隧道穿越采空區(qū)的穩(wěn)定性分析

梁勝增，聞　磊

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

隧道穿越采空區(qū)的穩(wěn)定性分析

梁勝增1，聞磊2

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

摘要：以小江口隧道和坪地煤礦為研究對(duì)象，根據(jù)工程所在地的地質(zhì)條件和圍巖特點(diǎn)，利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性及其對(duì)隧道的影響進(jìn)行分析研究，并針對(duì)分析結(jié)果提出相應(yīng)的治理方案，從而為小江口隧道的安全施工和營運(yùn)提供理論支持。研究結(jié)果表明，一、二盤區(qū)留設(shè)的點(diǎn)柱穩(wěn)定性較差，不能起到長(zhǎng)期支撐頂板的作用，一、二盤區(qū)部分采空區(qū)會(huì)產(chǎn)生頂板冒落；隧道K線ZK67+555至隧道出口段、D線ZK67+466至隧道出口段兩側(cè)各90m范圍內(nèi)的下覆老采空區(qū)需進(jìn)行充填處理。

關(guān)鍵詞：隧道；采空區(qū)；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

地下采空區(qū)的穩(wěn)定性對(duì)其附近建筑的穩(wěn)定性有著重要的影響，尤其對(duì)于穿越采空區(qū)的隧道，其影響更加不可忽視，這也成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)問題之一。李曉紅等[1-2]對(duì)隧道穿越采空區(qū)的穩(wěn)定性、圍巖變形的特性及治理措施進(jìn)行了總結(jié)；童立元等[3-4]對(duì)高速公路下伏采空區(qū)的國內(nèi)外研究結(jié)果進(jìn)行了綜述；在對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬應(yīng)用方面，也有很多相關(guān)的研究[5-8]。為了保證穿越采空區(qū)隧道的穩(wěn)定性、安全施工和營運(yùn)，有必要對(duì)隧道采空區(qū)影響段進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)，也可以為類似項(xiàng)目提供有益參考[8-9]。

1工程背景

1.1項(xiàng)目概況

小江口隧道為貴州省余慶至凱里高速公路余凱線控制性工程之一，該隧道為分幅長(zhǎng)隧道，左幅長(zhǎng)2637m，最大埋深約239.16m，進(jìn)出口底板高程分別為667.98m和720.74m。右幅長(zhǎng)2651m，最大埋深約238.3m，進(jìn)出口底板高程分別為667.72和720.74m。隧道洞室單幅凈寬10.25m，凈高5.0m。

凱里市灣水鎮(zhèn)大風(fēng)洞坪地煤礦始建于1998年，2001年建成投產(chǎn)，由原來多家小煤窖整合而成，現(xiàn)屬私營獨(dú)資企業(yè)，主采2號(hào)煤層。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力9萬t/a，分兩個(gè)盤區(qū)形成各自獨(dú)立的開拓系統(tǒng)進(jìn)行開采，F(xiàn)1斷層以南為一盤區(qū)，斜井開拓，傾向長(zhǎng)壁采煤法，F(xiàn)1斷層以北為二盤區(qū)，平硐開拓，走向長(zhǎng)壁采煤法。

余凱高速公路小江口隧道兩條備選線路K線和D線自北向南從坪地煤礦礦區(qū)中間穿過，將礦區(qū)劃分為東西兩塊。隧道進(jìn)口至ZK66+600段，礦山開采煤層大部分位于隧道上方，ZK66+600至隧道出口段，開采煤層位于隧道下方。經(jīng)過多年的開采，小江口隧道周邊分布有一定規(guī)模采空區(qū)，其中，一盤區(qū)老采空區(qū)位于隧道下方，距隧道底板約30～85m，二盤區(qū)老采空區(qū)位于隧道上方，距隧道頂部約25.60～76.40m。

小江口隧道與坪地煤礦的空間位置關(guān)系見圖1。

圖1　坪地煤礦與小江口隧道相互關(guān)系平面

為了確保小江口隧道施工與運(yùn)營安全，杜絕重大事故的發(fā)生，有必要全面系統(tǒng)地分析坪地煤礦與小江口隧道之間的相互影響關(guān)系。

1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

隧道地處貴州東部斜坡地帶，隧道區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，其軸線通過高程634.8～948.04m，相對(duì)高差314.24m。進(jìn)口位于緩坡上，地形坡度較緩；出口位于陡壁上，基巖出露。地表基巖出露，為溶蝕、侵蝕剝蝕型低山河谷地貌。

場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、崩塌堆積層(Qc)塊石土。下伏基巖為二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組(P1q+m)灰、深灰色灰?guī)r，梁山組(P1l)灰白色、灰黃色石英砂巖夾煤層及炭質(zhì)泥巖，泥盆系望城坡組、堯梭組(D3w+y)淺灰、灰白色白云巖，志留系翁項(xiàng)群(S2-3wn)灰黃、淺灰、灰綠色泥巖夾砂巖。

隧址位于江南古陸西側(cè)新生代坳陷區(qū)過渡地帶，場(chǎng)區(qū)中部發(fā)育正斷層F1，斷面產(chǎn)狀為175°∠60°，直斷距25～30m，斜斷距約為70～80m，斷層破碎帶寬12～15m，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)較差。隧道垂直穿過F1斷層，對(duì)隧道洞室圍巖穩(wěn)定性影響較大。

隧道區(qū)域地下水主要為泥巖強(qiáng)風(fēng)化層基巖裂隙水、碳酸巖巖溶裂隙水，地下水主要靠大氣降水垂直補(bǔ)給。隧道區(qū)分布兩層隔水巖組，兩層含水巖組。據(jù)煤系地層中水樣分析結(jié)果，pH值=2.0～6.0，弱酸～強(qiáng)酸性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物有較強(qiáng)腐蝕性。隧道進(jìn)口至ZK66+610段，基巖為D3w+y白云巖，含水層特征為巖溶裂隙水，處于S2-3wn-P1l兩隔水巖層之間，巖層透水性中等，隧道通過段位于排泄區(qū)。ZK66+660至隧道出口段，基巖為P1q+m灰?guī)r，含水層特征為巖溶裂隙水和F1破碎帶裂隙水，處于P1l隔水層之上，巖層透水性強(qiáng)。隧道通過段高于區(qū)內(nèi)地下水侵蝕基準(zhǔn)面約66m，隧道設(shè)計(jì)高程高于區(qū)內(nèi)地下水水位，地下水對(duì)隧道影響小，雨洪期產(chǎn)生的局部富集的地下水對(duì)隧道施工有影響。

1.3巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

隧道進(jìn)出口施工過程中，由于需要?jiǎng)冸x地表風(fēng)化巖層，且受爆破震動(dòng)影響，隧道進(jìn)出口附近危巖體易受擾動(dòng)而產(chǎn)生崩塌的現(xiàn)象，威脅隧道的施工安全。針對(duì)隧道施工的特點(diǎn)，專門對(duì)隧道進(jìn)出口地表的巖體情況進(jìn)行調(diào)查。

1)進(jìn)口。隧道洞身圍巖為塊石土及強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖、白云巖，地表堆積體厚達(dá)8～22m，巖石節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎～破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，開挖后易發(fā)生滑坡、崩塌，處理不當(dāng)會(huì)坍至地表。

2)出口。隧道出口段地形陡峻，三面為陡崖，隧道洞身圍巖為灰?guī)r，處于卸荷節(jié)理發(fā)育帶，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖易坍塌，處理不當(dāng)易發(fā)生大坍塌，側(cè)壁經(jīng)常發(fā)生小坍塌。

2老采空區(qū)對(duì)隧道安全性影響分析

2.1基于數(shù)值模擬的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

巷柱式采礦形成采空區(qū)的穩(wěn)定性主要是由礦柱的穩(wěn)定性來決定的。因此，本次采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬主要針對(duì)礦柱(點(diǎn)柱)進(jìn)行分析。按上覆巖層自重施加荷載，在模型底部及側(cè)面施加位移邊界條件，計(jì)算參數(shù)選取參見表1。

表1　計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)礦山老采空區(qū)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)訪談結(jié)果，點(diǎn)柱尺寸為：斷面2m×3m，高度1m，柱間距5m。計(jì)算模型見圖2。

隨著埋深的增加，礦柱所承受的壓力不斷增大，按采空區(qū)50m、100m、110m、130m埋深分別計(jì)算分析礦柱穩(wěn)定性。為了便于分析計(jì)算結(jié)果，作如圖3所示剖面查看礦柱內(nèi)部應(yīng)力及塑性區(qū)的變化。

1)埋深50m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性分析。當(dāng)埋深50m時(shí)，最大主應(yīng)力7.9MPa，礦柱中心壓應(yīng)力較大，礦柱邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力值為0.018MPa，礦柱邊緣偏頂部出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，礦柱總體保持穩(wěn)定。點(diǎn)柱內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)分布見圖4。

圖2　老采空區(qū)點(diǎn)柱分析模型

圖3　礦柱剖面位置圖

圖4　埋深50m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

2)埋深100m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性分析。當(dāng)埋深100m時(shí)，最大主應(yīng)力顯著提高，增加至14MPa，礦柱中心產(chǎn)生應(yīng)力集中，礦柱邊緣出現(xiàn)較大范圍拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.09MPa，礦柱邊緣出現(xiàn)大范圍的塑性變形區(qū)。因礦柱內(nèi)部巖體處于三維應(yīng)力狀態(tài)，礦柱中心巖體受到一定圍壓作用仍能保持整體穩(wěn)定，其核心區(qū)域能夠繼續(xù)起到支撐頂板的作用。點(diǎn)柱內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)分布見圖5。

圖5　埋深100m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

3)埋深110m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性分析。當(dāng)埋深110m時(shí)，最大主應(yīng)力有所提高，增加至18MPa，應(yīng)力集中區(qū)位于礦柱中心底部位置，礦柱邊緣出現(xiàn)大范圍拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力變化不大，為0.087MPa，礦柱邊緣及底部偏出現(xiàn)大范圍的塑性變形區(qū)，礦柱失穩(wěn)發(fā)生破壞。點(diǎn)柱內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)分布見圖6。

圖6　埋深110m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

4)埋深130m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性分析。當(dāng)埋深130m時(shí)，最大主應(yīng)力急劇增大，達(dá)到45MPa，應(yīng)力集中區(qū)位于礦柱正中心位置，整個(gè)礦柱發(fā)生塑性變形，中心區(qū)域剪切破壞，礦柱邊緣產(chǎn)生剪切和拉伸破壞，礦柱垮塌，無法支撐頂板。點(diǎn)柱內(nèi)部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性區(qū)分布見圖7。

圖7　埋深130m時(shí)點(diǎn)柱穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

2.2礦柱穩(wěn)定性分析小結(jié)

當(dāng)埋深小于100m時(shí)，2m×3m的點(diǎn)柱不會(huì)出現(xiàn)貫穿整個(gè)礦柱的塑性區(qū)，能夠起到繼續(xù)支撐頂板的作用，當(dāng)埋深大于100m時(shí)，2m×3m的點(diǎn)柱中心區(qū)域產(chǎn)生剪切破壞，產(chǎn)生貫穿整個(gè)礦柱的塑性變形，煤柱發(fā)生破壞，造成采空區(qū)失穩(wěn)。

根據(jù)老采空區(qū)與小江口隧道的空間位置關(guān)系，可分為老采空區(qū)位于隧道上方和下方兩種情況。當(dāng)采空區(qū)位于隧道上方時(shí)，采動(dòng)后引起的巖層移動(dòng)主要在采空區(qū)的上方，不會(huì)對(duì)采空區(qū)下面的隧道產(chǎn)生影響。當(dāng)采空區(qū)位于隧道正下方時(shí)，如采空區(qū)不能自穩(wěn)發(fā)生冒落，會(huì)引起上覆巖層移動(dòng)和地表沉降，從而對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。根據(jù)對(duì)老采空區(qū)的穩(wěn)定性分析，充分采動(dòng)后的采空區(qū)無法自穩(wěn)，頂板會(huì)發(fā)生垮冒，直至冒落巖塊填滿空區(qū)。

3老采空區(qū)處理方案

小江口隧道K線ZK67+555至出口段，D線ZK67+466至出口段，下覆采空區(qū)引起的巖層移動(dòng)可能會(huì)波及隧道。為確保隧道的安全施工及運(yùn)營，建議對(duì)隧道出口段一定范圍內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行充填注漿處理。據(jù)調(diào)查，該范圍內(nèi)采空區(qū)多為原民采空區(qū)，通往地表的通道已于多年前封閉，且老空區(qū)的現(xiàn)狀不清楚，不利于在井下進(jìn)行空區(qū)處理。受地表地形的影響，地表施工充填鉆孔難度大、耗費(fèi)高，所以，只能采取在隧道水平范圍內(nèi)向采空區(qū)施工充填鉆孔。根據(jù)隧道K線ZK67+555至出口段采空區(qū)的范圍，在隧道兩側(cè)各90m范圍內(nèi)的下覆采空區(qū)進(jìn)行充填注漿處理，隧道開挖后，先從隧道側(cè)幫向兩側(cè)50m范圍施工聯(lián)絡(luò)巷道，然后平行于隧道方向施工鉆孔巷道，鉆孔巷道內(nèi)每4m施工充填鉆孔。采空區(qū)充填注漿的工程量估算見表2，充填范圍見圖8。D線ZK67+466至出口段與K線采空區(qū)處理方法相同。

表2　采空區(qū)充填注漿工程量粗算表

圖8　小江口隧道K線下覆采空區(qū)充填范圍圖

4結(jié)論

通過對(duì)老采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料分析，隧道進(jìn)口至ZK66+600段，煤層位于隧道上方，開采后引起的巖層移動(dòng)不會(huì)對(duì)隧道造成不利影響；ZK66+600至ZK66+993段，煤層位于隧道下方，與隧道的垂直距離較近，但礦山未進(jìn)行開采，不會(huì)對(duì)隧道造成影響；ZK66+993至隧道出口段，煤層位于隧道的下方，分布有一定規(guī)模的采空區(qū)，與隧道底板的垂直距離在20m以上，老采空區(qū)對(duì)隧道的影響主要集中在該段。通過數(shù)值模擬方法對(duì)老采空區(qū)穩(wěn)定性及其對(duì)隧道的影響分析，得出以下結(jié)論。

1)一、二盤區(qū)留設(shè)的點(diǎn)柱穩(wěn)定性較差，不能起到長(zhǎng)期支撐頂板的作用，會(huì)出現(xiàn)礦柱破裂、采空區(qū)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

2)由于采空區(qū)的直接頂板為炭質(zhì)泥巖或石英砂巖，礦山開采后沒有留護(hù)頂煤層，隨著時(shí)間的推移，一、二盤區(qū)部分采空區(qū)都會(huì)產(chǎn)生頂板冒落，直至充滿采空區(qū)。

3)為了保證隧道的安全施工和營運(yùn)，隧道K線ZK67+555至隧道出口段、D線ZK67+466至隧道出口段兩側(cè)各90m范圍內(nèi)的下覆老采空區(qū)需進(jìn)行充填處理。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉紅，靳曉光，盧義玉，等.西山坪隧道穿煤及采空區(qū)圍巖變形特性與數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(5)：667-670.

[2]李曉紅，姜德義，劉春，等.公路隧道穿越采空區(qū)治理技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，26(6)：910-914.

[3]童立元，劉松玉，邱鈺，等.高速公路下伏采空區(qū)問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(7)：1198-1202.

[4]張志沛.高速公路煤礦采空區(qū)地基注漿加固治理技術(shù)[J].中南公路工程，1996，(1)：23-25.

[5]李治國.鐵山隧道采空區(qū)穩(wěn)定性分析及治理技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(8)：1168-1173.

[6]JonceCJFP，SpencerWJ.Theimplicationofminingsubsidenceformodernhighwaystructure[C]//LargeGroundTunnelMovementandStructureProceedings.[S.1.]:UniversityofWalesCardiff，1977：515-526.

[7]姚宣成，高永濤，蘇建軍，等.隧道下伏采空區(qū)穩(wěn)定性及治理方案數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2014，43(2)：142-145.

[8]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.

[9]竇順，張志強(qiáng)，戴玉.猴場(chǎng)隧道煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析及其治理[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(6)：44-48.

Analysis and study on stability when tunnel excavated trough mined-out area

LIANGSheng-zeng1，WENLei2

(1.SichuanCollegeofArchitectureTechnology，Deyang618000，China;2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Changsha410012，China)

Abstract:Xiaojiangkou tunnel and Pingdi coal mine were the research objects.According to the geological condition and surrounding rock characteristics of the project site，the stability of mined-out area and its influence on tunnel were studied by numerical simulation method.Corresponding treatment scheme was put forward to provide theoretical support for safe construction and operation of Xiaojiangkou tunnel.Results show that the stability of the point pillars in one or two panel is poorer，so it cannot have long-term effect of roof supporting.Roof caving will occur in part of the mined-out areas.From K line ZK67 + 555 and D line ZK67 + 466 to the tunnel exit，in 90m range，the old mined-out area below need to be filled.

Key words：tunnel；mined-out area；stability；numerical simulation

收稿日期：2015-07-06

中圖分類號(hào)：TD32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0150-05