高鐵隧道下穿采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性及安全距離研究

周藝

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的隧道工程興建，在施工過程中會遇到各種地質(zhì)災(zāi)害，其中不少隧道下穿采空區(qū)。因此，開展隧道下穿采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性及安全距離研究，具有一定的意義。

國內(nèi)煤炭開采主要的方法有房柱式采煤法與壁式采煤法[1]，這兩種方法對后方采空區(qū)頂板的管理辦法都是全部垮落法[2]。

全部垮落法，就是在煤炭開采完之后，主動撤銷采煤工作面空間以外的支柱（或支架），使煤層頂板自然垮落，頂板垮落后的破碎巖塊體積膨脹，充填采空區(qū)，形成采空區(qū)的典型結(jié)構(gòu)狀態(tài)，即垮落帶、裂隙帶、彎曲帶。曹利以巴準(zhǔn)鐵路敖包溝隧道為依托，對隧道下穿房柱式采空區(qū)施工過程中采空區(qū)的變形規(guī)律進(jìn)行了研究；方勇等開展公路隧道下穿雙層煤層采空區(qū)的室內(nèi)開挖模擬試驗，通過埋設(shè)地中位移計、土壓力盒和電阻應(yīng)變片，測量了隧道開挖過程中采空區(qū)地層移動和初期支護(hù)內(nèi)力特征；葉懿尉等以延崇高速玉渡山隧道穿越營門鐵礦采空區(qū)段為研究對象，通過數(shù)值模擬軟件，量化研究了采空區(qū)對隧道的影響；李天富等結(jié)合華巖隧道施工實例，采用三維有限元計算模型穿越煤層采空區(qū)施工過程中，對施工力學(xué)機理及超前大管棚支護(hù)作用下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；蘇仝柱以畢節(jié)高速公路張基屯隧道為工程背景，研究隧道施工過程中有無采空區(qū)的影響規(guī)律。

1 工程概況

太焦高速鐵路皇后嶺隧道位于山西省長治市長治縣境內(nèi)。隧道進(jìn)口里程為DK241+765，出口里程為DK246+305，隧道全長4540m，設(shè)計車速250km/h，為太焦高速鐵路全線控制性工程之一。隧道出口DK245+845—DK246+305 段為淺埋段，設(shè)計圍巖級別為Ⅴ級，埋深約25～43m，洞身穿越地層為新黃土、石灰?guī)r、泥巖、砂巖。出口段隧道頂部12～15m 為15 號煤層采空區(qū)。

以皇后嶺隧道下穿采空區(qū)DK245+840—DK245+910 段為模擬對象，建立數(shù)值模擬計算模型，研究隧道開挖對采空區(qū)及周邊圍巖穩(wěn)定性的影響，同時采用數(shù)值模擬研究隧道下穿采空區(qū)的安全距離，找到隧道下穿采空區(qū)的最小安全距離。數(shù)值模擬段長70m，超前支護(hù)采用中管棚+超前小導(dǎo)管，注漿措施采用超前帷幕注漿，施工工法采用三臺階臨時仰拱法。

2 下穿采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性研究

2.1 模型建立

在皇后嶺隧道DK245+840—DK245+910 段落范圍內(nèi)，煤炭采空區(qū)呈單側(cè)分布，根據(jù)平面位置分布及與隧道的空間位置關(guān)系，在模型中用條帶空洞對其進(jìn)行模擬。條帶空洞寬9m，高2.3m，分布4 條，中間以6m寬巖柱進(jìn)行隔離。下穿采空區(qū)模型尺寸及地質(zhì)概況如圖1 所示。

圖1 下穿采空區(qū)模型尺寸及地質(zhì)概況示意圖

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 沉降分析

施工完成之后，下穿采空區(qū)隧道總沉降云圖如圖2 所示。其中，拱頂最大沉降為5.7mm，仰拱在隧道開挖卸載后隆起最大，最大隆起為5.9mm。

圖2 下穿采空區(qū)隧道總沉降云圖

2.2.2 收斂變形分析

施工步驟完成之后，隧道總的收斂變形很小，最大值僅為1.0mm，出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳位置，洞室周邊收斂變形對稱，如圖3 所示。

圖3 下穿采空區(qū)隧道收斂變形云圖

3 隧道下穿采空區(qū)安全距離研究

皇后嶺隧道DK245+840—DK245+910 段落下穿采空區(qū)間時，采空區(qū)的位移場與應(yīng)力場發(fā)生了明顯的變化，極有可能發(fā)生失穩(wěn)坍塌，導(dǎo)致隧道周邊應(yīng)力場二次改變，對隧道后期運營中的襯砌結(jié)構(gòu)造成不利影響?？紤]不同間距下隧道下穿采空區(qū)時兩者相互影響，主要有兩方面的評價指標(biāo)：一是隧道施工是否對采空區(qū)空洞造成變形集中現(xiàn)象；二是隧道施工后，采空區(qū)、塑性區(qū)是否增大和二次擾動規(guī)模是否增大。該次模擬工況共有四種工況，分別為隧道頂部距離采空區(qū)14m（1倍洞徑）、21m（1.5倍洞徑）、28m（2 倍 洞徑）、35m（2.5 倍洞徑）。其中，工況1（1 倍洞徑）為皇后嶺隧道下穿采空區(qū)的實際工況。隧道不同間距下穿采空區(qū)模型尺寸如圖4 所示。

圖4 隧道不同間距下穿采空區(qū)模型尺寸示意圖

3.1 施工結(jié)束后總位移分析

施工結(jié)束后，各工況總沉降云圖如圖5 所示。首先從隧道內(nèi)豎向位移進(jìn)行觀察，隧道豎向最大沉降5.67mm，出現(xiàn)在工況2 中，最小沉降5.61mm，出現(xiàn)在工況4 中，最大與最小沉降相差不到5%；最大隆起值7.22mm，出現(xiàn)在工況4，最小隆起值為7.02mm，出現(xiàn)在工況1，最大與最小隆起均未超過5%。表明隧道下穿采空區(qū)時，上部采空區(qū)對隧道內(nèi)部變形影響非常小，幾乎可以忽略不計。

圖5 施工結(jié)束后各工況總沉降云圖

3.2 采空區(qū)塑性區(qū)分析

塑性區(qū)的存在是實際工程中松弛區(qū)域坍落破壞區(qū)的前提，通過塑性區(qū)變化可以評價圍巖穩(wěn)定性的情況與安全程度。在MIDAS 有限元中，塑性區(qū)出現(xiàn)后表示為紅色，當(dāng)塑性區(qū)受到二次擾動、應(yīng)力重分布后表示為藍(lán)色，施工完成后的塑性區(qū)分布如圖6 所示?？梢钥吹?，隨著采空區(qū)的逐步上移，塑性區(qū)的面積、二次擾動區(qū)域均明顯減少，且二次擾動塑性區(qū)均出現(xiàn)在1 號與2 號采空區(qū)條帶上。隧道周邊塑性區(qū)均未受到上方采空區(qū)的影響。模型簡化之后，塑性區(qū)到隧道的距離增大且無縱向坡度，因此總的塑性區(qū)面積有所減少。

圖6 施工結(jié)束后各工況塑性區(qū)分布圖

對采空區(qū)的周邊塑性區(qū)總面積及二次擾動面積進(jìn)行統(tǒng)計，得到結(jié)果見表1?？梢缘玫剑瑥墓r2 開始，塑性區(qū)二次擾動面積及洞頂部面積均有明顯減少。采空區(qū)塑形分布與埋深有關(guān)，其直接面積不受隧道施工的影響，但是從其在采空區(qū)頂部的分布面積可以間接評價其失穩(wěn)破壞后對隧道的影響。結(jié)合洞頂上部塑性區(qū)面積、隧道與采空區(qū)的距離判斷，在達(dá)到2倍洞徑之后，采空區(qū)與隧道之間的相互影響即可忽略。

表1 不同工況下采空區(qū)塑性區(qū)面積統(tǒng)計

4 結(jié)論

其一，皇后嶺隧道下穿采空區(qū)段在設(shè)計支護(hù)條件下，圍巖最大拱頂沉降5.7mm，最大隆起5.9mm，收斂變形極小，最大不超過1mm，掌子面擠出變形在中下臺階較大，最大值1.5mm，洞室周圍邊圍巖塑性區(qū)分布范圍較小，施工階段在開挖面有小范圍分布。整體而言設(shè)計，在支護(hù)體系下，圍巖變形較小。

其二，采空區(qū)在施工過程中、施工結(jié)束后的位移變化表明，隧道施工主要影響區(qū)域在于正方采空區(qū)條帶及與其相鄰的采空區(qū)條帶，隧道正方采空區(qū)位移表現(xiàn)為頂部與底部的差異性沉降，但整體均勻，容易發(fā)生整體坍塌破壞，而相鄰采空區(qū)可能是自拱頂位移集中處開始失穩(wěn)破壞。

其三，通過建立數(shù)值計算模型，對隧道下穿采空區(qū)的穩(wěn)定性和安全距離進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，下穿采空區(qū)段采用“超前帷幕注漿+超前中管棚+加強型復(fù)合式襯砌”的支護(hù)措施，滿足施工和運營期間的安全要求。

其四，綜合分析認(rèn)為，當(dāng)隧道從采空區(qū)下方2 倍以上洞徑穿越時，隧道與采空區(qū)不會相互影響，隧道施工與采空區(qū)都能保持穩(wěn)定安全的狀態(tài)。