露天礦邊坡開挖對鄰近鐵路隧道的影響分析

王翠萍

（中國鐵路太原局集團有限公司準朔鐵路有限責任公司，太原 030013）

露天煤礦邊坡的穩(wěn)定關(guān)系到鄰近既有鐵路隧道及建筑物的安全。隨著露天礦開采的不斷接近，鐵路隧道受到的影響越來越大，諸多學者對鄰近工程對既有隧道影響進行了深入研究。王路［1］采用理論計算分析及數(shù)值模擬計算方法預測由于基坑圍護結(jié)構(gòu)變形而引起的隧道結(jié)構(gòu)附加荷載和變形。劉蘭利［2］應用京承鐵路21號隧道襯砌病害檢測結(jié)果建立數(shù)學模型，采用ANSYS 軟件檢算了隧道的安全性。趙東平等［3］通過對邊坡開挖進行了靜力學和動力學數(shù)值分析，研究了路塹邊坡可開挖的最大范圍及爆破振動對隧道的影響。庹力［4］利用有限元和有限差分方法，系統(tǒng)研究了深基坑開挖與鄰近既有隧道相互影響規(guī)律。楊光等［5］運用ANSYS 有限元數(shù)值模擬方法，分析了路塹邊坡開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)應力應變和爆破振動的影響規(guī)律。鄭剛等［6］采用有限元方法對基坑施工對坑外既有隧道變形影響規(guī)律進行了參數(shù)分析，劃分了不同圍護結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)。林杭等［7］采用FLAC 3D 有限差分方法，得到不同工況下基坑鄰近隧道的變形情況。陳大川等［8］引入熵權(quán)法改進評價指標權(quán)重確定過程，提高了評價體系的可靠性。黃承忠［9］給出了保證超限高邊坡支護安全的方法。

針對露天礦和鄰近鐵路隧道的工程地質(zhì)特征，本文采用數(shù)值模擬方法分析露天礦邊坡開挖對鄰近既有鐵路隧道的影響，并提出合理的監(jiān)測和治理措施，以確保露天礦在合理范圍內(nèi)開采并保障隧道的安全運營。

1 工程概況

敖包梁鐵路隧道鄰近納源煤礦露天礦區(qū)。該煤礦礦區(qū)面積29.079 km2，開采標高1 425～1 355 m。根據(jù)礦體賦存條件及礦山現(xiàn)狀，采用露天開采。隧道進口里程為K159+452.534，出口里程為K173+575.534，全長14 123 m，最大埋深約138.629 m。鐵路隧道與露天煤礦邊坡的空間位置關(guān)系見圖1。

圖1 鄰近既有鐵路隧道與露天礦邊坡的空間位置關(guān)系

敖包梁隧道穿越露天煤礦礦區(qū)的里程為K170+065—K171+796，長1 731 m。隧 道 在K170+065—K170+557 段埋深較淺，最小埋深約6 m，在K170+557—K171+796段埋深較大，最大埋深約90 m。

在K170+065—K171+796 里程范圍內(nèi)，隧道共穿越3層煤：5?1煤層、6?1下煤層和6?2中煤層。5?1層位于隧道上方，6?1 下煤層與隧道小角度相交，6?2 中煤層位于隧道下方。5?1 煤層平均厚度為1.17 m，6?1 下煤層平均厚度為2.24 m，6?2 中煤層平均厚度為3.57 m。

隧址區(qū)圍巖以粉質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖為主。K170+065—K170+557段以Ⅳ級泥巖為主，由于埋深較淺，主要采用Ⅴ級圍巖復合襯砌，部分采用Ⅴ級圍巖加強復合襯砌；K170+557—K171+796 段以砂巖和泥巖為主，采用Ⅳ級圍巖復合襯砌。

2 數(shù)值模擬分析

露天煤礦礦區(qū)地表限采邊界線與既有鐵路隧道中心線水平凈距200 m，由于礦區(qū)地勢起伏較大，從地表限采邊界線沿遠離既有鐵路隧道方向以35°邊坡角向下開挖邊坡。高邊坡的邊坡面距離既有鐵路隧道垂直凈距較小，對邊坡應力場和應變場的影響較大；矮邊坡的邊坡面距離既有鐵路隧道垂直凈距較大，對邊坡應力場和應變場的影響較小。最大開挖深度在鐵路限采邊界14號控制點附近，最小開挖深度在鐵路限采邊界21號控制點附近。

開挖邊坡時卸荷作用會導致地層應力場和應變場變化，威脅鄰近既有鐵路隧道的運營安全。本文的數(shù)值模擬分高邊坡分階段開采及回填、矮邊坡分階段開采及回填2 種工況，分析邊坡和既有鐵路隧道附近應力場和應變場的變化。

2.1 模型的建立

露天礦邊坡和鄰近既有鐵路隧道均采用現(xiàn)場實際尺寸，構(gòu)建彈塑性三維地層與結(jié)構(gòu)共同作用模型。初始巖土參數(shù)、支護參數(shù)、力學參數(shù)、最終邊坡角及地應力均參照現(xiàn)場勘察報告和露天礦初步設計報告選取。地層參數(shù)見表1。數(shù)值計算模型中地層由上至下依次為黃土層、5?1 煤層、粉質(zhì)泥巖（既有鐵路隧道穿越地層）、6?1下煤層、泥質(zhì)砂巖。

表1 地層參數(shù)

高邊坡分階段開采及回填（工況1）模型尺寸為566 m（x軸）×136 m（z軸）×20 m（y軸），共劃分181 326個單元，192 632 個節(jié)點。劃分網(wǎng)格后的實體模型見圖2（a）。施工順序：①進行初始地應力平衡，使地層應力狀態(tài)達到施工前的狀態(tài)；②露天開采煤礦邊坡分3個階段開挖；③邊坡分3個階段回填。

矮邊坡分階段開采及回填（工況2）模型尺寸為485 m（x軸）×57 m（z軸）×50 m（y軸），共劃分167 743個單元，139 850 個節(jié)點。劃分網(wǎng)格后的實體模型見圖2（b），施工順序同工況1。

圖2 數(shù)值計算模型

2.2 模擬結(jié)果與分析

2 種工況的區(qū)別在于邊坡開挖起點的海拔不同，工況1是從最高海拔位置地表限采邊界線沿遠離既有鐵路隧道方向以35°邊坡角向下開挖至泥質(zhì)砂巖層；工況2是從最低海拔位置地表限采邊界線沿遠離既有鐵路隧道方向以35°邊坡角向下開挖至泥質(zhì)砂巖層。

2.2.1 應力分布

工況1 露天礦邊坡形成后土體應力分布見圖3?？芍涸诰嗨淼?00 m 范圍內(nèi)，土體平均應力、最大剪應力、最大主應力、最小主應力的等值線分布較均勻，未出現(xiàn)明顯變化。由于邊坡開挖的卸荷作用，應力還是有所減小。與邊坡開挖前相比，隧道襯砌附近土體平均應力、最大剪應力、最大主應力、最小主應力分別減小81.80，32.64，125.79，60.50 kPa。

圖3 土體應力云圖（工況1）

工況2 露天礦邊坡形成后土體應力分布見圖4?？芍壕嗨淼?00 m 以內(nèi)土體平均應力、最大剪應力、最大主應力、最小主應力的等值線分布較均勻，未出現(xiàn)明顯變化。由于邊坡開挖的卸荷作用，應力還是有所減小。與邊坡開挖前相比，隧道襯砌附近土體平均應力、最大剪應力、最大主應力、最小主應力分別減小3.75，1.42，5.96，3.13 kPa。

圖4 土體應力云圖（工況2）

隧道襯砌施工各階段最大主應力變化曲線見圖5?？芍?種工況隧道襯砌最大主應力在開挖階段均呈增大趨勢，回填后均明顯減小。

圖5 隧道襯砌各階段最大主應力分布

2.2.2 位移分布

圖6 位移云圖（工況1）

工況1 露天礦邊坡形成后土體位移分布見圖6?？芍孩偌扔兴淼乐車馏w的總位移等值線和邊坡周圍土體的總位移等值線有相互靠近的趨勢。與邊坡開挖前相比，既有隧道襯砌總位移最大值為3.61 mm，x軸和z軸方向分別有3.60 mm 和0.15 mm 的較小位移。②既有隧道周圍土體的x軸位移分量等值線和邊坡周圍土體的x軸位移分量等值線已貫通。③隧道周圍土體的z軸位移分量等值線仍呈規(guī)律性分布，位移增量極小。

工況2 露天礦邊坡形成后土體位移分布見圖7。可知：①既有鐵路隧道周圍土體總位移等值線和露天礦邊坡周圍土體總位移等值線有相互靠近的趨勢。與邊坡開挖前相比，隧道襯砌總位移最大值為24.60 μm，x軸 和z軸方向分別有12.60 μm 和8.20 μm 的較小位移。②隧道周圍土體的x軸位移分量等值線和邊坡周圍土體的x軸位移分量等值線已貫通。③隧道周圍土體的z軸位移分量等值線仍呈規(guī)律性分布，位移增量極小。

圖7 位移云圖（工況2）

隧道襯砌各階段總位移變化曲線見圖8。可知：2 種工況隧道襯砌總位移在開挖階段均呈增大趨勢，及時回填至原地貌后工況1（高邊坡）、工況2（矮邊坡）總位移分別下降至2.87 mm，4.16 μm。

圖8 隧道襯砌各階段總位移變化曲線

3 結(jié)論與建議

1）高邊坡開挖所引起的隧道總位移最大值為3.61 mm，及時回填至原地貌后總位移下降至2.87 mm，高邊坡在開挖后及時回填對既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響較大。因此，建議高邊坡的地表限采邊界線與既有鐵路隧道應保持一定的安全距離，開挖后應及時回填。

2）矮邊坡開挖所引起的隧道總位移最大值為24.60 μm，及時回填至原地貌后總位移下降至4.16 μm，矮邊坡在開挖后及時回填對既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響較小。因此，可按現(xiàn)有地表限采邊界線進行開采。

3）鐵運〔2011〕131 號《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）》中隧道襯砌位移的等級評定方法是按照襯砌位移的發(fā)展速度來劃分的。為了確保既有線路的運輸安全，在露天礦邊坡開挖過程中應對隧道襯砌位移實時監(jiān)測。一旦隧道襯砌的位移速度超過了3 mm∕年時發(fā)出提示，超過5 mm∕年時發(fā)出警告，以確保隧道襯砌位移速度控制在安全閾值以內(nèi)。

4）開采設計和施工時應充分了解危巖體的地質(zhì)情況和周邊環(huán)境，制定切實可行的開采方案和有效的防護措施，防止邊坡出現(xiàn)大規(guī)?；?。

5）在露天礦所對應的既有鐵路隧道區(qū)段襯砌表面布置應力和應變監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果制定相應措施，必要時采取煤礦限采和襯砌錨固措施。