隧道下穿采空區(qū)圍巖變形規(guī)律研究★

劉保川，吳軍國，胥克明，高 飛，楊 旭

(中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通需求量劇增，高速公路、高速鐵路快速增長，隧道在相應(yīng)工程中的作用日益重要，而在山西、內(nèi)蒙古等西北地區(qū)產(chǎn)煤大省，不少隧道穿越采空區(qū)，特別是下穿采空區(qū)最為常見。由于我國煤系地層分布復(fù)雜，采空區(qū)不規(guī)則，該類情況對隧道建設(shè)安全危害極大，因此開展隧道下穿采空區(qū)圍巖變形規(guī)律研究，對指導(dǎo)隧道施工具有十分重要的意義。

針對隧道穿越采空區(qū)圍巖變形及控制，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。李輝等[1]以公路隧道下穿石膏礦采空區(qū)段為研究對象，采用有限元數(shù)值分析了隧道圍巖收斂變化，針對性的提出了相應(yīng)的治理措施。石剛等[2]同樣針對下穿石膏礦采空區(qū)，采用ANSYS對比分析了兩種支護(hù)方案的控制效果。韓憲軍等[3]數(shù)值對比了有無下伏采空區(qū)條件下鐵路隧道位移場和應(yīng)力場變化規(guī)律。李曉紅等[4]分析了初期支護(hù)下隧道穿越采空區(qū)圍巖變形特征，總結(jié)了隧道采空區(qū)處理的原則和方法，闡述了治理措施。覃羨安[5]詳細(xì)介紹了不同圍巖等級和采空區(qū)條件下的施工方法和支護(hù)方案，對比分析了不同方案下采空區(qū)對隧道圍巖的影響。王少斌[6]以采空區(qū)上覆巖層的沉陷特征為理論依據(jù)，對柏樹底鐵路隧道地下采空區(qū)進(jìn)行了穩(wěn)定性評價(jià)。宋南濤等[7]研究了不同大小的采空區(qū)尺寸和離隧道頂部的不同距離時(shí)對隧道施工安全性影響，建立了采空區(qū)位置分布與隧道安全性之間的關(guān)系。尹士獻(xiàn)等[8]以某運(yùn)煤隧道為研究背景，得出在采空區(qū)剩余變形作用下，隧道的圍巖能夠保持其穩(wěn)定性。蔣德武[9]以華巖隧道為工程背景，明確了采空區(qū)對隧道的影響分區(qū)，分析了強(qiáng)影響區(qū)范圍內(nèi)隧道加固措施的可靠性。陳楊[10]以某隧道穿越煤層采空區(qū)為背景，得出了采空區(qū)下部圍巖垂直應(yīng)力明顯大于上部圍巖隧道且圍巖水平收斂較大區(qū)域主要集中在采空區(qū)下部巖層的結(jié)論。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以太(原)焦(作)高鐵控制性工程—皇后嶺隧道為工程背景，分析采空區(qū)與隧道之間不同距離、不同圍巖強(qiáng)度、不同支護(hù)強(qiáng)度等條件下隧道拱頂位移變化規(guī)律，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

太焦高鐵線路途經(jīng)山西省會(huì)太原市、晉中市、長治市、晉城市、河南省焦作市，線路長度358.769 km，其中山西省境內(nèi)325.358 km，河南省境內(nèi)33.411 km?；屎髱X隧道位于山西省長治市長治縣境內(nèi)，起始里程為DK241+765，終點(diǎn)里程為DK246+305，全長4 540 m。隧道進(jìn)口位于長治縣辛呈村西南角，隧道出口位于長治縣西八村東南。最大埋深142.56 m，位于DK244+740，地面高程1 131.02 m。隧道為雙線設(shè)計(jì)，線間距4.6 m，設(shè)計(jì)行車速度250 km/h。

隧道區(qū)位于太行山中南段的長治盆地南緣，屬低中山區(qū)。地貌單元主要有剝蝕、低中山、低山地貌。隧址區(qū)含有地下水，水位埋深為33.2 m～113.5 m，高程952.2 m～988.9 m，主要為上層滯水及基巖裂隙水，其中基巖裂隙水賦存于砂巖。

通過地質(zhì)鉆探分析，隧址區(qū)主要分布地層為：

1)全系統(tǒng)坡洪積巖：新黃土，淡黃色，堅(jiān)硬，蟲孔發(fā)育，大孔隙結(jié)構(gòu)，層厚0 m～9.8 m，主要分布于隧道進(jìn)口黃土沖溝及丘間低洼處。

2)石炭系上統(tǒng)太原組：主要巖性為泥巖，砂巖、石灰?guī)r及煤層，15號(hào)煤層為可采煤層，位于該組地層下部，開采后形成的采空區(qū)位于擬建隧道上方，對隧道開挖及控制影響顯著。本組K2，K3，K4及K5石灰?guī)r層位穩(wěn)定，為明顯標(biāo)志層，其中K5石灰?guī)r為15號(hào)煤層老頂，厚度在5 m～9 m之間。

3)奧陶系中統(tǒng)峰峰組：石灰?guī)r，軟風(fēng)化，中厚層狀構(gòu)造，巖芯一般成柱狀，裂隙發(fā)育，裂隙面由方解石填充，溶蝕、溶槽發(fā)育。擬建隧道主體穿越石灰?guī)r。

隧址區(qū)內(nèi)分布的煤礦開采點(diǎn)共有7處，采空區(qū)在隧道上方主要有兩段，左側(cè)里程DK243+095～DK243+825、右側(cè)里程DK245+485～DK246+125，其中左側(cè)采空區(qū)距離隧道開挖輪廓線上方約15 m～85 m，右側(cè)約10 m～62 m。如圖1所示，根據(jù)隧道施工進(jìn)度以及采空區(qū)距離隧道高度，本文選擇先期施工的右側(cè)里程開展圍巖變形分析。

3 開挖和支護(hù)方案

3.1 開挖方案設(shè)計(jì)

隧道下穿采空區(qū)段圍巖等級為Ⅴ級，考慮施工進(jìn)度要求，設(shè)計(jì)采用弱爆破、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。如圖2所示，上臺(tái)階高為3.11 m、中臺(tái)階高為4.22 m、下臺(tái)階高為3.05 m，開挖時(shí)預(yù)留變形量為10 cm～15 cm。臨時(shí)仰拱在架設(shè)拱架期間每兩榀施作一次，中、下臺(tái)階左右至少錯(cuò)開三榀開挖，嚴(yán)禁兩邊拱架同時(shí)懸空。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

如圖3所示，初期支護(hù)中拱架采用Ⅰ20型鋼鋼架，間距1 m，拱腳處施打型號(hào)為42 mm×5 mm(直徑×壁厚)、長4 m的鋼管，與鋼拱架成45°，其中上、中兩個(gè)臺(tái)階每個(gè)節(jié)點(diǎn)布設(shè)6 根；下臺(tái)階每個(gè)節(jié)點(diǎn)布設(shè)4根。錨桿型號(hào)為φ22×4 000 mm，環(huán)縱間距為1 200 mm×1 000 mm的砂漿錨桿。初噴為厚度23 cm的C25混凝土，二次襯砌為厚度40 cm的C30混凝土。

4 數(shù)值分析

4.1 模型建立

本節(jié)主要選取DK246+010段(隧道位于采空區(qū)上方10.98 m處)和DK245+260段(隧道位于采空區(qū)上方60 m處)為研究對象，并根據(jù)實(shí)際情況，對模型進(jìn)行了簡化：1)圍巖采用等效力學(xué)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)見表1；2)除上部邊界外，其余模型邊界均設(shè)置為法向約束；3)補(bǔ)償應(yīng)力在模型頂部沿隧道開挖方向線性布置，大小為2 MPa～1 MPa。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

如圖4所示，隧道模型沿X方向?yàn)?00 m，Y方向?yàn)?00 m，Z方向?yàn)?3 m，共177 400單元，188 445個(gè)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際采用的支護(hù)構(gòu)件，拱架采用梁單元Beam、錨桿采用Cable單元、襯砌用結(jié)構(gòu)單元Liner模擬，具體參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)參數(shù)

4.2 方案設(shè)計(jì)

本節(jié)主要研究采空區(qū)與隧道不同距離、不同圍巖強(qiáng)度、不同支護(hù)強(qiáng)度影響下拱頂位移變化規(guī)律。如表3～表5所示，采用三臺(tái)階加仰拱開挖方法，考慮有無采空區(qū)和采空區(qū)距離兩種因素對拱頂沉降的影響，采空區(qū)條件下討論圍巖強(qiáng)度等級、支護(hù)強(qiáng)度兩種主要因素。

表3 采空區(qū)底板距離隧道頂部不同距離

表4 不同強(qiáng)度等級圍巖力學(xué)參數(shù)

表5 不同支護(hù)強(qiáng)度

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 采空區(qū)底板距離隧道頂部距離影響討論

圖5為隧道距采空區(qū)不同高度拱頂位移分布。

分析可知：

1)隧道距離采空區(qū)10 m時(shí)，隧道拱頂沉降值為35.5 mm；隧道距離采空區(qū)24.5 m時(shí)，隧道拱頂沉降為22.4 mm；隧道距離采空區(qū)34 m時(shí)，隧道拱頂沉降為21.5 mm。隨著隧道頂部與采空區(qū)距離的逐漸增大，拱頂沉降逐漸減小，即距離越大，采空區(qū)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響越小，距離1.7D(D為隧道開挖跨度)沉降值約為距離1D的50%。

2)當(dāng)隧道距離采空區(qū)大于1.7D時(shí)，隨著距離的增大，沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定值21.5 mm，減小速率(0.45%～1.8%)明顯小于距離小于1.7D時(shí)的減小速率(6.6%～12.5%)，即1.7D為采空區(qū)對隧道的有效影響范圍，當(dāng)距離增大至1.7D時(shí)，能有效減小隧道拱頂變形值。

3)相比于無采空區(qū)，在相同圍巖條件下，有采空區(qū)的隧道拱頂沉降變形明顯高于無采空區(qū)段，有采空區(qū)工況下隧道拱頂沉降值為21.4 mm～35.5 mm，無采空區(qū)工況下拱頂沉降最大值為19.8 mm，說明采空區(qū)的存在導(dǎo)致圍巖整體性變差，造成圍巖性質(zhì)不穩(wěn)定，變形過大。

4)無采空區(qū)工況的隧道拱頂最大位移約為20 mm，與有采空區(qū)工況下采空區(qū)距離隧道距離大于1.7D時(shí)的拱頂位移值基本一致，進(jìn)一步判斷采空區(qū)對隧道的影響高度為1.7D，當(dāng)距離高于1.7D時(shí)，采空區(qū)對隧道的影響范圍可以忽略不計(jì)。

4.3.2 圍巖強(qiáng)度影響討論

圖6為不同圍巖強(qiáng)度下拱頂位移分布。

分析可知：

1)支護(hù)構(gòu)件強(qiáng)度不變，采空區(qū)高度不變，隧道拱頂位移隨著圍巖強(qiáng)度等級的降低，位移不斷增大。當(dāng)A<0.9時(shí)開始發(fā)生變化，圍巖變形受圍巖強(qiáng)度等級影響明顯，拱頂位移與隧道圍巖等級呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。以支護(hù)強(qiáng)度為B1、采空區(qū)高度為C6固定為例，當(dāng)圍巖強(qiáng)度等級A=0.4時(shí)，隧道拱頂位移沉降量達(dá)到620 mm；當(dāng)圍巖強(qiáng)度等級A=0.6時(shí)，隧道拱頂位移沉降量達(dá)到190 mm。

2)當(dāng)圍巖強(qiáng)度A≥0.9時(shí)，圍巖等級的變動(dòng)對于拱頂位移的控制影響逐漸減小。以B2為例，圍巖強(qiáng)度等級為A=0.9時(shí)，拱頂位移量為35 mm，當(dāng)圍巖強(qiáng)度等級提升至A=1時(shí)，拱頂位移量為24 mm，降低了31.4%；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提升至A=1.1時(shí)，拱頂位移量為20 mm，降低了16.7%；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提升至A=1.2時(shí)，拱頂位移量為15 mm，降低了25%。圍巖的強(qiáng)度等級對位移影響顯著。

4.3.3 支護(hù)強(qiáng)度影響討論

圖7為不同支護(hù)強(qiáng)度下拱頂位移分布。

分析可知：

1)圍巖強(qiáng)度不變，采空區(qū)高度不變，隧道拱頂位移隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大，位移不斷減小，呈近似線性關(guān)系。以圍巖強(qiáng)度為A9、采空區(qū)高度為C6固定為例，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為B1時(shí)，隧道拱頂位移沉降量達(dá)到620 mm；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為B4，隧道拱頂位移沉降量達(dá)到300 mm。

2)當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于A7時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度的提升對于拱頂位移的控制影響逐漸降低。以A2為例，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為B1時(shí)，拱頂位移量為22 mm，支護(hù)強(qiáng)度提升至B2時(shí)，拱頂位移量為19 mm，降低了13.6%；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提升至B3時(shí)，拱頂位移量為16 mm，降低了15.7%；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度提升至B4時(shí)，拱頂位移量為15 mm，降低了6.25%。隧道圍巖變形在圍巖強(qiáng)度等級高于A7時(shí)受支護(hù)強(qiáng)度影響較弱，圍巖等級越低，支護(hù)強(qiáng)度對隧道變形的有效控制效果越好。

5 結(jié)語

1)隨著隧道頂部與采空區(qū)距離的逐漸增大，拱頂沉降逐漸減小，即距離越大，采空區(qū)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響越小，當(dāng)隧道距離采空區(qū)大于1.7D時(shí)，隨著距離的增大，沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定值21.5 mm，即1.7D為采空區(qū)對隧道的有效影響范圍。

2)隨著圍巖強(qiáng)度等級的降低，拱頂位移不斷增大，且呈現(xiàn)指數(shù)式增長。當(dāng)A>0.9時(shí)，拱頂位移變化較小，當(dāng)A≤0.9時(shí)圍巖開始發(fā)生變化，呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢，隧道圍巖穩(wěn)定性受圍巖強(qiáng)度等級影響顯著。

3)隧道拱頂位移隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大，位移不斷減小。但當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于A7(0.6倍實(shí)測)時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度的提升對于拱頂位移的控制影響逐漸降低，表明隧道圍巖變形在圍巖強(qiáng)度等級高于A7時(shí)受支護(hù)強(qiáng)度影響較弱，圍巖等級越低，支護(hù)強(qiáng)度對隧道變形的有效控制效果越好。