拱模型理論在下穿隧道穩(wěn)定性評價中的應用

蘭 洋，呂遠強

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司,陜西 西安 710054)

0 引言

中電國華神木發(fā)電有限公司在麻家塔窩窩莊村籌劃新建2×350 MW國產(chǎn)超臨界空冷供熱發(fā)電機組,同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置,項目總投資30億元。項目在測量廠址用地時發(fā)現(xiàn)在窩窩莊廠址南緣溝谷中有施工隊進行隧道施工作業(yè),該工程為神渭輸煤管道窩窩莊隧道,隧道近南北向從擬建場地主廠房及預留場地區(qū)域下部穿越。主廠房區(qū)域為熱電廠最核心位置,且該區(qū)域建筑物具有荷載大,對基礎(chǔ)沉降要求嚴格等特點。窩窩莊隧道從場地下部穿越,對場地的穩(wěn)定性有何影響;擬建電廠的附加荷載對隧道的穩(wěn)定性有何影響。為確保一期和二期機組安全投產(chǎn)運行,滿足電廠設(shè)計指標和國家及行業(yè)標準的相關(guān)要求,本文通過拱模型理論分析了以上問題[1-3]。

1 工程概況

神華神木熱電項目規(guī)劃容量4×350 MW超臨界燃煤空冷供熱發(fā)電機組,工程建設(shè)2×350 MW超臨界燃煤空冷供熱發(fā)電機組,同步安裝煙氣脫硫脫硝裝置,并留有擴建余地。該項目擬采用兩機一塔方案,廠區(qū)采用三列式布置格局,自東北向西南依次為升壓站、主廠房、煤場。

窩窩莊隧道輸煤的能力為10.00 Mt/a,管徑φ610 mm。線路起點紅柳林礦井,終點渭化終端。設(shè)計服務(wù)年限30 a。該管線總長約733.439 km。線路共設(shè)隧道60處,平面總長約46.40 km。窩窩莊隧道是神木—渭南輸煤管道的第四個隧道,位于陜西省榆林市神木縣境內(nèi),隧道起點里程為K14+546.297,終點里程為K15+859.806,隧道平面長度為1 313.509 m,屬中長隧道。隧道凈斷面2.50 m×2.80 m(寬×高)。上坡為隧道前進方向。

2 評價原理

2.1 定性分析

窩窩莊隧道的形式,可假定為一層煤層的煤礦巷道采空區(qū),開采深度即為隧道高度。故可通過估算冒落最大高度及導水裂隙最大高度,通過影響線位置關(guān)系,初步定性分析隧道與熱電廠二者是否有相互影響。

2.2 定量分析

1)拱模型理論適用于覆巖較厚、埋深較大的隧道。窩窩莊隧道上覆巖層中能形成穩(wěn)定的壓力拱。在壓力拱的情況下,拱底曲線便為空洞的冒落(實際為裂隙)帶提供了上界。換句話說,空洞即使因某種原因冒落,其裂隙帶也不可能擴展到拱底曲線之上,即拱底曲線為空洞冒落終止的界限。故壓力拱的承載力即為該空洞承載力的下界值。以壓力拱的承載力作為相應隧道的承載力,一方面嚴格地給出了隧道承載力的下界值,而更為重要的是,即使隧道的實際尺寸不能較好地確定,由壓力拱得出隧道承載力,也是相當可靠的。這可使我們避開因隧道參數(shù)不確定對預測其承載力帶來的嚴重困難。2)小煤礦開采范圍小,埋深一般小于100 m,巷道高、寬一般為2 m～3 m,這和窩窩莊隧道的斷面尺寸及埋深接近。故亦可采用小煤礦巷道穩(wěn)定性評價公式佐證拱模型定量分析結(jié)果。

3 評價方法及參數(shù)選取

3.1 定性分析

根據(jù)GB 12719—91礦井水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范附錄F,估算冒落最大高度及導水裂隙最大高度。冒落帶、導水裂隙帶最大高度計算公式如下:

Hm=(3～4)M

(1)

HL=100∑M/(3.3n+3.8)+5.1

(2)

其中，Hm為冒落帶最大高度，m;HL為導水裂隙帶最大高度(包括冒落帶)，m;∑M為煤層累計采厚，m;M為煤層采厚，m;n為煤層分層開采層數(shù)。

3.2 拱模型理論

壓力拱主要模型參數(shù)(見圖1),拱腳位置由最大破壞線(面)確定;拱底曲線,由普氏理論加以確定;拱的最大破壞線,由摩爾-庫侖理論確定;拱體,由最大破壞線、拱底曲線、巖體頂面確定。荷載為巖體及上覆土柱自重。

當拱破壞時,其冒落終止條件及拱體破壞形式分別為:

1)冒落終止條件。由于巖體的碎脹,滿足一定條件時,空洞有可能為冒落的碎石所填滿,使冒落自行終止。經(jīng)較長時期地質(zhì)作用壓實后,可以認為被碎石填滿的空洞,與未采動的地層有同樣的承載力,即H可不受承載力的限制。由此可推得:

(3)

其中，T為落冒終止高度;k為巖體碎脹系數(shù);h0為隧道高度。

2)拱腹壓潰破壞。按線彈性理論,最大壓應力出現(xiàn)在拱腹頂部。該部位可因壓應力過大而壓潰,導致拱體變位,波及到地表形成塌陷盆地。這種破壞的控制因素為巖體的抗壓強度。地層的側(cè)壓加劇這種形式的破壞。可采用如下拱腹壓潰公式計算:

(4)

其中，H5為拱腹壓潰破壞極限承載力等代土柱高度;[σc]為隧道頂板極限應力設(shè)計值；β=45°+φk/2;b2為地表影響寬度;k0為靜止土壓力系數(shù);T為落冒終止高度;r為土條重度;h2為巖層頂部至拱底曲線的距離;m′為重要性系數(shù),本工程取1.5。

3)拱的剪切破壞。注意到壓力拱一般較坦,且拱角附近剪力最大,故拱腳附近的最小剪切面可能發(fā)生剪切破壞。這種形式的破壞若波及到地表,則會造成漏斗狀塌陷坑。可采用拱腳剪壞時的計算公式如下:

(5)

其中，H6為拱體抗剪強度極限值等代土柱高度;c為巖體的黏聚力;h1為拱底曲線高度;b1為最大破壞線水平投影;b1=b0+2h0tgα；h1=b1/tgφk；h2=T-h0-h1;m′=1.5(重要性系數(shù))。

4 結(jié)果分析

1)定性分析。

n=1,M=2.8 m時,計算得HL=21.2 m。即窩窩莊隧道產(chǎn)生的導水裂隙帶最大高度為21.2 m。主廠房區(qū)域主要建構(gòu)筑物擬采用鉆孔灌注樁,樁徑采用φ800 mm,樁端持力層為強風化和中風化砂巖。樁長約為32 m～35 m,荷載對樁(端承樁)端下部基巖地層的影響深度一般小于3d。d取0.8 m時,荷載對樁(端承樁)端下部基巖地層的影響深度小于37.4 m。 從上述計算可知,窩窩莊隧道產(chǎn)生的導水裂隙帶最大高度為21.2 m,荷載對樁(端承樁)端下部基巖地層的影響深度小于37.4 m,導水裂隙帶最大高度及樁端對下部基巖地層的影響深度之和為58.6 m,小于主廠房地段隧道埋深67.0 m～72.0 m,二者高度及深度的影響線并未相交,相互影響小。

2)定量計算結(jié)果。

本次計算,截面1位置選取在2號孔附近, 樁號里程K015+600,該地段為主廠房區(qū)域,頂部荷載最大且上覆土層最厚,荷載取q1=370 kPa。截面2位置選取在1號孔附近,即窩窩莊隧道出口附近,樁號里程K015+773,取荷載q2=200 kPa。計算參數(shù)及結(jié)果見表1。

以上兩種計算方法均為評價廠區(qū)建設(shè)對隧道穩(wěn)定性影響的方法。由表1可知,截面1和截面2的承載系數(shù)S分別為2.51和8.90,大于臨界承載系數(shù)1;計算落冒終止高度T分別為43.1 m和46.8 m,大于理論落冒終止高度5.6 m。說明廠區(qū)的建設(shè),不會影響隧道的穩(wěn)定性[4]。

表1 窩窩莊隧道穩(wěn)定性計算結(jié)果

定性分析得知,神渭輸煤管道窩窩莊隧道對神華神木熱電一期項目建設(shè)場地的影響小,神華神木熱電一期項目地面建筑物荷載對隧道的影響小。從定量計算可知,拱模型計算出的窩窩莊隧道承載系數(shù)S最小值為2.15,大于隧道穩(wěn)定臨界承載系數(shù)1,說明窩窩莊隧道是穩(wěn)定的,并未受到神華神木熱電一期項目地面建筑物荷載的影響。采用小煤窯巷道穩(wěn)定性評價公式計算,得出隧道的埋深大于臨界穩(wěn)定深度的1.5倍,同樣說明了神華神木熱電一期項目地面建筑物荷載對窩窩莊隧道的穩(wěn)定性無影響。

在隧道已經(jīng)施工完畢的條件下,對不同的建筑物荷載作用在隧道不同的位置處進行數(shù)值模擬,其豎向應力和豎向位移與數(shù)值計算接近。從模擬結(jié)果可知,神華神木熱電一期項目地面建筑物荷載對窩窩莊隧道的穩(wěn)定性無影響;同樣,窩窩莊隧道對建設(shè)場地無影響。從相互影響線對比可知,淺基礎(chǔ)的影響比樁基礎(chǔ)更小。綜上所述,從定性分析、定量計算可知,窩窩莊隧道對神華神木熱電一期項目廠址無影響,神木熱電一期建設(shè)工程對窩窩莊隧道的穩(wěn)定性無影響。

5 結(jié)語

通過野外現(xiàn)場調(diào)研和對已有資料分析,利用拱模型理論評估,場區(qū)范圍內(nèi)窩窩莊隧道對上部神木熱電項目一期的建(構(gòu))筑物無影響,規(guī)劃場地可以作為神華神木熱電廠一期項目建設(shè)場地使用。