多層采空區(qū)影響下隧道內(nèi)力變化的數(shù)值研究

劉俊佳

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，在施工設(shè)計(jì)時(shí)將越來越多地面臨采空區(qū)這一不良地質(zhì)。采空區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌變形、冒頂塌方、漏水、路基不均勻沉降等問題[1]，給施工和運(yùn)營(yíng)帶來巨大的危害。目前對(duì)于隧道采空區(qū)的研究成果有煤層傾角的影響[2]，采空區(qū)距離的影響[3]等，主要研究方法有理論推導(dǎo)[4]、模型試驗(yàn)[5]和數(shù)值研究[6]。但對(duì)于隧道穿越多層采空區(qū)的研究還少有涉及，尤其對(duì)于隧道上下同時(shí)存在多層采空區(qū)時(shí)，對(duì)隧道的疊加影響效應(yīng)研究還不足。本文基于數(shù)值軟件來探究多層采空區(qū)對(duì)隧道收斂變形、襯砌內(nèi)力的綜合影響，并對(duì)注漿加固效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

太原某山體隧道位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，地形復(fù)雜，溝壑縱橫。山體海拔高度在800~1 000 m之間，山體巖性為石炭系上統(tǒng)太原組中風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道凈寬12.12 m，凈高6.79 m；隧道某段擬穿越多層采空區(qū)段，隧道頂板埋深70 m左右，屬于深埋隧道。采空區(qū)有3層，2號(hào)采空區(qū)位于隧道頂板上部9 m處，厚度約3 m；6號(hào)采空區(qū)位于隧道底板下部12 m處，厚度2 m；8號(hào)（9號(hào)）采空區(qū)位于隧道底板下部33.5 m處，厚度6 m。采空區(qū)走向與隧道走向斜交，采空區(qū)傾角約5°。煤層回采率40%，剩余孔隙率50%。采空區(qū)與隧道的空間位置關(guān)系見圖1。

圖1 采空區(qū)與隧道的空間位置關(guān)系（單位：m）

2號(hào)和6號(hào)采空區(qū)與隧道的垂直距離均小于1倍洞徑，根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG-TD31-03—2017）第5.5.6條，應(yīng)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行加固處理；按照6.2.2條可計(jì)算各采空區(qū)的處理寬度應(yīng)分別為50 m、63 m和77 m。擬采用地表注漿（2號(hào)采空區(qū)）和隧道內(nèi)注漿（6號(hào)和8號(hào)采空區(qū)）對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿治理，注漿材料由水、水泥、粉煤灰及外加劑組成，在注漿范圍邊緣設(shè)帷幕孔以防止?jié){液流失。帷幕孔徑為150 mm，注漿孔采用φ50 mm的鋼管。

采空區(qū)的頂?shù)装鍨樯皫r，透水性好。采空區(qū)內(nèi)部地層松散，滲透系數(shù)按0.25 cm/s考慮。根據(jù)地基處理手冊(cè)[7]表9-12，可通過插值預(yù)估，得出漿液的擴(kuò)散半徑約為10 m，因此注漿鉆孔間距為6~10 m。注漿壓力控制在1.5~2.0 MPa。

不同滲透系數(shù)所對(duì)應(yīng)的注漿擴(kuò)散半徑見表1。

表1 注漿擴(kuò)散半徑

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)上部約5 m范圍內(nèi)為冒落帶，20 m范圍內(nèi)為裂隙帶，因此隧道大致處于2號(hào)和6號(hào)采空區(qū)導(dǎo)致的裂隙帶中。由于2層疊加擾動(dòng)效應(yīng)，圍巖可能出現(xiàn)冒落掉塊，要對(duì)圍巖進(jìn)行加固，并對(duì)空洞進(jìn)行回填處理。對(duì)隧道裂縫圍巖，采用中空注漿導(dǎo)管進(jìn)行加固，注漿壓力控制在0.6 MPa左右。加固時(shí)，在隧道頂部空洞處設(shè)置護(hù)拱，以提高襯砌抗彎剛度；側(cè)墻空洞處則進(jìn)行混凝土或片石回填，以減少側(cè)墻地層壓力。結(jié)合地勘TSP探測(cè)技術(shù)，隧道襯砌加固設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 隧道襯砌加固設(shè)計(jì)圖

由于空間位置關(guān)系復(fù)雜，隧道內(nèi)力及場(chǎng)地穩(wěn)定性難以有效預(yù)測(cè)。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》第4.3.6條，可采用數(shù)值模擬方法對(duì)隧道或橋梁等重要構(gòu)筑物穿越多層采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目采用Midas/GTS巖土有限元軟件來探究多層采空區(qū)影響下隧道圍巖的變形特征、隧道襯砌的收斂位移和附加內(nèi)力，并由此對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采空區(qū)處治措施提供結(jié)果參考和反饋。

2 反演預(yù)測(cè)方法及模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)介

模型長(zhǎng)340 m，寬224 m，隧道圍巖統(tǒng)一?、跫?jí)圍巖，除煤層外不再分層；煤層有3層，傾角5°，自上而下分別為2號(hào)、6號(hào)、8號(hào)煤層（見圖3）。底部固定模型的水平和豎直運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)固定模型的水平位移，劃分單元類型為混合網(wǎng)格單元。煤層中部為隧道路基的影響范圍，單獨(dú)劃分網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

計(jì)算模型中，地層統(tǒng)一采用Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)，隧道初支和二襯均利用梁?jiǎn)卧M。初支梁?jiǎn)卧孛嫘螤顬楣?0a工字鋼，彈性模量和密度均取鋼材參數(shù)，間距為0.75 m；二襯梁?jiǎn)卧孛嫘螤顬?.55 m×1 m的實(shí)體矩形，材料為C30混凝土。施工階段模擬分初步支護(hù)和二次襯砌2步，分別激活H型梁和矩形梁，由于圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，二襯施加完成后，鈍化初支，將初支結(jié)構(gòu)視作穩(wěn)定圍巖的一部分(將二襯附近土體單元參數(shù)提高)，二襯100%受力。采空區(qū)地層由煤矸石和垮落的頂板碎石充填而成，是空隙較大的松散堆積物，因此可以將采空區(qū)等效成地層。

計(jì)算模型的主要計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算模型主要計(jì)算參數(shù)

計(jì)算工況分3種：（1）無采空區(qū)情況；（2）存在3層采空區(qū)情況；（3）注漿治理后情況。模擬注漿時(shí)，將隧道路基影響范圍內(nèi)的地層屬性改變成注漿材料單元。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 收斂位移

隧道襯砌結(jié)構(gòu)（二襯）的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖4，隧道（二襯）的最大變形見圖5。

圖4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)（二襯）的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖5 隧道（二襯）的最大變形

無采空區(qū)時(shí)，對(duì)于本隧道項(xiàng)目，初步支護(hù)結(jié)構(gòu)（工字鋼）的拱頂(A點(diǎn))下沉量為8.91 cm，拱腳水平收斂位移（C點(diǎn)）為3.99 cm。二襯結(jié)構(gòu)拱頂（A點(diǎn)）下沉量為6.40 cm，拱底（D點(diǎn)）隆起量為7.95 cm，拱腳（C點(diǎn)）水平收斂值為3.93 cm。兩側(cè)對(duì)稱變形。

當(dāng)隧道上方的2號(hào)采空區(qū)存在時(shí)，隧道呈偏壓變形，隧道左側(cè)采空區(qū)距隧道頂部稍遠(yuǎn)，松動(dòng)圍巖荷載較右側(cè)大，因此左側(cè)變形也較大，隧道主要發(fā)生向下的位移，變形量約為16.7 cm。

當(dāng)下伏采空區(qū)6號(hào)和8號(hào)存在時(shí)，隧道開挖后，A點(diǎn)豎直向下的位移為28.2 cm，C點(diǎn)的豎直位移為2.5 cm，仰拱中心相對(duì)拱頂隆起量為25.5 cm。這說明隧道開挖后，下伏采空區(qū)與隧道之間的巖層由于缺乏地層豎向的位移限制而導(dǎo)致隧道底部發(fā)生隆起。

多層采空區(qū)同時(shí)存在時(shí)，隧道整體下沉，偏壓變形和底部隆起現(xiàn)象消失，這是上下采空區(qū)疊加影響的結(jié)果。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）第9.2.15條，受彎構(gòu)件的變形允許值取l/400（l為二襯的總長(zhǎng)度）?？梢姛o采空區(qū)存在時(shí),隧道襯砌的位移能滿足要求；上部采空區(qū)存在時(shí)，拱頂位移變?yōu)?.5倍；下部采空區(qū)存在時(shí),變?yōu)?.5倍。

2.3.2襯砌內(nèi)力

分別取拱頂、拱墻、拱腳作為A、B、C 3個(gè)襯砌內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，D點(diǎn)為仰拱中心處的內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。無采空區(qū)時(shí)，初支結(jié)構(gòu)A、B、C 3個(gè)點(diǎn)的彎矩分別為-3.6 kN·m、-19.6 kN·m、-138 kN·m，彎矩對(duì)稱分布；軸力分別為1737 kN、2 889 kN、3 392 kN。C點(diǎn)拱腳處為初支結(jié)構(gòu)彎矩和軸力的最大值處。二次襯砌A、B、C各點(diǎn)的彎矩分別為-37 kN·m、42 kN·m、-174 kN·m，軸力分別為-2 263 kN、-4 128 kN、-4 317 kN。初支與二襯結(jié)構(gòu)彎矩在A點(diǎn)拱頂處的差異最大，比值接近1∶10；在C點(diǎn)拱腳處差異最小，比值接近4∶5。初支與二襯各點(diǎn)的軸力比值較為接近，為1∶1.4。

當(dāng)采空區(qū)存在時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩急劇增大，尤其是拱頂和拱底的彎矩增加倍數(shù)較大。初支結(jié)構(gòu)的拱頂彎矩增加最大，為正常情況的17倍，二襯結(jié)構(gòu)的仰拱中心處彎矩為正常情況的8.7倍。支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力則出現(xiàn)不同程度的減小，最大減小量為正常情況下的0.5倍。注漿治理后，采空區(qū)縫隙被填充和膠結(jié)，松動(dòng)巖土壓力大大減少，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力都明顯減少，均小于無采空區(qū)時(shí)深埋隧道的內(nèi)力值。

多層采空區(qū)同時(shí)存在時(shí)，彎矩較正常情況明顯增大，軸力卻減小，由此可知采空區(qū)松動(dòng)的巖體壓力使得襯砌的偏心距增大。無采空區(qū)時(shí)，初支結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的偏心距分別為2.1 mm、6.8 mm、40.7 mm；存在采空區(qū)時(shí)，分別為47 mm、23.5 mm、309.2 mm。偏心距增加最大的為測(cè)點(diǎn)C拱腳處，為正常情況的22倍，這將大大降低初支結(jié)構(gòu)（鋼拱架）承載力。注漿治理后，初支結(jié)構(gòu)的偏心距分別為1.3 mm、1.3 mm、18.9 mm，均小于無采空區(qū)時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的偏心距。

不同工況下初支結(jié)構(gòu)偏心距的變化見圖6，襯砌結(jié)構(gòu)偏心距的變化見圖7。

圖6 不同工況下初支結(jié)構(gòu)偏心距的變化

圖7 不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)偏心距的變化

2.4 地層變形

無采空區(qū)時(shí)，2號(hào)采空區(qū)所在地層呈盆狀沉降形態(tài)，沉降中心沉降量為4.5 cm；下部地層受開挖卸荷影響向上隆起，位移分別為3.4 cm、2.0 cm。多層采空區(qū)同時(shí)存在時(shí)，隧道開挖后巖體地應(yīng)力重新分配，導(dǎo)致各采空區(qū)地層均呈現(xiàn)盆狀沉降，最大地層沉降量20 cm，最大為無采空區(qū)時(shí)地層變形的10倍，且離隧道越遠(yuǎn)的地層沉降越小。隧道整體下沉的沉降量為20 cm。注漿治理后2號(hào)采空區(qū)沉降中心的沉降量為4.3 cm，下伏采空區(qū)地層的位移量分別為3.4 cm和1.9 cm。由此說明，注漿加固能夠有效地減少地層變形，從而減輕對(duì)隧道路基的破壞（見圖8）。

圖8 地層變形特征（單位：m）

3 結(jié) 語

（1）上覆傾斜采空區(qū)在隧道上部產(chǎn)生不均勻的圍巖松動(dòng)壓力，使得隧道襯砌發(fā)生偏壓變形，距上覆采空區(qū)較遠(yuǎn)一側(cè)的襯砌變形較大；下伏采空區(qū)的存在使隧道底部的巖層缺失豎向的地層約束，從而導(dǎo)致仰拱發(fā)生隆起；多層采空區(qū)同時(shí)存在時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的變形趨于一致，發(fā)生整體下沉，下沉量約為正常情況的4倍。

（2）多層采空區(qū)使得隧道襯砌彎矩急劇增加，最大為正常情況的17倍，軸力則出現(xiàn)不同程度的減少，最大減少為原來的0.5倍。存在多層采空區(qū)時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的截面偏心距最大為正常情況的22倍。因此存在采空區(qū)時(shí)，要防止因初支結(jié)構(gòu)鋼拱架截面偏心距增大導(dǎo)致的整體失穩(wěn)。注漿治理后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的偏心距均小于正常情況。

（3）正常情況下，隧道開挖后，隧道上部的地層呈盆狀沉降，下部地層由于隧道開挖卸荷而發(fā)生向上隆起。存在多層采空區(qū)時(shí)，隧道及周圍圍巖由于擾動(dòng)作用而發(fā)生整體下沉。注漿治理后，地層的變形模式與變形量與無采空區(qū)時(shí)較為接近，為存在采空區(qū)時(shí)位移量的1/10。