烈度6度區(qū)，地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期0.45 s，屬設(shè)計地震第三組，該區(qū)域是一個地殼運動相對穩(wěn)定地區(qū)。隧道設(shè)防烈度為7度。

2.3 工程地質(zhì)

隧道下穿小峪溝尾礦庫段圍巖均為白云巖，層位穩(wěn)定，灰白色，巨厚層狀，致密堅硬。庫內(nèi)無大的褶皺構(gòu)造和大的斷層通過，未見崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地下水情況為少量基巖裂隙水。

3 隧道施工爆破對尾礦庫安全影響分析

為了保證隧道爆破起爆后尾礦庫的穩(wěn)定性，廣泛采用控制距爆源一定距離處質(zhì)點振動速度不超過某一安全閾值[1]。隧道至尾礦初期壩最小距離210 m，至最終攔砂堰最小距離141 m。隧道下穿小峪溝尾礦庫段圍巖為白云巖，隧道采用臺階法施工，臺階分為上下臺階兩部開挖支護，光面爆破鉆爆施工，短掘短砌掘進方式，爆破施工最大段爆破藥量為41.6 kg。對于不同類型的建構(gòu)筑物選定不同的安全質(zhì)點振動峰值速度。

在隧道爆破施工過程中，質(zhì)點的振動速度和最大段爆破藥量、爆源距離及地質(zhì)條件有關(guān)的巖性系數(shù)和衰減指數(shù)有密切關(guān)系。目前廣泛應用前蘇聯(lián)薩道夫斯基的經(jīng)驗公式進行計算分析[2，3]。

(1)

式中：V—最近被保護對象允許的質(zhì)點振速，cm/s；R—爆破點距最近堆積壩的距離，取141 m；Q—最大單段藥量，取41.6 kg；K、α—與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的巖性系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)尾礦庫地質(zhì)條件，爆破點距離保護對象間的地層主要有白云巖、角礫和尾礦砂，為穩(wěn)妥起見，巖性系數(shù)和衰減指數(shù)按最弱巖層選取，既按爆破地點為軟巖石，爆破技術(shù)參數(shù)取值K=250，α=2.0。

計算出隧道開挖爆破時，距離爆破點最近的尾礦庫攔砂堰、堆積壩和排水斜槽的質(zhì)點振動速度分別為0.15、0.07、0.42 cm/s。隧道施工爆破屬于地下淺孔爆破，被保護對象的安全允許振速按允許范圍內(nèi)最小值選取，即尾礦庫攔砂堰和堆積壩的安全允許振速為1.1 cm/s，排水斜槽的安全允許振速為4.2 cm/s。計算的質(zhì)點振動速度均小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的最小安全允許振速。

4 隧道圍巖變形影響模擬

4.1 模擬方案

針對隧道下穿小峪溝尾礦庫部分，選取代表性斷面，研究在最不利工況下，隧道和圍巖整體變形情況和尾礦庫壩體穩(wěn)定性，分析隧道開挖至設(shè)計狀態(tài)時，對上部尾礦庫壩體的安全系數(shù)是否滿足最小安全系數(shù)的要求，隧道開挖后圍巖和隧道位移變化，判斷該變化是否在設(shè)計可接受范圍內(nèi)。

4.2 計算方法

壩體穩(wěn)定性計算選用加拿大Rocscience公司的SLIDE極限平衡法，以摩爾-庫侖抗剪強度理論為基礎(chǔ)，將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式，分析隧洞和尾礦庫相對關(guān)系下最不利斷面的穩(wěn)定性，得出其安全系數(shù)。

隧道施工完成后的圍巖應力變化選用巖土領(lǐng)域研發(fā)通用的有限元分析軟件Midas4.2，建立地表和隧道的力學分析模型，通過巖石力學模擬，分析隧道在開挖過程中圍巖位移變形及影響范圍。

4.3 模型參數(shù)

計算模型選取斷面最不利工況處，模型材料參數(shù)見表3。

表3 模型材料基本參數(shù)表

4.4 邊界約束

位移邊界條件：模型上表面為自由邊界，前后和左右邊界施加水平約束，邊界水平初始位移為零，底部邊界水平、垂直初始位移均為零。

4.5 判斷標準

根據(jù)隧道圍巖變形控制標準，確定巖土結(jié)構(gòu)總沉降量不超過15 mm，包含隧道自身形成后的沉降以及外部邊界條件發(fā)生變化引起的沉降。尾礦壩的穩(wěn)定性是將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力平衡方程式，求其安全系數(shù)。

4.6 模型建立

隧道與尾礦壩采用SLIDE軟件進行建立模型并計算，豎向地層根據(jù)實際地層厚度進行模擬。隧道與周邊圍巖斷面圖采用Midas4.2建立平面模型，其中初期支護部分為析取線單元，其余部分均為平面單元。

圖3 尾礦庫壩坡與隧道建模圖

4.7 模擬及分析結(jié)果

4.7.1 SLIDE分析尾礦壩穩(wěn)定性分析結(jié)果

SLIDE分析可知，隧道開挖至設(shè)計狀態(tài)后，對尾礦壩的安全穩(wěn)定性影響，正常情況和洪水工況下壩體邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.158，考慮地震及洪水最不利工況下壩體邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.838。尾礦庫等別為三等，正常運行時尾礦庫壩坡安全系數(shù)應不小于1.2，洪水運行下安全系數(shù)不小于1.10，特殊運行下安全系數(shù)不小于1.05，模擬所求安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求。既隧道的開挖不會影響尾礦庫的安全。

4.7.2 Midas4.2模擬隧道開挖過程中圍巖沉降結(jié)果

圖4 隧道開挖后圍巖豎向沉降云圖

圖5 隧道開挖后位移云圖

Midas GTS4.2軟件進行建模并計算隧道開挖過程中，上部地層呈現(xiàn)整體下沉趨勢(均勻沉降)，其主要沉降影響范圍隨著深度增加急劇減小，隧道上部圍巖最大沉降值為13.2 mm，右隧道最大沉降值為3.54 mm，左隧道最大沉降值為2.38 mm，均遠小于允許沉降值。

5 結(jié)語

在尾礦庫下方施工隧道，隧道爆破施工時控制最大段起爆藥量，計算的質(zhì)點振速均小于被保護物的最小安全允許振速，爆破振動對尾礦庫沒有安全影響；通過SLIDE極限平衡法分析尾礦壩在隧道開挖形成后不同工況下的安全系數(shù)，均大于規(guī)范規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求，隧道的開挖不會影響尾礦庫的安全；通過采用Midas GTS4.2計算，隧道在開挖過程中上部圍巖的沉降的最大值均遠小于允許的沉降值，不會對尾礦庫及隧道造成安全影響。