公路隧道穿越采空區群穩定性分析及加固措施研究*

閆 祥,張成良,龐 鑫,諶 蛟,李明健,李 得

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,云南 昆明 650093; 2.攀鋼集團礦業有限公司設計研究院,四川 攀枝花 617000; 3.云南云路工程檢測有限公司,云南 昆明 610101)

0 引言

隨著我國經濟發展,隧道工程數量與日俱增,公路隧道在修建過程中難免穿越一個或多個煤系地層采空區。煤層采空區受地層巖性、開采工藝和時間效應等因素影響,具有隱蔽性強、規律性差、巖性軟弱和空間變異性等特點,若處置不當,會對隧道施工安全產生嚴重威脅[1],如成渝高速公路巴岳山隧道、縉云山隧道、炮臺山隧道等,在穿越采空區段均發生過圍巖變形失穩,損失慘重[2]。

一些學者對采空區穩定性開展了大量研究工作。王華玲[3]采用基底注漿措施對隧道下伏傾斜采空區段進行加固,以提高隧道圍巖穩定性,研究側部、頂部、底部采空區段隧道的施工安全距離;劉國偉等[4]對采空區與隧道的位置關系進行分析,提出反壓回填掌子面、在采空區內部設置緩沖層及注漿加固技術,解決了采空區問題;田嬌等[5]建立相同高度不同跨度、不同高度相同跨度的下伏采空區模型,分析不同大小采空區對圍巖的影響,研究結果表明:采空區跨度越大,對隧道影響更為顯著。隧道穿越單一上覆或下伏采空區的加固處理措施已積累了寶貴經驗[6-8],但隧道同時穿越多個煤層采空區,采空區與隧道空間形態復雜,采空區之間距離較近、相互擾動影響大,破壞機制復雜,在隧道穿越復雜采空區群穩定性及加固措施方面,可參考文獻并不多見。本文以隧道穿越煤層采空區群為研究對象,針對采空區群的形態和分布范圍,采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立隧道穿越采空區群三維實體模型,研究未加固和加固后隧道圍巖的位移變形規律,分析不同類型采空區加固措施對隧道穩定性的改善作用,確定合理的加固措施。經現場驗證,加固措施起到明顯的改善和加固作用,保證了隧道的施工安全。

1 工程概況

1.1 工程簡介

隧道位于他官營與白兆村交界處,是召瀘高速公路重點工程之一。隧道為分離式隧道,左幅起點樁號為ZK8+420、止點樁號為ZK9+655,全長1 235m,最大埋深116.5m;右幅起點樁號為YK8+410、止點樁號為YK9+643,全長1 233m,最大埋深119.2m。

1.2 水文地質條件

隧道主要巖性為砂巖、粉砂巖、頁巖和煤,隧道圍巖等級主要為Ⅴ級。地下水主要為第四系孔隙水類型和基巖裂隙水。含煤地層為上二疊統宣威組,總厚度為121～150m,隧址區存在4層煤,平均厚度分別為1.98,2.70,2.15,1.10m,總厚度為7.93m。隧道周邊有2處煤礦,宏業煤礦位于隧道南側,瀘興煤礦位于隧道北側。隧道周邊私挖亂采及無序開采嚴重,隧址區周邊分布不同類型的采空區。

1.3 采空區類型特征

采用現場調查、大地電磁法和鉆探法對隧道周圍采空區分布情況進行精細探查[9-10],查明后得知隧道左幅ZK9+016—ZK9+100和右幅YK9+016—YK9+100段共存在3個對隧道施工安全影響較大的采空區,分別為1號橫穿隧道采空區、2號隧道下伏采空區及3號隧道上覆采空區。1號采空區(K9+016—K9+037)位于隧道洞身至底板下方2m,沿隧道走向方向長20.7m,與隧道處于同一平面,橫穿隧道左、右幅,破壞體積約12 000m3,采空區形成的裂隙已連通至地表。2號采空區(K9+054—K9+082)位于隧道底板下方約8m,沿隧道走向方向長28.1m,賦存于隧道左右幅正下方,破壞體積約17 000m3,采空區裂隙連通至地表下方約10m。3號采空區(K9+086—K9+100)位于隧道拱頂上方約10m,沿隧道走向方向長23.3m,賦存于隧道左右幅正上方,破壞體積約15 000m3,采空區裂隙已連通至地表。隧道與采空區群的空間關系如圖1所示。

圖1 隧道與采空區群的空間關系Fig.1 Spatial relationship between tunnel and goaf group

2 數值模擬分析

2.1 模型建立與網格劃分

以隧道K9+000—K9+120段穿越煤系地層1,2,3號采空區群為研究對象,地層巖性主要為砂巖、煤、泥質粉砂巖。為分析隧道開挖過程中采空區群對圍巖穩定性的影響,采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立隧道穿越采空區段的三維地質實體模型(見圖2)。穿越采空區群模型計算范圍為水平方向左右各取2倍最大開挖尺寸,豎直方向上部邊界取至地表,下部取2倍最大開挖尺寸,即模型尺寸長×寬×高為120m×160m×100m,采用混合網格進行劃分,隧道圍巖網格尺寸為1.8m,地層網格尺寸為2.5m,網格單元總數144 195個。模型采用莫爾-庫侖破壞準則,各材料的參數取值如表1所示。

表1 土層及材料參數Table 1 Soil and material parameters

圖2 三維地質實體模型Fig.2 Geological entity model

2.2 隧道穿越采空區群分析

2.2.1圍巖位移

隧道穿越單個采空區及采空區群的圍巖豎向位移云圖如圖3,4所示,由圖3可知,1,2,3號采空區頂板最大豎向位移分別為80.5,282,55.5mm。由圖4可知,1,2,3號采空區頂板最大豎向位移分別為92,285,58mm,豎向位移比隧道穿越單一采空區時大,說明隧道穿越采空區群時,受采空區間相互擾動影響,圍巖變形相應增大。

圖3 隧道穿越單個采空區圍巖豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock of a tunnel passing through a single mined-out area

圖4 隧道穿越采空區群圍巖豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock of a tunnel passing through goaf group

2.2.2圍巖塑性區

隧道穿越單個采空區及采空區群的圍巖塑性區分布云圖如圖5,6所示。由圖5可知,1,2號采空區塑性區破壞嚴重,3號采空區破壞范圍較小,1,2號采空區對隧道開挖產生嚴重影響,3號采空區影響較小。由圖6可知,隧道穿越采空區群時,圍巖塑性區與穿越單個采空區相比,圍巖塑性區影響范圍明顯擴大,1,2,3號采空區圍巖塑性區均已貫通,且范圍較大。

圖5 隧道穿越單個采空區圍巖塑性區分布Fig.5 Plastic distribution in surrounding rock of a tunnel passing through a single goaf

圖6 隧道穿越采空區群圍巖塑性區分布Fig.6 Plastic distribution in surrounding rock of the tunnel passing through goaf group

綜上可知,在未采取加固措施條件下,隧道穿越煤層采空區時,隧道圍巖豎向位移較大,且圍巖塑性區影響范圍較大。隧道穿越1,2號采空區時,圍巖變形嚴重,隧道處于極不穩定狀態,隧道穿越3號采空區時對圍巖影響較弱。在隧道施工至采空區群位置時應對圍巖采取加固措施,確保隧道順利施工。

3 隧道穿越采空區群加固措施分析

3.1 數值分析方案

采用地層結構法分別建立1號橫穿隧道采空區、2號隧道下伏采空區及3號隧道上覆采空區三維實體模型(見圖7),選取典型斷面進行分析計算。模型尺寸為(長)30m×(寬)160m×(高)100m,1,2,3號采空區網格單元總數分別為52 443,81 733,50 563個。采用莫爾-庫侖強度準則,假定圍巖初支結構為均質連續體,圍巖為V級,采用預留核心土三臺階七步法施工,施工進尺為1m一個循環。支護結構采用彈塑性本構模型,按照施工順序模擬隧道開挖與支護,1號采空區采用漿砌片石加固,2號采空區采用鋼管注漿加固,3號采空區采用管棚超前注漿加固,各材料物理力學參數如表2所示。模擬施工過程時,通過提高巖體力學參數模擬加固效果。

表2 采空區段加固材料物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of reinforcement materials for goaf sections

圖7 隧道穿越不同類型采空區模型Fig.7 Model of tunnel passing through different types of goafs

3.2 模擬分析結果

3.2.1圍巖位移

采用不同加固方案對不同類型采空區進行數值分析,選取左、右幅隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及仰拱部位特征點,分析隧道穿越1,2,3號采空區圍巖豎向位移變形規律,圍巖豎向位移變化曲線如圖8～10所示。

圖8 1號采空區加固后圍巖豎向位移Fig.8 Vertical displacement of surrounding rock after reinforcement of No.1 goaf

由圖8可知,豎向位移主要發生在拱頂和仰拱處,提取未加固和漿砌片石加固后的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂值(見表3)。對1號采空區進行漿砌片石加固后可大幅減小隧道拱頂圍巖的沉降變形,對隧道周邊和仰拱變形具有明顯的改善作用。

表3 1號采空區未加固與加固位移對比Table 3 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.1 goaf

由圖9可知,豎向位移主要發生在拱頂和仰拱部位,且變形值較大。提取未加固和鋼管注漿加固后的仰拱隆起、拱頂沉降和水平收斂值(見表4)。由表4可知,隧道拱頂沉降、水平收斂及仰拱隆起變形得到明顯改善,2號采空區進行鋼管注漿加固能很好地控制圍巖變形。

表4 2號采空區未加固與加固位移對比Table 4 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.2 goaf

由圖10可知,豎向位移主要發生在拱頂和仰拱部位,且變形值較大,分別提取未加固和管棚超前注漿加固后地拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂值(見表5)。由表5可知,對3號采空區施作管棚超前注漿加固能有效降低拱頂沉降值,明顯改善圍巖的力學性質,減小隧道圍巖的變形。

表5 3號采空區未加固與加固位移對比Table 5 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.3 goaf

圖10 3號采空區加固后圍巖豎向位移Fig.10 Vertical displacement of surrounding rock after reinforcement of No.3 goaf

3.2.2圍巖塑性區

1,2,3號采空區加固后隧道圍巖塑性區分布云圖如圖11所示。由圖11可知,采取不同加固措施后,塑性區范圍及塑性區應變比未加固前大幅減小,且塑性區未出現貫通現象,圍巖穩定性大幅提高。

圖11 采空區加固后隧道圍巖塑性區分布Fig.11 Plastic distribution in tunnel surrounding rock after reinforcement of goaf

綜上可知,圍巖加固后,隧道拱頂沉降、周邊收斂、仰拱隆起等變形量顯著減小,塑性區范圍大幅減小且未出現貫通現象。這表明加固措施對圍巖變形能起到很好的控制作用,可大幅提高隧道穩定性,從而保證隧道穿越采空區群施工安全。

4 現場驗證

4.1 加固措施

隧道穿越1,2,3號3種不同類型采空區時,對應加固治理措施如下[11-12]。

1)1號采空區位于隧道洞身至底板下方約2m位置處,與隧道處于同一平面,橫穿隧道左、右幅。采用漿砌片石對采空區進行加固,提高隧道開挖后采空區圍巖的支撐強度,防止圍巖出現過大變形。

2)2號采空區位于隧道下方,采空區裂隙已連通至地表以下約10m。通過該采空區時采用鋼管注漿法對隧道底板圍巖下伏的2號采空區進行加固,提高底板下伏采空區圍巖的力學性質,使其具備足夠的承載力,防止底板圍巖沉降。

3)3號采空區位于隧道上方,裂隙已連通至地表。在隧道拱部約120°范圍內實施φ76×6超前管棚支護措施,采用管內注漿,在拱頂形成混凝土護拱,對隧道上覆3號采空區進行加固。

4.2 處置效果分析

對隧道不同類型采空區進行加固處理后,采用拓普康GM-52型全站儀、JSS30A型收斂儀對K9+020斷面拱頂沉降及周邊位移進行監測,位移隨時間變化曲線如圖12,13所示。

圖12 K9+020斷面拱頂沉降位移-時間曲線Fig.12 Displacement-time curve of K9+020 section

圖13 K9+020斷面周邊收斂位移-時間曲線Fig.13 Displacement-time curve around K9+020 section

由圖12,13可知,K9+020斷面拱頂沉降最大位移為18mm,周邊收斂最大位移為16mm,現場實測結果與模擬結果具有較高的一致性。在其他斷面布置了相應的觀測點,累計位移量均小于50mm,圍巖總體位移符合規范要求,表明隧道處于安全穩定狀態。同時對施工過程的初支及二襯結構進行表觀觀測,初支混凝土未見明顯的掉塊及開裂現象;二襯未見明顯的裂縫及破損現象。工程實踐表明:采用的加固措施合理,能有效控制隧道圍巖變形,確保隧道施工安全。

5 結語

本文以公路隧道穿越煤層采空區群為研究對象,針對采空區群的空間形態特點,建立隧道穿越采空區群的單個和整體三維模型,研究隧道穿越煤層采空區群的穩定性,探討采空區無加固和采取加固措施時隧道圍巖的力學行為及變形規律,提出采空區群的加固措施,并進行工程驗證,得到如下結論。

1)有限元軟件模擬結果顯示,未采取加固措施時,隧道圍巖變形位移明顯,圍巖塑性區與1～3號3個采空區塑性區均已貫通,圍巖破壞嚴重;對比分析有無加固措施情況下圍巖的塑性區范圍及位移變化規律,采取加固措施工況下,圍巖豎向變形、側向變形量大幅減小,塑性區范圍明顯減小,未產生貫通現象。

2)針對3種不同類型采空區的特點分別提出采用漿砌片石、鋼管注漿和超前管棚注漿加固的采空區處置方案。現場監測結果表明:采空區段隧道圍巖未出現過大變形及開裂,圍巖總體變形在規程的允許范圍內。監測數據表明圍巖總體位移量和變形規律與數值模擬結果吻合較好,說明數值模擬具有良好的可靠性。