深埋隧道側(cè)穿采空區(qū)施工安全距離及能量演化機(jī)制

孫飛躍，劉希亮，郭佳奇， 石曉燕， 武文龍， 朱斌忠

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000； 2.軍事科學(xué)院國防工程研究院，河南 洛陽 471023)

1 研究背景

近年來，我國經(jīng)濟(jì)和科技創(chuàng)新水平大幅提升，使得穿越采空區(qū)的山區(qū)隧道工程蓬勃發(fā)展，諸如毗鄰采空區(qū)的公路隧道、鐵路隧道不斷大量涌現(xiàn)，因采空區(qū)失穩(wěn)坍塌導(dǎo)致隧道與采空區(qū)之間圍巖發(fā)生的動力地質(zhì)災(zāi)害，已嚴(yán)重造成施工機(jī)械設(shè)備的損毀和一線人員的傷亡，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-6]。因而，隧道與采空區(qū)之間的安全距離關(guān)系到隧道順利施工和后期的運(yùn)營安全，亦成為隧道穿越采空區(qū)不良地質(zhì)段時(shí)亟需解決的重大技術(shù)難題。

在采空區(qū)地段修建隧道所面臨的安全穩(wěn)定性問題受到國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)、施工和管理人員的高度重視，目前，國內(nèi)外科研工作者和工程研究人員從力學(xué)特征、數(shù)值模擬和基礎(chǔ)試驗(yàn)方面針對隧道與采空區(qū)之間的安全距離開展了大量研究，并就采空區(qū)段隧道施工力學(xué)特征做了大量的研究工作，取得了卓有成效的研究成果。從20世紀(jì)80年代開始，Jonce等[7]、Wang[8]基于經(jīng)驗(yàn)理論和井下現(xiàn)場調(diào)研對采空區(qū)、巖溶等引發(fā)的地下空洞災(zāi)害機(jī)理進(jìn)行了深入研究。Sargand 等[9]、Drumm等[10]系統(tǒng)地研究分析了高速公路下伏采空區(qū)對路基變形失穩(wěn)機(jī)理。到20世紀(jì)90年代，Soliman等[11]、El-allhas等[12]、Fu等[13]研究了采動覆巖產(chǎn)生離層裂縫的力學(xué)條件及離層裂縫的位置。近年來，楊斌[14]深入分析了采空區(qū)段隧道施工力學(xué)行為，為隧道設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù)；蔣德武[15]基于圍巖屈服強(qiáng)度對采空區(qū)段隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了探究，并對圍巖進(jìn)行了影響分區(qū)；童立元等[16]探討了隧道與下伏采空區(qū)間的相互作用機(jī)制。在試驗(yàn)研究方面，也取得了重要進(jìn)展，如：喻洪平等[17]通過井下試驗(yàn)與變形實(shí)測數(shù)據(jù)對隧道側(cè)穿采空區(qū)沉降規(guī)律進(jìn)行了分析；胡永占[18]采用InSAR技術(shù)對采空區(qū)鐵路隧道病害成因進(jìn)行了研究，為隧道病害整治提供了地質(zhì)參考依據(jù)；王飛等[19]以室內(nèi)試驗(yàn)為研究手段，提出了隧道在采空區(qū)影響下的改造方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為巖土工程研究和設(shè)計(jì)的一種主流方法。如：張志沛等[20]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析軟件，分析研究了隧道穿越傾斜采空區(qū)的施工力學(xué)動態(tài)變化特征；崔路允[21]基于強(qiáng)度折減法，利用MIDAS-GTS有限元軟件對深埋隧道穿越復(fù)雜采空區(qū)的施工安全穩(wěn)定性進(jìn)行了深入分析；羅春雨[22]以華鎣山隧道工程為依托對隧道側(cè)穿采空區(qū)的安全距離進(jìn)行了研究。

上述研究成果主要聚焦于采空區(qū)失穩(wěn)坍陷對隧道施工力學(xué)行為、變形失穩(wěn)機(jī)理和圍巖穩(wěn)定性的影響等問題，但隧道穿越采空區(qū)不良地質(zhì)段時(shí)，隧道與采空區(qū)間的安全距離是影響隧道穩(wěn)定和施工運(yùn)營安全的關(guān)鍵因素，并在一定程度上決定了隧道走線、埋深等設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)一步保障采空區(qū)段隧道施工安全，以及采空區(qū)對隧道施工影響的最小化，有必要對深埋隧道側(cè)穿采空區(qū)的施工安全距離及能量演化機(jī)制進(jìn)行研究。鑒于此，本文對有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā)，并基于動力數(shù)值分析，結(jié)合實(shí)際工程案例，研究深埋隧道在不同安全距離下的圍巖變形特性、應(yīng)力分布特征以及能量演化機(jī)制與動態(tài)響應(yīng)，并且進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)測。本研究成果在該領(lǐng)域具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值并可為類似工程提供參考依據(jù)。

2 工程概況

某隧道右洞全長約8 168 m、最大埋深611 m，左洞全長約8 151 m、最大埋深584 m，按雙向四車道80 km/h高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用分離式雙洞布置。在隧道右線K106+280 m～K106+358 m處共有3處采空區(qū)，隧址區(qū)域巖性以泥巖、泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖為主。采空區(qū)段圍巖穩(wěn)定性較差，在隧道進(jìn)口段背斜西翼穿越水巴巖煤礦南端，在出口段背斜東翼穿越田壩煤礦的南端，采空區(qū)局部地段頂、底板泥巖厚度較大，巖體裂隙發(fā)育，采掘破壞較嚴(yán)重；隧道拱頂處易產(chǎn)生坍塌和不均勻沉降。

3 側(cè)穿采空區(qū)深埋隧道施工安全距離數(shù)值計(jì)算

3.1 建立數(shù)值分析模型

(1)數(shù)值模型及邊界條件。在采用FLAC3D進(jìn)行求解動力學(xué)問題時(shí)，為了保證模擬結(jié)果的真實(shí)可靠，能夠真實(shí)反映圍巖的受力情況，依據(jù)圣維南原理和隧洞開挖的影響范圍，同時(shí)充分考慮采空區(qū)地段隧道圍巖水文地質(zhì)條件，以及消除模擬計(jì)算所產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，建立的計(jì)算模型橫向長度為100 m、豎向高度為60 m、縱向?qū)挾葹?0 m。以往研究表明，當(dāng)?shù)叵麓嬖诳斩椿蛘卟煽諈^(qū)時(shí)，上覆巖層垮落在工作面兩端的巖層上，出現(xiàn)懸挑梁的破壞形式；在豎直方向，由兩端逐漸向中部靠攏(斷裂帶與裂隙帶交匯處)形成一個(gè)類似圓形的壓力拱，在模擬時(shí)將采空區(qū)簡化為圓形空洞，走向與隧道平行，位于隧道右側(cè)，半徑為3 m、長度為18 m，數(shù)值計(jì)算模型見圖1、隧道斷面尺寸見圖2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

圖2 隧道斷面尺寸(單位：m)

在動力計(jì)算時(shí)，為了使系統(tǒng)的動能量快速吸收從而達(dá)到收斂，阻尼采用Rayleigh damping、最小臨界阻尼比取0.25、最小中心頻率取550 Hz；該計(jì)算模型的上邊界為應(yīng)力約束邊界條件，施加19.62 MPa(現(xiàn)場實(shí)測)垂直載荷，計(jì)算模型的下邊界、前后和左右邊界均為位移約束邊界條件，模型外圍邊界設(shè)定為靜態(tài)邊界，以減小或消除模擬計(jì)算所產(chǎn)生的彈性波反射。

(2)爆破荷載作用形式。由于巖體爆破是一個(gè)瞬時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜過程，爆炸機(jī)理及影響因素極其復(fù)雜，使爆炸過程的細(xì)節(jié)很難定量確定。在數(shù)值分析中爆破荷載常假定為一個(gè)三角形沖擊波[23-24]，三角形函數(shù)爆炸荷載歷程曲線表達(dá)式如公式(1)。通過對FLAC3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)，采用FISH編寫程序語言來進(jìn)行爆破荷載的施加。

(1)

式中:P(t)為任一時(shí)刻的爆破荷載壓力值,MPa；P0為爆破荷載峰值，MPa；tr為爆破荷載上升至峰值的時(shí)間,s；td為爆炸荷載的正壓作用的時(shí)間,s。

(3)本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)。在數(shù)值計(jì)算中，本構(gòu)模型的選取要與工程材料力學(xué)特性有很高的契合度，故而模型本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[25]。圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)該隧區(qū)的地質(zhì)勘察資料及設(shè)計(jì)資料中的實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)選取，如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

本模擬對巖石巖性作出假設(shè)：巖石為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)體，符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，材料參數(shù)滿足Mohr-Coulomb本構(gòu)模型關(guān)系。

3.2 數(shù)值分析方案與監(jiān)測點(diǎn)布置

在數(shù)值分析中，隧道與采空區(qū)間的安全距離分別取0.25D、0.50D、0.75D、1.00D、1.25D、1.50D(D為隧道跨度，取整數(shù)為12 m)，如表2所示。監(jiān)測點(diǎn)的布置見圖3。

表2 數(shù)值試驗(yàn)方案

圖3 數(shù)值分析隧道監(jiān)測點(diǎn)布置

4 模擬結(jié)果分析

4.1 圍巖位移場演化過程

各工況隧洞拱頂、拱底、邊墻以及圍巖的位移變化的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4～7。對圖4～7進(jìn)行分析可知：

(1)隧道拱頂、拱底與兩側(cè)邊墻位移曲線(圖4、5)顯示，圍巖變形量隨著隧道與采空區(qū)間的安全距離的增大而減小，其變化幅度較為平緩；在隧道拱頂和拱底處，工況6的最大變形量分別為10和9 mm，工況1的最大變形量分別為15和14 mm；在隧道左、右邊墻處，隧道圍巖兩側(cè)邊墻位移曲線大致呈對稱分布，隨著至隧道中心距離的增加圍巖兩側(cè)邊墻的位移變形量逐漸減小，距隧道中心距離越近圍巖變形越大，表明隧道洞口受爆炸沖擊響應(yīng)最明顯。

圖4 各工況隧道拱頂和拱底位移變化曲線

(2)豎向位移等值線云圖(圖6)顯示，豎向位移的峰值主要集中在隧道拱頂和拱底處，拱頂變形量為負(fù)代表下沉，拱底變形量為正代表隆起。在隧道較為靠近采空區(qū)時(shí)(工況1～3)，圍巖變形受采空區(qū)影響最為顯著，變形范圍和增加幅度明顯大于其他工況，且有明顯的不對稱變形傾向，并表現(xiàn)出向采空區(qū)一側(cè)擴(kuò)大的趨勢；工況4～6中圍巖變形范圍與變形幅度較為平緩，受采空區(qū)的影響可以忽略。故對于隧道圍巖豎向位移，安全距離為1D(即12 m)以內(nèi)的采空區(qū)會加大隧道圍巖的沉降程度和范圍，給隧道建設(shè)帶來不利的影響。

圖5 各工況隧道兩側(cè)邊墻位移變化曲線

圖6 各工況豎向位移等值線云圖

(3)水平位移等值線云圖(圖7)顯示，隧道兩側(cè)受圍巖擠壓作用均向隧道內(nèi)部發(fā)生移動，且兩側(cè)變形大致對稱，并呈蝴蝶狀分布。在隧道較為靠近采空區(qū)時(shí)(工況1～3)，因采空區(qū)的存在劣化了圍巖性質(zhì)，圍巖的側(cè)向約束能力有所降低，致使隧道右側(cè)的水平位移明顯大于其他工況，向內(nèi)變形程度較大。在距離采空區(qū)最近的工況1中，隧道右側(cè)邊墻的位移反而比距離較遠(yuǎn)的工況2和3小，表明采空區(qū)左側(cè)因隧道爆破開挖擾動而產(chǎn)生較大的向內(nèi)變形，在距離過近時(shí)，其變形通過隧道與采空區(qū)間的巖柱傳遞到隧道右側(cè)，導(dǎo)致隧道右側(cè)向右變形趨勢增強(qiáng)，在數(shù)值上表現(xiàn)為隧道右側(cè)的一部分向左變形的值被抵消。此時(shí)采空區(qū)空腔的變形已嚴(yán)重影響了隧道施工，對隧道結(jié)構(gòu)最為不利。故對于隧道圍巖水平位移，安全距離為1D(即12 m)以內(nèi)的采空區(qū)會產(chǎn)生明顯的不利影響，對隧道右拱腰尤為明顯；安全距離為0.67D(即8 m)以內(nèi)的采空區(qū)對隧道的影響較大，導(dǎo)致隧道與采空區(qū)之間的圍巖發(fā)生局部畸變(圖8)。

圖7 各工況水平位移等值線云圖

隧道結(jié)構(gòu)變形畸變區(qū)示意圖如圖8所示。為更好地探究隧道結(jié)構(gòu)在采空區(qū)影響下所產(chǎn)生的不對稱變形(畸變)，現(xiàn)提取出工況2的隧道結(jié)構(gòu)變形及位移矢量(放大系數(shù)為140)，如圖9所示。

圖8 隧道結(jié)構(gòu)變形畸變區(qū)示意 圖9 工況2隧道圍巖位移矢量分布

采空區(qū)與隧道之間是相互影響的，隧道右側(cè)與采空區(qū)左側(cè)均產(chǎn)生了較大側(cè)向位移，即隧道凈空和采空區(qū)空腔變形收斂，中間巖柱兩側(cè)受拉，受力環(huán)境十分惡劣，圍巖較為松動。為進(jìn)一步研究該處隧道的變形情況，繪制出各工況下4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化曲線，見圖10。由圖10可知，工況1和2在采空區(qū)分布區(qū)域均有明顯向采空區(qū)一側(cè)發(fā)生正向位移突變，這是由于隧道爆破開挖后形成臨空面，圍巖自穩(wěn)能力降低，整體強(qiáng)度下降，導(dǎo)致采空區(qū)左側(cè)向內(nèi)變形速率增加；在工況3和4中，由于隧道與采空區(qū)距離不遠(yuǎn)，采空區(qū)空腔導(dǎo)致的位移增加幅度較為緩和，但此時(shí)采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響仍不可忽視；在工況5和6中，由于隧道與采空區(qū)距離較遠(yuǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的位移變化不明顯，此時(shí)采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。

圖10 各工況4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化曲線

綜上所述，工況1～2中采空區(qū)對隧道影響十分嚴(yán)重，并會導(dǎo)致隧道發(fā)生局部畸變；工況3～4中采空區(qū)對隧道影響較小，但其位移增幅效應(yīng)仍不可忽視；工況5～6中可認(rèn)為采空區(qū)對隧道已無影響。

4.2 圍巖應(yīng)力場演化過程

各工況隧洞拱頂、拱底、邊墻以及圍巖的應(yīng)力變化的數(shù)值模擬結(jié)果見圖11～14。對圖11～14進(jìn)行分析可知：

(1)隧道拱頂、拱底與兩側(cè)邊墻應(yīng)力曲線(圖11、12)顯示，工況1的拱頂、拱底應(yīng)力值明顯大于其他工況，隨著安全距離的加大，應(yīng)力值迅速減小，其中工況1～3的減小速率最大，在拱頂處從8.4 MPa減小至7.3 MPa、在拱底處從8.6 MPa減小至7.6 MPa，受距離影響明顯；工況4～6的拱頂、拱底應(yīng)力值變化幅度極小，此時(shí)可認(rèn)為采空區(qū)對隧道的影響可忽略不計(jì)。隧道圍巖左右兩側(cè)的應(yīng)力曲線大致呈對稱分布，兩側(cè)水平應(yīng)力對隧道影響較大的范圍大致距離隧道中線左右兩側(cè)12 m處，離隧道中線越遠(yuǎn)處變化越不明顯，并且逐漸趨近于圍巖的原巖應(yīng)力。

圖11 各工況隧道拱頂、拱底應(yīng)力變化曲線

(2)豎向應(yīng)力等值線云圖(圖13)顯示，應(yīng)力值為負(fù)表明隧道處于受壓狀態(tài)；隧道受爆破開挖的影響，其周圍圍巖應(yīng)力將進(jìn)行重新調(diào)整。距隧道中心距離越近，應(yīng)力變化越明顯，隨著距離的增加，應(yīng)力增長速率較為平緩，逐漸趨近于原巖應(yīng)力；在相同應(yīng)力水平下隧道拱頂應(yīng)力影響范圍比拱底大，拱頂處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道表面處應(yīng)力釋放的范圍增大。工況1～3有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要分布在隧道的拱頂、拱底以及兩側(cè)與底板交接處；在工況4～6中隨著采空區(qū)與隧道右側(cè)距離的增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱。

圖13 各工況豎向應(yīng)力等值線云圖

(3)水平應(yīng)力等值線云圖(圖14)顯示，由于隧道兩側(cè)水平應(yīng)力的影響區(qū)域比頂板和底板多，從而導(dǎo)致隧道兩側(cè)水平應(yīng)力分布呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，整體近似為橢圓狀分布。隨著隧道與采空區(qū)間的安全距離的增加，圍巖水平應(yīng)力等值線云圖作用范圍增大，從而說明選擇最佳的安全距離對洞室開挖有一定的影響。在工況1～6中，雖然隨著安全距離的增大，圍巖應(yīng)力有所增大，但增加幅度不大。

圖14 各工況水平應(yīng)力等值線云圖

綜上所述，從采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化水平來看，安全距離為1D(即12 m)以內(nèi)的采空區(qū)會造成隧道右側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)力值也會增大，給隧道施工安全帶來隱患，在施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。

圖12 各工況隧道兩側(cè)邊墻應(yīng)力變化曲線

4.3 能量演化過程

(1)能量釋放規(guī)律研究。各工況隧道周邊圍巖彈性應(yīng)變能密度分布狀態(tài)見圖15；各工況4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處彈性應(yīng)變能隨時(shí)間變化見圖16。分析圖15～16可知，隧道在爆破開挖以后，洞室周邊圍巖由三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為兩向受力狀態(tài)，在應(yīng)力集中作用下，隧道圍巖向開挖掌子面轉(zhuǎn)移，內(nèi)部圍巖應(yīng)力場將重新分布，形成二次應(yīng)力場。圍巖彈性應(yīng)變能隨安全距離的增加而增大，但增長幅度較?。还r1～3在洞室拱頂、拱底、邊墻及邊角處彈性應(yīng)變能最大，導(dǎo)致掌子面前方聚積較多的彈性能，若這些能量迅速釋放，巖體將產(chǎn)生爆裂、松脫、剝離、彈射、拋擲等破壞現(xiàn)象的動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。隨著安全距離的增加，工況4～6中掌子面前方聚積的彈性能較少。

圖15 各工況隧道周邊圍巖彈性應(yīng)變能密度分布狀態(tài)

圖16 各工況4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處彈性應(yīng)變能密度隨時(shí)間的變化

(2)能量轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。為了探討爆破荷載作用下圍巖能量轉(zhuǎn)化與應(yīng)力比(應(yīng)力水平上限值σmax與峰值應(yīng)力σp之比)變化的相關(guān)性，擬合出了不同安全距離下隧道圍巖累積水平能量與應(yīng)力比的關(guān)系曲線，如圖17所示。由圖17分析可知，不同安全距離下，累積水平能量與應(yīng)力比的曲線變化趨勢大致相同。在工況1～6中，同應(yīng)力水平下，應(yīng)力比隨著安全距離的增大而降低，相應(yīng)的累積水平總能量和彈性應(yīng)變能減少，但耗散能隨著安全距離的增大先減少后增加；同應(yīng)力比下，累積總能量和彈性應(yīng)變能隨著安全距離的增加而增大，增加幅度較高；隨著應(yīng)力比的增加，累積水平總能量、彈性應(yīng)變能和耗散能呈現(xiàn)出下凹型增長趨勢。

圖17 各工況隧道圍巖累積水平能量與應(yīng)力比的關(guān)系曲線

(3)能量分配規(guī)律研究。為了便于形象展示隧道與采空區(qū)在不同安全距離下的能量分配，繪制出彈性應(yīng)變能比例n(累積水平彈性應(yīng)變能與累積水平總能量之比)、耗散能比例m(累積水平耗散能與累積水平總能量之比)和耗散能比例系數(shù)e(累積水平耗散能與累積水平彈性應(yīng)變能之比)與應(yīng)力比的關(guān)系曲線，如圖18所示。

由圖18可知，不同工況下，n、m、e的曲線變化趨勢均一致。隨著安全距離的增加，n首先逐漸增加而后趨于穩(wěn)定趨勢，直至爆破開挖后應(yīng)力水平曲線驟降，曲線大致呈倒U型分布；m、e首先降低而后也趨于穩(wěn)定，最后曲線瞬間升高，大致呈U型分布。n、m、e不僅可直接反映圍巖在各應(yīng)力水平下的能量分配比例，而且還能間接反映隧道圍巖內(nèi)部損傷程度和能量轉(zhuǎn)化機(jī)制。

圖18 各工況隧道圍巖彈性應(yīng)變能比例、耗散能比例及耗散能比例系數(shù)與應(yīng)力比的關(guān)系曲線

由圖18可知：

(1)工況1～2中，n、m減少幅度最大，e增加幅度最大。

(2)工況3～4中，應(yīng)力比分別為0.38～0.57、0.61～0.82時(shí)，n、m、e處于較為穩(wěn)定趨勢。

(3)工況5～6中，隨著安全距離的增加，n、m、e曲線變化與其他工況相比增長幅度較為平緩。

總之，工況1～2達(dá)到能量弱化階段的應(yīng)力比速率較低而達(dá)到強(qiáng)化階段的應(yīng)力比速率較高。

5 工程應(yīng)用分析

在隧道施工中，采空區(qū)與隧道之間的合理安全距離在一定程度上決定了隧道走線、埋深、長度等設(shè)計(jì)因素，鑒于圍巖水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境的復(fù)雜性以及后期運(yùn)營安全，需對現(xiàn)場施工進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并進(jìn)一步根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，以提高隧道施工運(yùn)營安全。在前節(jié)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取工況4(安全距離為1D)K106+318 m處的測點(diǎn)進(jìn)行爆破監(jiān)測，使得采空區(qū)與隧道之間的振動速度控制在國家安全標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，從而避免采空區(qū)失穩(wěn)坍塌，使施工順利安全進(jìn)行?，F(xiàn)場測點(diǎn)位置布置見圖3，A、B、C、D 4個(gè)測點(diǎn)X、Y、Z3個(gè)方向振速實(shí)測結(jié)果如圖19所示。

一次爆破振動測試能同時(shí)采集空間上3個(gè)方位的振動速度分量。時(shí)程圖譜中，X、Y、Z3個(gè)通道采集的速度時(shí)程曲線，分別對應(yīng)了水平切向(與邊墻相切且沿隧道線路走向方向)、豎直方向(與邊墻相切且垂直于地面的方向)和水平徑向(與邊墻垂直的方向)這3個(gè)方向。

分析時(shí)程圖譜可知：

(1)爆破振動總時(shí)長約為1 s，3個(gè)方向上的振動速度時(shí)程曲線均有7個(gè)明顯波段，且3個(gè)方向上各波段的出現(xiàn)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間大致相同。

(2)測點(diǎn)最大爆破振動速度一般發(fā)生在掏槽爆破時(shí)(圖中峰值發(fā)生在第1次掏槽爆破時(shí))。因此，若隧道需要進(jìn)行控制爆破振動，則重點(diǎn)要放在掏槽孔減震上。

(3)測點(diǎn)合振振動速度的峰值為12.59 cm/s，小于國家《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[26]中規(guī)定的交通隧道爆破安全允許振動速度，即質(zhì)點(diǎn)振動速度不得超過12～15 cm/s。這表明在當(dāng)前爆破設(shè)計(jì)下，安全距離為1D時(shí)采空區(qū)對隧道的穩(wěn)定性影響有限，隧道側(cè)穿采空區(qū)地段施工整體上穩(wěn)定且符合安全需求。

圖19 4個(gè)測點(diǎn)X、Y、Z 3個(gè)方向的振速實(shí)測曲線

6 結(jié) 論

本文針對隧道側(cè)穿采空區(qū)所面臨的工程問題，通過FISH語言編程對FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行二次開發(fā)，并結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)測對深埋隧道側(cè)穿采空區(qū)施工安全距離及能量演化機(jī)制進(jìn)行研究，得到了如下結(jié)論：

(1)圍巖位移場演化規(guī)律表明，工況1～2中采空區(qū)對隧道影響十分嚴(yán)重，并會導(dǎo)致隧道發(fā)生局部畸變；工況3～4中采空區(qū)對隧道影響較小，但其位移增幅效應(yīng)仍不可忽視；工況5～6中可認(rèn)為采空區(qū)對隧道的影響可忽略不計(jì)。

(2)圍巖應(yīng)力場演化規(guī)律表明，工況1～3有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要分布在隧道的拱頂、拱底以及兩側(cè)與底板交接處；工況4～6中隨著采空區(qū)與隧道右側(cè)距離的增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱。

(3)能量演化規(guī)律表明，工況1～2中，n、m減小幅度最大，e增加幅度最大；工況3～4中，應(yīng)力比分別為0.38～0.57、0.61～0.82時(shí)，n、m、e處于較為穩(wěn)定趨勢；工況5～6中，隨著安全距離的增加，n、m、e曲線變化與其他工況相比增長幅度較為平緩。累積應(yīng)力水平能量和應(yīng)力比之間的曲線可分為加速、均速和減速3個(gè)階段，3個(gè)階段的能量演化亦能較好地反映圍巖內(nèi)部損傷破壞機(jī)制。

(4)結(jié)合工程現(xiàn)場振速實(shí)測曲線，振動速度的峰值分別為14.26和12.59 cm/s，小于國家《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中規(guī)定的交通隧道爆破安全允許振動速度，即質(zhì)點(diǎn)振動速度不得超過12～15 cm/s。這表明在當(dāng)前爆破設(shè)計(jì)下，安全距離為1D時(shí)采空區(qū)對隧道的穩(wěn)定性影響有限，隧道側(cè)穿采空區(qū)地段施工整體上穩(wěn)定且符合安全需求。

(5)綜合考慮以上各種因素得出隧道側(cè)穿采空區(qū)的安全距離規(guī)律，采空區(qū)距隧道0.5D(6 m)以內(nèi)時(shí)，采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)有重大影響，隧道結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)區(qū)；采空區(qū)距隧道0.5D～1D(6～12 m)之間時(shí)，采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，隧道結(jié)構(gòu)處于影響區(qū)；采空區(qū)距隧道大于1D時(shí)，采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)，隧道結(jié)構(gòu)處于安全區(qū)。