淺談坑道圍巖穩定性監測

董言斌，齊文斌

吉林省有色金屬地質勘查局六〇五隊，吉林 延吉 133001

坑探作為地質勘查工作的一種手段，已廣泛的應用在勘查工作中。在開挖地下坑道的過程中，圍巖穩定性問題已關系到施工安全、工程進度、材料的消耗和坑道的使用。因此，基于坑道圍巖穩定性分析、監測，已經成為坑道正常施工和使用的重要組成部分[1]。成功的監測將及時揭露勘察階段未發現的地質問題，及時采取應對措施，防范于未然。

本文首先采用FLAC3D對延吉市八道金礦深埋坑道的開挖過程進行模擬，從坑道圍巖的應力、變形位移及塑性區等方面進行圍巖穩定性分析，然后根據分析結果對坑道施工過程中圍巖形變大的部位進行監測，為坑道施工安全及支護方案提供了一定的參考依據。

1 FLAC3D簡介

FLAC3D（fast LaGrange analysis of continua in 3 dimension）是一款運用有顯示限差分方法對巖土或其它材料的三維力學行為進行模擬的軟件。由美國Itasca 軟件公司編制開發,在20 世紀90 年代初期才引入中國，主要應用于工程地質和巖土力學分析,如礦體滑坡、淺基和深基工程 ,坑道圍巖穩定性評價與支護、水利樞紐巖體穩定性等[1]。可以精確的模擬屈服、塑性流動、軟化直至破壞的整個過程[2]。

2 工程概況

延吉八道金礦坑探工程的布置主要是為詳查階段探求首采區高級儲量及為未來礦山開采所利用，坑道軸線大致呈近E-W 向展布，總長約5.88 km，設計斷面為長方形。

礦區位于吉林省長白山脈北麓英額嶺北部，中低山侵蝕剝蝕區。礦區山巒起伏，多呈尖棱角狀，海拔標高300～-660 m，當地侵蝕基準面標高300 m。地形坡度20°～35°，局部山體陡峭，坡度角大于45°。區內發育的河流主要是小煙集河和朝陽河，自北西向南東流匯入布爾哈通河。地下水埋深一般為7.0～15.0 m 之間，根據年降水量的大小而有所變化。坑道圍巖主要由燕山期細粒花崗巖和鉀長花崗巖、侏羅系安山巖、無斑安山巖、石英安山巖、安山質角礫凝灰巖等構成。礦區斷裂構造較發育，風化裂隙也較發育，工程地質環境質量屬于中等。礦區開采必然會引發一些環境工程地質問題，尤其是露天開采邊坡的穩定性和井巷開采井巷圍巖穩固性問題。

3 計算模型

因坑道工程總長較大，本文僅對埋深400 m 的坑道進行模擬分析。巖性主要為侏羅系安山巖、石英安山巖、安山質角礫凝灰巖，開挖坑道長度80 m，寬度3 m，高度3.5 m。本次數值模擬為靜力模擬，計算域邊界采取靜力邊界條件下的位移約束。因此，計算模型的6 個面采取相應位移約束和地應力的施加。根據早期地質勘探報告和坑道實際情況，對實體單元模型施加等效的地應力作用，施加到模型上的垂直應力為巖體自重應力，水平應力的大小為巖體的垂直應力與側壓系數的乘積。屈服準則采用Mohr-Coulomb 準則。取水平向右為X 軸正向，豎直向上為Z 軸正向，沿洞室軸線方向為Y 軸。巖體數值模擬力學參數進行了綜合評價，見表1。

表1 巖體物理力學參數表Table 1 Rock mass parameters of physical and mechanics

4 模擬結果與分析

本文利用FLAC3D對埋深400 m 坑道開挖過程進行模擬，掘進過程中不進行支護。對坑道受力云圖及形變云圖進行分析研究，結果如下：

圖1 坑道X向應力云圖Fig.1 The stress nephogram of the simulated tunnel in the X axis

（1）由圖1、2 應力云圖和3 剪力分布圖4 的塑性區分布圖可知： 在坑道開挖之前，圍巖巖體處于原始的應力平衡狀態，由于坑道的開挖，導致巖體初始應力場發生變化，洞周巖體發生卸荷回彈等應力重分布作用，卸荷后巖體質量降低，微裂隙擴大并貫通，在二次應力擾動下，洞周圍巖進入塑性區，從而使圍巖的強度降低，致使隧洞圍巖穩定性下降。（圖中負為壓應力，正為拉應力,應力單位為Pa）。

（2）由圖5、6 的位移圖可知：坑道開挖后，使坑道的圍巖失去了原有的支撐，圍巖要向坑道內空間松脹位移[3]。左右兩側洞壁最大產生1.07 ㎝的位移，坑道頂的下沉位移略大于底板的回彈位移，此時頂拱位移達2.85 cm，底板的位移達2.50 cm。越遠離坑道壁的地方，巖體內部受力越趨于自然應力狀態，從而由開挖導致的變形就越小（圖中位移單位為m）。

5 監測結果

通過利用FLAC3D軟件對不支護坑道開挖過程模擬，可以很好的對圍巖的受力部位和位移情況進行了解。這樣就可以在關鍵部位設置觀測點，對坑道施工過程中圍巖穩定性進行觀測。本工程我們在坑道頂拱、底板和腰線按5 m 間距均勻布設觀測點。通過不間斷的觀測，對不支護坑道開挖過程中圍巖徑向位移變化情況總結如表2。

6 結論

圖2 坑道Z向應力云圖Fig. 2 The stress nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

圖3 坑道剪力分布圖Fig. 3 The shear stress distribution diagram in the simulated tunnel

圖4 坑道塑性區分布圖Fig. 4 The distribution of plastic zone in the simulated tunnel

圖5 坑道X向位移云圖Fig. 5 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the X axis

圖6 坑道Z向位移云圖Fig. 6 The displacement nephogram of the simulated tunnel in the Z axis

表2 無支護條件下圍巖位移變化情況Table 2 Displacement change of surrounding rock without supporting

綜上所述，在無支護狀態下坑道開挖后引起了圍巖應力、位移及塑性區的變化。結合《巖體基本質量分級標準》和監測結果可知，坑道所處的安山巖圍巖中有裂隙發育，巖石飽和抗壓強度指標較低，整體性較差。由于坑道開挖后圍巖應力的不斷釋放導致徑向位移的加大，致使坑道在無支護條件下不具有長期的自穩能力，必須進行合理可行的支護處理。

[1] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社,2008.

[2] 尹清鋒,白 冰. FLAC3D及其在地下空間開挖分析中的一些問題[J] .西部探礦工程，2005,11：1-4.

[3] 馮景偉. 深埋隧道圍巖穩定性分析與支護研究[D].陜西：西安科技大學, 2009.