隧道下伏采空區加固范圍優化及安全評估*

張成良 閆 祥 李明健 王亞寧 王 超

(昆明理工大學國土資源工程學院 昆明 650093)

公路隧道下伏采空區是一類特殊的巖體工程，隧道與下伏采空區相互作用給采空區段隧道施工帶來困難，國內外學者針對隧道下伏采空區地段開展了一系列的研究工作。童立元等[1]通過對大量下伏采空區處置方案歸納分析，研究采空區注漿理論、注漿材料及其設計、施工、檢測方法；李鵬等[2]依托隧道過采空區破碎帶，設計大比例劈裂注漿模型試驗裝置，分析注漿過程關鍵參數的變化規律；田嬌等[3]建立不同的下伏采空區模型，分析隧道洞周位移變化，得出安全距離，分析不同圍巖情況下，采空區對隧道影響的敏感尺寸；國外J.H.Shin等學者對隧道加固技術做了相關研究，也取得一些成果。

本文以隧道穿越下伏采空區為研究對象，分析不同方向不同加固范圍圍巖的改善效果，進而對采空區的加固范圍進行優化，確定隧道下伏采空區的注漿加固范圍。

1 工程概況

隧道為分離式隧道，左幅隧道起點樁號K8+420，止點樁號K9+655，長1 235 m，最大埋深116.5 m；右幅隧道起點樁號K8+410，止點樁號K9+643，長1 233 m，最大埋深119.2 m。隧道凈寬14.5 m、凈高5 m，左、右幅間距24 m。隧址區巖性為砂巖、頁巖、玄武巖、灰巖和煤，地下水以第四系孔隙水類型及基巖裂隙水為主。區內主要含4層可采或局部可采煤層，總厚度為7.93 m。由于煤層開采，隧址區存在形態不一的煤層采空區。為控制隧道施工和運營過程中圍巖的變形和移動，需對采空區的穩定性進行分析，進而進行處治[4]。隧道與采空區空間位置關系見圖1。

圖1 隧道與采空區空間位置關系

經過前期綜合探測，查明隧址區存在2個對隧道穩定性影響較大的采空區，1號采空區位于隧道K9+068-K9+094段，沿隧道走向方向長25.30 m，距隧道底板0～15 m，2號采空區位于隧道K9+098-K9+119段，沿隧道走向方向長20.10 m，距隧道底板5～17 m。采空區橫向貫穿隧道左右幅，圍巖穩定性較差，易發生變形失穩，需對采空區進行加固。

2 下伏采空區處治方案

目前對于公路穿越采空區的處置方案主要有充填法、注漿法、崩落法三大類[5-6]。注漿法通過注漿膠結作用，形成巖板結構，有效抵抗采空區移動變形向上發展，且施工擾動較小[7]。結合采空區實際賦存狀況，采用注漿法對隧道穿越采空區段圍巖進行加固。

3 采空區加固及優化

3.1 模擬方案

采空區對隧道穩定性影響大，在保證采空區加固效果的前提下，需對采空區加固范圍進行優化。運用midas GTS模擬軟件建立三維實體模型[8]，模型所采用的力學參數見表1。

表1 材料物理力學參數

選取左幅隧道及2號采空區為研究對象，根據圣維南原理，模型水平(X)方向取80 m，豎直(Y)方向向下取采空區底板下30 m，向上取隧道拱頂上25 m，縱向(Z)取60 m，計算模型見圖2。

圖2 數值計算模型

由于采空區走向、縱向、深度范圍較大，將隧道下伏采空區加固分為垂直隧道走向、沿隧道走向、加固深度3種工況進行模擬，分析垂直隧道走向加固范圍為1A、1.5A、2A(A為仰拱寬度)，沿隧道走向加固范圍為1.2B、1.5B、2B(B為采空區在隧道上垂直投影長度)，加固深度至采空區頂板、底板、底板下2 m、底板下5 m。

3.2 垂直隧道走向加固寬度分析

為研究垂直隧道走向加固效果，在模擬時，沿隧道走向加固長度固定為采空區在隧道上垂直投影長度，加固深度固定為仰拱至采空區底板高度。不同加固寬度實體模型見圖3，豎向位移云圖見圖4。通過在縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監測點位移進行分析，不同加固寬度位移曲線見圖5。

圖3 不同加固寬度實體模型

圖4 不同加固寬度豎向位移云圖(單位：mm)

圖5 不同加固寬度位移變化曲線

由圖4、圖5可知，當采空區無加固措施時，拱頂、拱腰及拱底均產生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區加固寬度的增加，圍巖的位移在逐漸減小，加固寬度增加對位移控制具有明顯的改善作用，如不考慮經濟成本，加固寬度越寬越好，為保證經濟合理，確定垂直隧道走向加固寬度為1.5A。

3.3 沿隧道走向加固長度分析

為研究沿隧道走向加固效果，在模擬時，垂直隧道走向加固寬度固定為仰拱寬度，加固深度固定為仰拱至采空區底板高度。不同加固長度實體模型見圖6，豎向位移云圖見圖7。通過在縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監測點位移進行分析，不同加固長度位移曲線見圖8。

圖6 不同加固長度實體模型

圖7 不同加固長度豎向位移云圖(單位：m)

圖8 不同加固長度位移變化曲線

由圖7、圖8可知，當采空區無加固措施時，拱頂、拱腰及拱底均產生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區加固長度的增加，圍巖的位移在逐漸減小，加固長度增加對位移控制具有明顯的改善作用，當加固長度增加到1.2B后，位移的改善作用不再明顯，為保證經濟合理確定沿隧道走向加固長度為1.2B。

3.4 加固深度分析

為研究加固深度不同的效果，在模擬時，垂直隧道走向加固寬度固定為仰拱寬度，沿隧道走向加固長度固定為采空區在隧道上垂直投影長度。不同加固深度實體模型見圖9，豎向位移云圖見圖10。

圖9 不同加固深度實體模型

圖10 不同加固深度豎向位移云圖(單位：m)

對縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監測點位移進行分析，不同加固長度位移曲線見圖11。

圖11 不同加固深度位移變形曲線

由圖10、圖11可知，當采空區無加固措施時，拱頂、拱腰及拱底都產生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區加固深度的增加，圍巖位移在逐漸減小，加固深度增加對位移控制具有明顯改善作用，當加固深度持續增加到底板下2 m時，位移的改善作用減弱，為保證經濟合理，確定加固深度至采空區底板下2 m。

通過對比垂直隧道走向加固寬度、沿隧道走向加固長度及加固深度，發現采空區注漿加固對改善圍巖力學特性和控制巖體變形有明顯效果，加固的寬度越寬、加固的長度越長、加固的深度越深，圍巖的力學特性改善及控制圍巖變形越明顯。經過單因素加固范圍分析，并考慮保證效果的前提下，做到經濟合理。確定采空區加固的范圍為垂直隧道走向加固寬度為1.5A、沿隧道走向加固長度為1.2B，加固深度至采空區底板下2 m。

4 采空區加固模擬研究

4.1 數值模型建立

根據采空區單因素加固范圍效果分析，建立采空區加固的三維實體模型，注漿加固區與隧道位置關系見圖12。

圖12 注漿加固區與隧道位置關系

如圖12所示，1號采空區距離隧道較近，對隧道穩定性影響大，充分考慮注漿加固優勢段，1號采空區垂直隧道走向加固寬度為80 m，左右幅隧道之間下伏圍巖全部注漿加固，沿隧道走向加固長度為30 m，加固深度至采空區底板下2 m處。2號采空區小于1號采空區且距隧道較遠，垂直隧道走向加固寬度為70 m，左右幅隧道之間下伏圍巖全部注漿加固，沿隧道走向加固長度為24 m，加固深度至采空區底板下2 m處。

4.2 模擬結果分析

采空區加固后隧道圍巖應力云圖見圖13，隧道圍巖位移云圖見圖14。

由圖13可知，在隧道開挖附近拱頂、仰拱、拱腳及采空區邊緣部位產生了較小應力集中現象，應力以壓應力為主，最小主應力為-0.14 MPa，位于左幅拱底處，最大主應力為4.1 MPa，位于隧道右幅與煤層的交界處，根據支護結構安全判斷標準，可知公路鋼筋混凝土為C30時，抗拉強度ftd為1.39 MPa，抗壓強度fcd規定為13.8 MPa，隧道支護滿足設計規范。

圖13 加固后圍巖應力云圖(單位：kPa)

圖14 隧道圍巖位移云圖(單位：mm)

由圖14可知，注漿加固完成后，隧道整體豎向位移以拱頂沉降、拱底隆起為主，水平位移最大值出現在隧道左右幅拱腰、拱腳處，呈對稱分布，拱底最大位移位于煤層與隧道交界處，最大隆起值為18.5 mm，拱頂沉降最大值為27.7 mm。對采空區加固后，圍巖的應力和位移均較小，采空區加固效果明顯。

5 安全評估

在隧道施工到采空區段時，對隧道現場監控量測，以評估采空區的加固效果[9]。采用高精度全站儀、反光膜片及收斂儀，實時監測圍巖變形，選擇隧道左幅ZK9+080、ZK9+100進行監測分析，變形-時間曲線見圖15、圖16。

圖15 隧道拱頂沉降曲線

圖16 隧道周邊收斂曲線

由圖15可知，ZK9+080斷面拱頂累計位移為47 mm、ZK9+100斷面累計位移為44 mm，變形最大速率為7 mm/d。由圖16可知，2個監測斷面周邊收斂累計變形量同隧道拱頂沉降位移量一樣變化不大，分別為34，32 mm。綜合發現，隨著注漿達到一定強度后，圍巖變形速率逐漸減小，累計位移趨于穩定。現場實測結果大于模擬結果，但通過模擬的變形曲線及變形趨勢可知，模擬結果能基本反映隧道采空區圍巖的變形規律，采空區段實施注漿加固后，隧道初支累計變形量均未超過設計的要求的15 cm預留變形量，說明隧道采空區注漿加固可以有效抑制隧道圍巖變形，側面驗證了數值模擬的可靠性。

6 結語

本文以白兆隧道穿越下伏采空區為研究對象， 采用數值分析方法對采空區的加固范圍即垂直隧道走向加固寬度、沿隧道走向加固長度、垂直深度的加固效果進行單因素分析，通過對比不同加固范圍的位移變化規律，確定優化的圍巖加固范圍。

對優化后的圍巖加固范圍，建立三維實體模型，分析圍巖加固后應力及位移分布規律，并應用于工程現場，保證了隧道穿越下伏采空區的安全施工，實踐證明了該方法的可行性。