基于Midas隧道與下伏采空區(qū)垂直臨界高度的研究

周宴民

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶市 400074)

地下煤層開采之后，其上部圍巖失去下部支撐，在重力作用下逐漸產(chǎn)生二次形變、坍塌，即形成了采空區(qū)?，F(xiàn)有的隧道穿越采空區(qū)研究主要是采用數(shù)值模擬、相似模型試驗(yàn)等方法：如采用FLAC3D模擬隧道下伏水平采空區(qū)的開挖過程[1]，分析煤層厚度對(duì)隧道洞周位移、初期支護(hù)內(nèi)力和圍巖應(yīng)力的影響；開展了小凈距隧道下穿采空區(qū)地層施工的室內(nèi)相似模型試驗(yàn)[2]，對(duì)施工過程中圍巖及采空區(qū)的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；通過理論分析類比法，并采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[3]，綜合分析了杜夜錳礦地下采空區(qū)引起的地面變形影響范圍以及鐵路隧道變形情況。

基于重慶市永川區(qū)黃瓜山隧道右線K5+264.931～K5+327.536段的實(shí)際工程情況，采用Midas Gts Nx數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究。

1 工程概況

隧道右線里程K5+264.931～K5+327.536穿過下伏余家?guī)r煤礦采空區(qū)，隧道底部距采空區(qū)頂部高差平均約64 m，采空區(qū)標(biāo)高+267.7～+270 m，煤層傾角2°，工作面煤厚0.26 m，于2008年 11 月至2011年6月期間開采。隧道穿越須家河組5段頁(yè)巖為主地段，巖體完整性為破碎至較完整，巖體完整系數(shù)Kv=0.68，圍巖界別為Ⅳ級(jí)，層間結(jié)合一般至好。層狀巖層平均傾角為10°，平均埋深約125m，掌子面現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1。

圖1 黃瓜山右線掌子面現(xiàn)場(chǎng)斷面

2 數(shù)值模擬模型

采用Midas Gts Nx有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其特點(diǎn)在于優(yōu)秀的3D建模能力、智能的開挖循環(huán)設(shè)置以及優(yōu)秀的施工循環(huán)數(shù)值計(jì)算能力，能夠真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況。

2.1 幾何模型

采用的幾何模型為寬80m、長(zhǎng)70m、高222m的長(zhǎng)方體，隧道中軸線位于該長(zhǎng)方體水平方向中心位置，而隧道拱頂距模型頂部為125m，隧道下伏一三棱柱形采空區(qū)，由《永川至瀘州(重慶境)高速公路兩階段施工圖設(shè)計(jì)》，確定隧道右線與采空區(qū)的空間相對(duì)位置，其模型網(wǎng)格劃分圖可見圖2(a)與圖2(b)。隧道襯砌形式采用S4a襯砌形式，其幾何參數(shù)如圖3所示，開挖距離以5m作為一個(gè)開挖循環(huán)。設(shè)計(jì)圖中錨桿采取梅花形布置，即按照隧道縱向×隧道環(huán)向?yàn)?.8m×1.2m，錨桿長(zhǎng)度為3.0m，幾何模型將錨桿均勻分布，且沿隧道縱向距離變?yōu)?m，但環(huán)向錨桿變?yōu)?9根，近似于現(xiàn)場(chǎng)19.375根/m。

圖2 幾何模型網(wǎng)格劃分圖及特征線

圖3 襯砌支護(hù)形式

2.2 物理模型

所采用的力學(xué)參數(shù)來自于《永川至瀘州(重慶段)高速公路詳細(xì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告 YQTJ1 標(biāo)段》，部分常見參數(shù)參考其他論文進(jìn)行選取，如表1所示。其中為表征緩傾角層狀巖體的力學(xué)性質(zhì)，圍巖的本構(gòu)模型選用節(jié)理巖體模型，而一襯襯砌與錨桿均采用彈性本構(gòu)模型。其中α1與傾角這兩個(gè)參數(shù)控制模型的空間方向，而α2則是控制層狀巖體的傾角，層間粘聚力與層間摩擦力參數(shù)是按照國(guó)標(biāo)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)中結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值表進(jìn)行選取。其次，未考慮節(jié)理巖層的各項(xiàng)異性，即將圍巖另一方向的剪切模量與泊松比設(shè)置也與表1中相同，而節(jié)理層數(shù)參數(shù)則代表該巖層有幾個(gè)方向的節(jié)理面。

表1 材料特性參數(shù)表

一次襯砌彈性模量考慮鋼構(gòu)架，但不考慮鋼筋網(wǎng)，將其作為安全儲(chǔ)備。其中將鋼構(gòu)架彈性模量折算成一襯襯砌的彈性模量，其公式如下[4～7]：

(1)

其中：E—換算之后一次襯砌的彈性模量；

E0—一次襯砌彈性模量；

Eg—鋼構(gòu)架彈性模量；

Sg—單位長(zhǎng)度內(nèi)鋼構(gòu)架截面積；

Sc—單位長(zhǎng)度內(nèi)一次襯砌截面積。

2.3 高度設(shè)置及施工步驟

將隧道仰拱頂至三棱柱形采空區(qū)上部的垂直距離作為變量，分別設(shè)置無采空區(qū)、10m、20m、30m、40m、50m、60m、64m以及75m，其中64m是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

選取的隧道右線里程K5+264.931～K5+327.536段，其支護(hù)形式為S4a形式，其開挖方式為全斷面開挖，因此本數(shù)值模擬施工順序?yàn)椋哄^固錨桿、開挖核心土體、澆筑一次襯砌為一個(gè)施工循環(huán)，總計(jì)17個(gè)步驟。

3 假設(shè)檢驗(yàn)

3.1 取值節(jié)點(diǎn)

在上述理論支撐下，選擇y=0m截面作為研究截面，即幾何模型的隧道口截面，如圖4所示。

圖4 取值節(jié)點(diǎn)

3.2 成對(duì)數(shù)據(jù)的假設(shè)檢驗(yàn)

提取各高度工況及無采空區(qū)工況數(shù)據(jù)，利用式(2)～式(6)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)照組原假設(shè)為H0:μD=0，備擇假設(shè)為H1:μD≠0。根據(jù)成對(duì)數(shù)據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)有以下公式：

Di=Xi-Yi

(2)

(3)

(4)

(5)

W={|T|≥tα/2(n-1)}

(6)

取顯著性水平α為0.05，其假設(shè)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2可以得出，在顯著性水平α為0.05時(shí)，其下伏采空區(qū)對(duì)隧道施工總位移存在影響的臨界高度位于64～75m之間。

4 回歸分析

將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T作為自變量，高度作為因變量，進(jìn)行擬合，其結(jié)果如圖5，圖5是數(shù)據(jù)的線性擬合圖，其一次函數(shù)為：

Y=-3.84043X+77.30

圖5 線性擬合

其中該線性回歸的R2為0.8516，線性擬合較好，于是根據(jù)該線性擬合函數(shù)，可以預(yù)測(cè)當(dāng)X=2.009時(shí)的臨界高度為：

Y=-3.84043×2.009+77.30=69.58

5 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)比較分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)永川至瀘州(重慶境)高速公路YLTJ1標(biāo)段黃瓜山隧道進(jìn)口監(jiān)控量測(cè)報(bào)告，其監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)如圖6所示，將K5+300截面的拱頂與左拱腰、右拱腰三點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)與高度為64m試驗(yàn)組的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖7 總位移對(duì)比圖

由圖7可得，左右拱腰現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值較為接近，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值仍比數(shù)值模擬值稍高，拱頂處實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值其趨勢(shì)一致，證明數(shù)值模擬取值的合理性。

6 結(jié)論

通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步對(duì)無采空區(qū)與有采空區(qū)工況數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行成對(duì)數(shù)據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)分析，獲得了緩傾角層狀巖體隧道穿越下伏采空區(qū)的垂直臨界高度對(duì)隧道的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)通過成對(duì)數(shù)據(jù)的假設(shè)檢驗(yàn)方法，得到了在顯著性水平α為0.05時(shí)，垂直高度為10m、20m、30m、40m、50m、60m、64m的下伏采空區(qū)對(duì)隧道施工產(chǎn)生影響，而75m垂直高度的下伏采空區(qū)對(duì)隧道施工沒有影響。

(2)通過線性擬合方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過回歸分析對(duì)擬合曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到在顯著性水平α為0.05時(shí)對(duì)隧道施工完全無影響的下伏采空區(qū)垂直臨界高度為69.58m。