尾礦庫(kù)下方施工隧道安全影響分析

任從坡 林建廣

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

河北寬城縣地形為山嶺重丘區(qū)，當(dāng)?shù)罔F礦數(shù)量眾多，地表尾礦庫(kù)星羅棋布，某正在運(yùn)行國(guó)道由于安全原因需要改道，經(jīng)過多個(gè)路由方案比選，考慮當(dāng)?shù)氐匦巍⒌刭|(zhì)條件較為復(fù)雜，最終確定的國(guó)道路由采用隧道方式從小峪溝尾礦庫(kù)下方21 m深度處通過。該隧道的施工是否會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)造成安全隱患成為該路方案是否可行的關(guān)鍵條件，由此從隧道施工爆破振動(dòng)影響、隧道圍巖變形影響及尾礦壩穩(wěn)定性方面展開深入研究分析。

1 概況

1.1 尾礦庫(kù)概況

小峪溝尾礦庫(kù)區(qū)域地貌為燕山山脈中段構(gòu)造剝蝕低山區(qū)，地形較簡(jiǎn)單、植被較發(fā)育，庫(kù)區(qū)走向西東向。溝谷及沖溝兩側(cè)有部分第四系坡積層覆蓋，溝谷中心以第四系殘坡積層和坡洪積層為主。整個(gè)庫(kù)區(qū)可視為一個(gè)獨(dú)立水文地質(zhì)單元，水的來源主要為地表水和地下水，地表水主要為季節(jié)性大氣降水和尾礦水。

尾礦庫(kù)處于V型溝谷內(nèi)，庫(kù)底為白云巖，第四系覆蓋層為角礫，溝口筑壩。庫(kù)區(qū)地層巖性由初期壩、天然地層和尾礦堆積層組成。該區(qū)尾礦砂中根據(jù)室內(nèi)篩分試驗(yàn)判定，大部分為尾中砂、尾細(xì)砂、尾礦土，局部夾尾細(xì)砂薄層。尾礦壩采用上游式筑壩，尾礦庫(kù)總庫(kù)容為1 432 萬m3，等別為三等。該尾礦庫(kù)排放堆積的尾礦已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，已停止排放尾礦，見圖1、2。

圖1 尾礦庫(kù)與隧道相對(duì)平面位置圖

初期壩：為混合壩，天然地層表層為角礫。尾礦砂：由于尾礦沉積分選性不強(qiáng)，庫(kù)區(qū)面積太大，不能完全均勻放礦，尾礦砂中普遍存在尾粉土夾層(3～10 cm)，且在同平面上不連續(xù)，呈透鏡體狀。垂直層序上存在上粗下細(xì)的規(guī)律，水平層上由堆積子壩向庫(kù)區(qū)內(nèi)由粗變細(xì)。

尾礦庫(kù)基本數(shù)據(jù)見表1、2。

表1 尾礦庫(kù)初期壩及堆積壩參數(shù) m

表2 尾礦庫(kù)現(xiàn)狀參數(shù) m

圖2 隧道建筑界限圖

1.2 隧道設(shè)計(jì)概況

國(guó)道路線隧道部分全長(zhǎng)2.2 km，由于隧道位于山嶺重丘區(qū)，考慮地形、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道內(nèi)設(shè)計(jì)行車速度60 km/h，采用分離式隧道，雙洞單向行車。單隧道建筑限界寬度11.0 m，建筑限界高度5.5 m。右線隧道下穿點(diǎn)尾礦庫(kù)頂面標(biāo)高為495.00 m，原地面(尾礦庫(kù)底面)標(biāo)高為448.00 m；左線隧道下穿點(diǎn)尾礦庫(kù)頂面標(biāo)高為495.00 m，原地面(尾礦庫(kù)底面)標(biāo)高為460.00 m，隧道拱頂高程為401.0 m。

隧道洞身結(jié)構(gòu)：初期支護(hù)為主要承載結(jié)構(gòu)和二次襯砌承受部分荷載的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，以噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等作為初期支護(hù)；二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

隧道施工：隧道Ⅱ級(jí)圍巖采用全斷面法施工；Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法施工；Ⅴ級(jí)圍巖結(jié)合超前預(yù)加固措施采用臺(tái)階法加臨時(shí)橫撐。隧道開挖采用光面爆破，嚴(yán)格控制超欠挖，初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)采用濕噴工藝。

2 地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于寬城凹斷束(Ⅳ242)東北，地層為太古界跑馬場(chǎng)組角閃斜長(zhǎng)片麻巖，長(zhǎng)城系常州溝組(Chc)石英砂巖，晚古生代華力西旋回角閃輝長(zhǎng)巖。洞區(qū)長(zhǎng)城系常州溝組(Chc)石英砂巖巖層為單斜產(chǎn)狀：N20°～25°E/65°～76°ES。

2.2 抗震烈度

區(qū)域位于地震活動(dòng)水平較弱的華北地震構(gòu)造區(qū)的北部邊緣，地震烈度6度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s，屬設(shè)計(jì)地震第三組，該區(qū)域是一個(gè)地殼運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)。隧道設(shè)防烈度為7度。

2.3 工程地質(zhì)

隧道下穿小峪溝尾礦庫(kù)段圍巖均為白云巖，層位穩(wěn)定，灰白色，巨厚層狀，致密堅(jiān)硬。庫(kù)內(nèi)無大的褶皺構(gòu)造和大的斷層通過，未見崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地下水情況為少量基巖裂隙水。

3 隧道施工爆破對(duì)尾礦庫(kù)安全影響分析

為了保證隧道爆破起爆后尾礦庫(kù)的穩(wěn)定性，廣泛采用控制距爆源一定距離處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不超過某一安全閾值[1]。隧道至尾礦初期壩最小距離210 m，至最終攔砂堰最小距離141 m。隧道下穿小峪溝尾礦庫(kù)段圍巖為白云巖，隧道采用臺(tái)階法施工，臺(tái)階分為上下臺(tái)階兩部開挖支護(hù)，光面爆破鉆爆施工，短掘短砌掘進(jìn)方式，爆破施工最大段爆破藥量為41.6 kg。對(duì)于不同類型的建構(gòu)筑物選定不同的安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度。

在隧道爆破施工過程中，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度和最大段爆破藥量、爆源距離及地質(zhì)條件有關(guān)的巖性系數(shù)和衰減指數(shù)有密切關(guān)系。目前廣泛應(yīng)用前蘇聯(lián)薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析[2，3]。

(1)

式中：V—最近被保護(hù)對(duì)象允許的質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；R—爆破點(diǎn)距最近堆積壩的距離，取141 m；Q—最大單段藥量，取41.6 kg；K、α—與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的巖性系數(shù)和衰減指數(shù)。

根據(jù)尾礦庫(kù)地質(zhì)條件，爆破點(diǎn)距離保護(hù)對(duì)象間的地層主要有白云巖、角礫和尾礦砂，為穩(wěn)妥起見，巖性系數(shù)和衰減指數(shù)按最弱巖層選取，既按爆破地點(diǎn)為軟巖石，爆破技術(shù)參數(shù)取值K=250，α=2.0。

計(jì)算出隧道開挖爆破時(shí)，距離爆破點(diǎn)最近的尾礦庫(kù)攔砂堰、堆積壩和排水斜槽的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分別為0.15、0.07、0.42 cm/s。隧道施工爆破屬于地下淺孔爆破，被保護(hù)對(duì)象的安全允許振速按允許范圍內(nèi)最小值選取，即尾礦庫(kù)攔砂堰和堆積壩的安全允許振速為1.1 cm/s，排水斜槽的安全允許振速為4.2 cm/s。計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的最小安全允許振速。

4 隧道圍巖變形影響模擬

4.1 模擬方案

針對(duì)隧道下穿小峪溝尾礦庫(kù)部分，選取代表性斷面，研究在最不利工況下，隧道和圍巖整體變形情況和尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性，分析隧道開挖至設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，對(duì)上部尾礦庫(kù)壩體的安全系數(shù)是否滿足最小安全系數(shù)的要求，隧道開挖后圍巖和隧道位移變化，判斷該變化是否在設(shè)計(jì)可接受范圍內(nèi)。

4.2 計(jì)算方法

壩體穩(wěn)定性計(jì)算選用加拿大Rocscience公司的SLIDE極限平衡法，以摩爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式，分析隧洞和尾礦庫(kù)相對(duì)關(guān)系下最不利斷面的穩(wěn)定性，得出其安全系數(shù)。

隧道施工完成后的圍巖應(yīng)力變化選用巖土領(lǐng)域研發(fā)通用的有限元分析軟件Midas4.2，建立地表和隧道的力學(xué)分析模型，通過巖石力學(xué)模擬，分析隧道在開挖過程中圍巖位移變形及影響范圍。

4.3 模型參數(shù)

計(jì)算模型選取斷面最不利工況處，模型材料參數(shù)見表3。

表3 模型材料基本參數(shù)表

4.4 邊界約束

位移邊界條件：模型上表面為自由邊界，前后和左右邊界施加水平約束，邊界水平初始位移為零，底部邊界水平、垂直初始位移均為零。

4.5 判斷標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)隧道圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)，確定巖土結(jié)構(gòu)總沉降量不超過15 mm，包含隧道自身形成后的沉降以及外部邊界條件發(fā)生變化引起的沉降。尾礦壩的穩(wěn)定性是將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力平衡方程式，求其安全系數(shù)。

4.6 模型建立

隧道與尾礦壩采用SLIDE軟件進(jìn)行建立模型并計(jì)算，豎向地層根據(jù)實(shí)際地層厚度進(jìn)行模擬。隧道與周邊圍巖斷面圖采用Midas4.2建立平面模型，其中初期支護(hù)部分為析取線單元，其余部分均為平面單元。

圖3 尾礦庫(kù)壩坡與隧道建模圖

4.7 模擬及分析結(jié)果

4.7.1 SLIDE分析尾礦壩穩(wěn)定性分析結(jié)果

SLIDE分析可知，隧道開挖至設(shè)計(jì)狀態(tài)后，對(duì)尾礦壩的安全穩(wěn)定性影響，正常情況和洪水工況下壩體邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.158，考慮地震及洪水最不利工況下壩體邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.838。尾礦庫(kù)等別為三等，正常運(yùn)行時(shí)尾礦庫(kù)壩坡安全系數(shù)應(yīng)不小于1.2，洪水運(yùn)行下安全系數(shù)不小于1.10，特殊運(yùn)行下安全系數(shù)不小于1.05，模擬所求安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求。既隧道的開挖不會(huì)影響尾礦庫(kù)的安全。

4.7.2 Midas4.2模擬隧道開挖過程中圍巖沉降結(jié)果

圖4 隧道開挖后圍巖豎向沉降云圖

圖5 隧道開挖后位移云圖

Midas GTS4.2軟件進(jìn)行建模并計(jì)算隧道開挖過程中，上部地層呈現(xiàn)整體下沉趨勢(shì)(均勻沉降)，其主要沉降影響范圍隨著深度增加急劇減小，隧道上部圍巖最大沉降值為13.2 mm，右隧道最大沉降值為3.54 mm，左隧道最大沉降值為2.38 mm，均遠(yuǎn)小于允許沉降值。

5 結(jié)語(yǔ)

在尾礦庫(kù)下方施工隧道，隧道爆破施工時(shí)控制最大段起爆藥量，計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)振速均小于被保護(hù)物的最小安全允許振速，爆破振動(dòng)對(duì)尾礦庫(kù)沒有安全影響；通過SLIDE極限平衡法分析尾礦壩在隧道開挖形成后不同工況下的安全系數(shù)，均大于規(guī)范規(guī)定的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)的要求，隧道的開挖不會(huì)影響尾礦庫(kù)的安全；通過采用Midas GTS4.2計(jì)算，隧道在開挖過程中上部圍巖的沉降的最大值均遠(yuǎn)小于允許的沉降值，不會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)及隧道造成安全影響。