下伏水平采空區(qū)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

周超月，方　勇，劉書斌，楊志浩

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610031)

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下伏水平采空區(qū)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

周超月，方勇，劉書斌，楊志浩

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

摘要:采空區(qū)的存在將對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞周位移和支護(hù)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響。本文以觀斗山隧道為依托工程，采用有限元軟件FLAC3D模擬了下伏水平采空區(qū)隧道的開(kāi)挖過(guò)程，分析了采空區(qū)與隧道不同間距對(duì)隧道洞周位移和支護(hù)內(nèi)力的影響。結(jié)果表明:當(dāng)兩者的間距＜12 m( 1倍洞徑)時(shí)，隨著下伏采空區(qū)與隧道間距增大，采空區(qū)對(duì)隧道的不利影響顯著減小;當(dāng)間距由12 m增加至24 m時(shí)，這種影響逐漸減弱并趨于穩(wěn)定;下伏水平采空區(qū)對(duì)隧道施工安全性影響的臨界距離可定為2倍隧道洞徑。

關(guān)鍵詞:下伏采空區(qū)洞周位移支護(hù)內(nèi)力隧道穩(wěn)定性

采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)資源被采出后形成的空洞區(qū)。采空區(qū)所在的區(qū)域容易產(chǎn)生地表沉陷，導(dǎo)致連續(xù)或非連續(xù)變形，由此引來(lái)一系列巖土工程問(wèn)題，給礦區(qū)工程建設(shè)留下巨大隱患［1］。近年來(lái)，隨著交通網(wǎng)越來(lái)越密，山區(qū)道路經(jīng)常會(huì)遇到隧道穿越采空區(qū)的現(xiàn)象。因此，正確分析評(píng)價(jià)煤系地層采空區(qū)內(nèi)隧道的穩(wěn)定性，便成為隧道穿越采空區(qū)治理方法研究中的主要問(wèn)題。

有關(guān)采空區(qū)的數(shù)值模擬出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代后期: WOOD［2］運(yùn)用邊界元研究覆巖產(chǎn)生離層和裂縫出現(xiàn)的位置、高度及力學(xué)條件; YAO等［3］采用非線性有限元法分析傾斜煤層開(kāi)采時(shí)地表的沉降。采空區(qū)對(duì)隧道工程建設(shè)而言是近年來(lái)才出現(xiàn)的新課題:王樹(shù)仁等［4］利用MIDAS/GTS有限元程序構(gòu)建三維計(jì)算模型，分析采空區(qū)內(nèi)隧道開(kāi)挖施工的地表變形響應(yīng)過(guò)程，隧道初襯結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)受力，確定了地表沉陷盆地特征及沉陷盆地中心隧道初襯結(jié)構(gòu)變形和受力關(guān)鍵部位。李輝等［5］通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算得出隧道洞室的拱頂下沉和周邊收斂值并與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，有效地指導(dǎo)了安全施工。晏啟祥等［6］通過(guò)對(duì)隧道線路沿線煤層和采空區(qū)分布位置、分布規(guī)模綜合分析，將隧道瓦斯爆炸和采空區(qū)失穩(wěn)界定為施工典型風(fēng)險(xiǎn)，其中采空區(qū)失穩(wěn)以不均勻沉降和上覆頂部塌陷為主。張志沛等［7］利用數(shù)值模擬軟件研究隧道與采空區(qū)所在的空間位置對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，為安全施工提供一定的理論依據(jù)。楊志浩等［8］通過(guò)控制變量法建立雙層采空區(qū)隧道模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明當(dāng)采空區(qū)之間間距大于20倍煤層采高時(shí)，雙層采空區(qū)可按單層采空區(qū)處理。

可以看出，既有的研究主要集中在二維數(shù)值模擬或采空區(qū)對(duì)隧道穩(wěn)定性某一方面的影響，得出的結(jié)論也僅適用于相應(yīng)工況。本文采用大型有限元計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行隧道開(kāi)挖三維模擬，研究隧道下伏采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)與隧道間距變化對(duì)隧道洞周位移、初期支護(hù)內(nèi)力及圍巖塑性區(qū)的影響，并確定隧道與采空區(qū)之間的安全距離［9］。

1　計(jì)算模型的建立

1. 1計(jì)算模型與工況

采空區(qū)自頂板巖層向上形成“三帶”:冒落帶、裂隙帶、彎曲帶［10］。觀斗山隧道下伏水平采空區(qū)段隧道埋深70 m，隧道洞徑為12 m，高為9. 6 m。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［11］可計(jì)算出采空區(qū)冒落帶高度約為5 m，裂隙帶高度約為20 m。

考慮圣維南原理，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取隧道周圍大于5倍洞徑范圍［12］的圍巖作為分析對(duì)象。計(jì)算模型中圍巖采用矩形網(wǎng)格模擬，錨桿采用Cable單元，支護(hù)采用殼體單元模擬。數(shù)值計(jì)算中隧道洞徑D取為12 m，埋深70 m，冒落帶高度為5 m，裂隙帶高度為20 m，采空區(qū)“三帶”和基巖網(wǎng)格的具體劃分如圖1所示。兩側(cè)、前后邊界均采用水平方向位移約束，底部邊界采用豎直方向位移約束。根據(jù)研究目的，數(shù)值計(jì)算通過(guò)改變下伏采空區(qū)與隧道的間距模擬采空區(qū)對(duì)隧道的影響，選取下伏采空區(qū)距隧道底部距離分別為1，2，6( 0. 5D)，12( 1D)，18( 1. 5D)，24( 2D)，36( 3D)，48 m ( 4D)，其中D為隧道的洞徑。

圖1數(shù)值計(jì)算模型

1. 2計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算區(qū)域內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)的選取是數(shù)值模擬計(jì)算的關(guān)鍵。其中冒落帶巖塊空隙較大，無(wú)規(guī)則的堆積在采空區(qū)內(nèi);裂隙帶巖層產(chǎn)生較大的彎曲變形及破壞;彎曲帶巖體壓實(shí)程度好，不存在或極少存在離層裂縫。結(jié)合工程實(shí)際情況，參考相關(guān)資料［13-15］采空區(qū)冒落帶、裂隙帶圍巖參數(shù)的選取參照Ⅵ級(jí)圍巖確定，采空區(qū)彎曲帶和基巖參數(shù)的選取參照Ⅴ級(jí)圍巖確定，具體參數(shù)的選取如表1所示。

1. 3開(kāi)挖工法模擬

模型縱向取50 m，開(kāi)挖進(jìn)尺2 m，共模擬25個(gè)完整的施工循環(huán)。上、下臺(tái)階法的開(kāi)挖步驟為:上臺(tái)階開(kāi)挖( 7次，每次1個(gè)進(jìn)尺，下同)→上臺(tái)階錨噴支護(hù)→開(kāi)挖下臺(tái)階( 1個(gè)進(jìn)尺)→下臺(tái)階錨噴支護(hù)→開(kāi)挖上臺(tái)階( 1個(gè)進(jìn)尺)→上臺(tái)階錨噴支護(hù)→開(kāi)挖下臺(tái)階( 7次，每次1個(gè)進(jìn)尺，下同)→下臺(tái)階錨噴支護(hù)。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

為了消除邊界效應(yīng)的影響，取模型縱向中間斷面( Y = 25 m)處為監(jiān)測(cè)斷面，隧道開(kāi)挖過(guò)程中記錄監(jiān)測(cè)斷面洞周的位移、支護(hù)彎矩和軸力變化情況。由模型建立過(guò)程可知，隧道區(qū)域的地質(zhì)條件關(guān)于隧道中軸線對(duì)稱，而隧道采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，故隧道的洞周位移及支護(hù)內(nèi)力大致關(guān)于隧道中線對(duì)稱。選取隧道左側(cè)斷面的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底作為研究對(duì)象，分析隧道洞周的位移和支護(hù)的受力情況。

2. 1洞周位移

繪制隧道開(kāi)挖穩(wěn)定后各種工況的洞周位移隨間距的變化曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，在一定深度范圍內(nèi)，隨著下伏采空區(qū)與隧道的距離逐漸增大，隧道洞周位移均逐漸減小，表明采空區(qū)的存在使得隧道開(kāi)挖后周邊位移發(fā)生了一定的變化，尤其是隧道拱底，變化相對(duì)較大。當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離＜12 m時(shí)，隨隧道與采空區(qū)距離的增加，隧道洞周位移顯著減小。在下伏采空區(qū)與隧道的距離從12 m增加到24 m過(guò)程中，隧道洞周位移隨距離的增長(zhǎng)減小緩慢。而當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離超過(guò)24 m后，隨采空區(qū)與隧道間距增加，隧道洞周位移趨于穩(wěn)定，表明在當(dāng)前隧道和采空區(qū)尺寸條件下，下伏采空區(qū)對(duì)隧道開(kāi)挖影響的安全距離可取24 m(大約2倍洞徑)。

2. 2支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2. 2. 1彎矩

繪制隧道開(kāi)挖穩(wěn)定后各種工況的彎矩隨間距的變化曲線，如圖3所示。由圖可知，隨下伏采空區(qū)與隧道間距的增大，各測(cè)點(diǎn)的彎矩均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。拱底處的彎矩在6 m以內(nèi)隨間距增加顯著減小，間距由6 m增加到24 m的過(guò)程中左拱腰、左拱肩處的彎矩基本呈線性減小，而拱頂和左拱腳處的彎矩在間距變化的整個(gè)過(guò)程中變化較小。當(dāng)采空區(qū)與隧道間距超過(guò)24 m以后，隨間距的增大彎矩的大小基本不變。

在當(dāng)前隧道和采空區(qū)尺寸條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可取24 m(大約2倍洞徑)。

圖3支護(hù)彎矩曲線

2. 2. 2軸力

繪制隧道開(kāi)挖穩(wěn)定后各種工況的軸力隨間距的變化曲線，如圖4所示。

圖4支護(hù)軸力曲線

由圖可知，隨下伏采空區(qū)與隧道間距的增大，軸力逐漸減小。間距在12 m范圍以內(nèi)，軸力隨間距的增加迅速減小;間距從12 m增加到24 m的過(guò)程中，軸力基本呈線性逐漸減小;當(dāng)間距增大至24 m以后，軸力將不再隨間距的增大而變化。故在當(dāng)前隧道和采空區(qū)尺寸條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可取24 m(大約2倍洞徑)。

3　結(jié)論及建議

通過(guò)采用FLAC3D模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程，分析下伏采空區(qū)與隧道不同間距對(duì)隧道洞周位移、初期支護(hù)內(nèi)力的影響，得出以下結(jié)論:

下伏采空區(qū)的存在對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的不利影響主要表現(xiàn)在洞周位移、初支內(nèi)力明顯增大，尤其對(duì)拱底的影響最為顯著。當(dāng)采空區(qū)與隧道的距離＜12 m(約1倍洞徑)時(shí)，隨間距的增大，洞周位移、初支內(nèi)力迅速減小，即該距離范圍以內(nèi)是采空區(qū)的強(qiáng)影響區(qū)，施工中必須采取較強(qiáng)的預(yù)加固措施。隨著下伏采空區(qū)與隧道的距離繼續(xù)增大，采空區(qū)與隧道間距的變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響逐漸減弱，但施工中必須考慮采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的不利影響。當(dāng)采空區(qū)與隧道的距離超過(guò)24 m(約2倍洞徑)時(shí)，下伏采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的影響趨于穩(wěn)定，即在當(dāng)前參數(shù)條件下，下伏采空區(qū)對(duì)隧道的安全影響距離大約為2倍隧道洞徑。

然而，鑒于數(shù)值模擬過(guò)程的理想化和實(shí)際工程復(fù)雜性的差異，施工中安全影響距離的確定還需綜合考慮采空區(qū)和隧道的大小、圍巖的性質(zhì)、施工工法等因素的影響，并給出一定的安全儲(chǔ)備系數(shù)，從而正確安全地指導(dǎo)施工。

參考文獻(xiàn)

［1］方磊，郁犁．煤礦采空塌陷區(qū)注漿加固施工［J］．施工技術(shù)，2005(增1) : 363-365．

［2］WOOD．Constitutive Modeling and Finite Element Analysis of Ground Subsidence due to Mining［D］．Oklahoma: University of Oklahoma，1990．

［3］YAO X L，REDDISH D J，WHITTAKER B N．Nonlinear Finite-Element Analysis of Surface Subsidence Arsing from Inclined Seam Extraction［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1993，30( 4) : 431-441．

［4］王樹(shù)仁，慎乃齊，張海清，等．下伏采空區(qū)高速公路隧道變形特征數(shù)值分析［J］．中國(guó)礦業(yè)，2008，17( 3) : 76-79，81．

［5］李輝，炊鵬飛，楊小紅，等．隧道下穿采空區(qū)的監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7( 4) : 753-758．

［6］晏啟祥，王璐石，段景川，等．煤系地層隧道施工瓦斯爆炸與采空區(qū)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013( 3) : 80-85．

［7］張志沛，彭惠，楊錫平．喜口池隧道穿越煤礦采空區(qū)段穩(wěn)定性分析與研究［J］．煤炭工程，2011( 7) : 70-72．

［8］楊志浩，方勇，周超月，等．雙層采空區(qū)隧道開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015( 3) : 97-100．

［9］王樹(shù)仁，張海清．MIDAS/GTS-FLAC3D耦合建模新方法及其應(yīng)用［J］．土木建筑與環(huán)境工程，2010，32( 1) : 12-17，55．

［10］何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等．礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991．

［11］中華人民共和國(guó)交通部．JTG/T D31-03—2011采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［12］蔣華春．隧道數(shù)值模擬計(jì)算邊界范圍研究［J］．公路工程，2013，38( 3) : 132-136．

［13］苗曉岐．包西鐵路煤窯(礦)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理原則［J］．鐵道建筑，2013( 9) : 88-90．

［14］中華人民共和國(guó)交通部．JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［15］嚴(yán)廣藝．淺析下伏煤礦采空區(qū)隧道的設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，2012( 1) : 48-58．

(責(zé)任審編趙其文)

Numerical simulation of stability in excavation of tunnel over underlain horizontal goaf

ZHOU Chaoyue，F(xiàn)ANG Yong，LIU Shubin，YANG Zhihao

( Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:T he existence of goaf has negative effects on peripheral displacement of tunnel and internal force of support during excavation．Based on Guandoushan tunnel，F(xiàn)LAC3Dwas used to simulate the excavation process of tunnel over underlain horizontal goaf．T he effects of different distance between tunnel and goaf on peripheral displacement of tunnel and internal force of support were analyzed．T he results show that the negative effects decrease obviously with the distance increase to 12 meters ( 1 times the tunnel diameter)．However，the negative effects decrease gradually and tend to be stable when the distance increase from 12 meters to 24 meters，namely the critical distance of the construction safety is 2 times the tunnel diameter．

Key words:Underlain goaf; Peripheral displacement of tunnel; Internal force of support; T unnel stability

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0059-04

作者簡(jiǎn)介:周超月( 1988—)，男，碩士研究生。

收稿日期:2015-04-15;修回日期: 2015-11-19

中圖分類號(hào):U455．49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．14