公路隧道穿越陡傾煤層采空區力學特性分析*

劉曉勇 田 嬌 龔建伍

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著基礎設施建設的投入不斷增大，高速公路建設迅速發展，不可避免地需要經過煤礦采空區[1]。急傾斜采空區極易失穩冒落，使地表劇烈變形，產生陷坑等，嚴重威脅隧道的安全施工[2]。近年來學者們針對采空區開展了系列研究工作[3-5]，但多針對某采空區的穩定性或處治措施進行分析，且煤層與隧道的交角相對較平緩，陡傾煤層采空區極少涉及，而陡傾煤層采空區上覆地層的移動和變形規律明顯有別于緩傾斜煤層采空區。因此，對高速公路穿越陡傾煤層采空區穩定性分析及處治技術研究具有重要的意義。

基于此，本文針對陡傾煤層，開展隧道垂直穿越陡傾采空區的三維數值分析，并建立對應無采空區的分析模型，對比有無采空區情況下，隧道施工對圍巖的變形和應力影響規律，分析陡傾采空區對隧道結構的影響程度和規律，為采空區隧道處治方案的決策提供參考。

1 計算模型及方案

以兩車道公路隧道為例進行分析，按公路隧道設計規范推薦形式選取隧道斷面，橫向開挖最大跨度約12 m，豎向開挖高度約10 m。計算模型范圍：X方向取200 m，左右距隧道外邊側均超過90 m，Y方向取150 m，距隧道上下邊側約70 m，沿隧道軸向即Z方向取99 m。

選取隧道垂直穿越煤層采空區這種工況進行分析，考慮到當前開采中厚煤層多采用全部垮落法，采空區頂板圍巖充分垮落，采空區被垮落圍巖填充，特別對于薄煤層采空區，由于垮落圍巖有一定的碎脹性，填充物幾乎可以充滿采空空間，采空區可視為沒有空洞，數值計算中可采用降低力學參數來模擬。本節數值分析過程中，即采取弱化圍巖來模擬，弱化煤層采區尺寸選取5 m×40 m×200 m(高×寬×長)，采空區的弱化力學參數見表1。

表1 圍巖和支護結構的物理力學參數及本構模型

本次數值模擬采用midas GTS進行計算，模型共劃分27 416個單元，23 352個節點。模型位移邊界條件：對于左右兩側給定X向位移約束；對于底面給定Y向位移約束；對于隧道縱向邊界面，施加Z向位移約束。模型坐標與半模型有限元網格劃分圖見圖1。隧道和采空區開挖局部網格劃分圖見圖2，隧道與采空區單元相對位置關系圖見圖3。

圖1 模型坐標及有限元網格劃分圖

圖2 隧道與采空區局部有限元網格劃分圖

圖3 隧道與采空區垂直穿越位置示意圖

為突出研究目的，重點分析公路隧道垂直穿越采空區施工的相互影響，建立對應無采空區分析模型，分別對比有無采空區情況下，隧道施工對圍巖變形和應力的影響規律。進行有限元計算時，將施工過程簡化為施工工況表見表2。

表2 計算模型施工工況表 m

續表2

模擬隧道施工工法為全斷面法，距離采空區相對較遠時開挖步長取10 m，距離采空區較近時開挖步長減小為5 m，隧道模型范圍及開挖步長平面示意圖見圖4。

圖4 隧道模型范圍及開挖步長平面示意圖(單位：m)

2 計算結果與分析

2.1 隧道施工過程中圍巖位移分析

隧道施工引起采空區位置隧道拱頂下沉值變化曲線圖見圖5。

圖5 隧道施工引起采空區位置隧道拱頂下沉值變化曲線圖

由圖5可見，以目標分析斷面拱頂下沉為例，當隧道開挖到距離目標開挖斷面前后一定范圍時，其對隧道拱頂位移影響顯著，超出這個范圍，其施工影響顯著減小，并基本趨于穩定。

由圖5還可見，無采空區時隧道施工對目標分析斷面主要影響范圍在其前后10 m左右，而有采空區時，該影響范圍有所增加，在穿越采空區前后15 m左右，當然，該影響范圍與圍巖條件、采空區規模等密切相關。但這說明采空區對隧道結構的影響范圍增大，該區域應該成為隧道施工過程中加強初期支護和監測的重點區域。整體而言，由于采空區圍巖破碎軟弱，隧道穿采空區段時，圍巖變形明顯增大，且影響范圍也有一定程度的增大，對隧道穩定性有不利影響。

2.2 隧道施工過程中圍巖應力分析

隧道施工穿越采空區(L11)和隧道施工結束(L16)2個典型施工步對應的隧道圍巖最大、最小主應力云圖見圖6～圖9。同時也列出了無采空區時對應工況下隧道圍巖最大、最小主應力云圖以作對比分析。

圖6 第11施工步圍巖最大主應力分布圖(單位：Pa)

圖7 第11施工步圍巖最小主應力分布圖(單位：Pa)

圖8 第16施工步圍巖最大主應力分布圖(單位：Pa)

圖9 第16施工步圍巖最小主應力分布圖(單位：Pa)

從圖6～圖9中可以看出，對于圍巖最大、最小主應力，沿隧道軸線方向同一埋深處，未受采空區影響的隧道圍巖應力分布無明顯變化，而對受采空區影響的范圍，圍巖應力明顯大于無采空區條件下的圍巖應力。

以隧道穿越采空區施工工況為例，無采空區情況下，圍巖最小主應力(壓應力)約為11 MPa，而對應有采空區情況下，圍巖最小主應力約為16 MPa，變化相對較大。這表明由于采空區段圍巖破碎及采空區上覆巖層下移，隧道穿采空區段的圍巖應力向下部巖層進行了應力傳遞，受采空區影響段的隧道圍巖應力分布與未受采空區影響的隧道圍巖應力分布規律差異明顯。

2.3 隧道施工過程中支護結構應力分析

有采空區情況下隧道施工穿越采空區(L11)和隧道施工結束(L16)時2個典型施工步對應的隧道支護結構主應力分布圖見圖10及圖11。同時也列出了無采空區時對應工況下隧道支護結構主應力分布圖。

圖10 第11施工步二襯主應力分布圖(單位：Pa)

圖11 第16施工步二襯主應力分布圖(單位：Pa)

由圖10及圖11可知，有無采空區情況下，隧道施工引起支護結構受力規律基本一致，隧道施工穿越采空區和貫通后二襯結構外側(接近圍巖一側)主要承受壓應力，二襯內側表面也基本承受壓應力，但在拱頂和仰拱底部局部位置承受拉應力，襯砌遠離拱頂的兩側從拉應力向壓應力逐漸過渡，到拱腳位置則主要承受壓應力。從隧道二襯結構主應力最大值分析可知，有采空區時，支護結構最大應力相比無采空區時均有明顯增大，不同開挖步對應的增幅略有不同，在當前計算工況下，采空區的存在使得隧道支護結構主應力最大值增大15%～20%。拱腳位置壓應力最大，經計算得該處無采空區時襯砌的安全系數為2.29；有采空區時，襯砌安全系數降為1.98，已經不滿足《公路隧道設計規范》對鋼筋混凝土結構安全系數不小于2的要求。

綜上所述，采空區的存在，無論是從圍巖變形，還是支護結構內力分布，對隧道整體結構的穩定性均有不利影響，施工中宜采取相關應對措施，在穿越采空區前后約15 m范圍應加強超前支護并加強圍巖和結構受力監測，結合實際圍巖條件，可選擇加固圍巖或加強隧道支護結構，確保隧道施工安全。

3 結語

本文通過有限元數值模擬，開展隧道垂直穿越陡傾采空區的三維數值模擬，分析隧道施工對圍巖的變形和應力影響規律，以及陡傾采空區對隧道結構的影響程度和規律，得到如下主要結論。

1) 隧道穿越采空區段時，圍巖變形明顯增大，且影響范圍也有一定程度的增大，對隧道穩定性有不利影響，該區域是隧道施工過程中加強支護和監測的重點區域。

2) 由于采空區段圍巖破碎及采空區上覆巖層下移，隧道穿越采空區段的圍巖應力向下部巖層進行了應力傳遞，受采空區影響段的隧道圍巖應力分布與未受采空區影響的隧道圍巖應力分布規律差異明顯。

3) 有采空區時，支護結構最大應力相比無采空區時均有明顯增大，不同開挖步對應的增幅略有不同，采空區的存在使得隧道支護結構主應力最大值增大15%～20%，襯砌結構安全系數降低。

4) 陡傾采空區的存在，無論是從圍巖變形，還是支護結構內力分布，對隧道整體結構的穩定性均有不利影響，施工中宜采取相關應對措施，確保隧道施工安全。