崔志盛，趙 凱，龔建伍

(1.山西平陽高速公路建設(shè)管理處，山西陽泉 045100;2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430065)

公路隧道下伏采空區(qū)施工影響數(shù)值模擬分析

崔志盛1，趙 凱1，龔建伍2

(1.山西平陽高速公路建設(shè)管理處，山西陽泉 045100;2.武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430065)

隨著公路隧道的不斷興建，一些工程不可避免地要穿越采空區(qū)，相應(yīng)地會給隧道的施工帶來風(fēng)險與潛在危害。從下伏采空區(qū)與隧道的空間相對位置建立有限元數(shù)值模型，分析不同距離條件下采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)之間的影響。計算結(jié)果表明，下伏采空區(qū)的存在對公路隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的影響是顯著的，當(dāng)采空區(qū)與隧道的距離小于10 m時，其不利影響非常明顯，施工中必須采取較強的預(yù)加固措施;下伏采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)影響的臨界距離約為40 m，當(dāng)此距離小于40 m時，必須考慮采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的不利影響。

公路隧道;下伏采空區(qū);施工影響;距離;數(shù)值分析

0 引言

隨著我國西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施和大力推進交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，越來越多的高等級公路穿越崇山峻嶺，相應(yīng)公路隧道的修建工作日益突出［1］。而在礦產(chǎn)資源開采過程中，應(yīng)用房柱法、全面法及留礦法等空場類方法采礦，通常會形成大量地下采空區(qū)［2］。特別是自20世紀(jì)80年代以來，我國礦業(yè)開采秩序較為混亂，非法、無規(guī)劃的亂采濫挖在一些國有礦山周邊留下了大量空區(qū)，如廣西大廠礦區(qū)、甘肅廠壩鉛鋅礦、安徽銅陵獅子山銅礦、河南欒川鉬礦、云南蘭坪鉛鋅礦、廣東大寶山礦等［3］。

由于隧道與采空區(qū)的相互影響給采空區(qū)隧道建設(shè)帶來了特殊的困難，在工程建設(shè)中一般應(yīng)盡量避開，但礦區(qū)采空區(qū)星羅棋布，再加之用地等原因，一些公路隧道建設(shè)不可避免地要穿越采空區(qū)，相應(yīng)地會給隧道的施工帶來風(fēng)險與潛在危害。如福建永武高速公路龍井隧道［4］、山西大運公路靈石隧道［5］、廣東梅河高速公路葵崗隧道［6］，以及國道212線重慶至合川高速公路的西山坪隧道［7］，武廣鐵路客運專線新南嶺隧道［8］等，均為典型的穿越采空區(qū)的隧道工程。

由于采空區(qū)覆巖的不均勻沉降變形，很容易造成公路隧道路面錯落起伏、襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂等破壞現(xiàn)象，對高速公路隧道的正常運營以及破壞后的補救修復(fù)，構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患和潛在危害。盡管高速公路建設(shè)對采空區(qū)的研究已有多年的歷史，在采空區(qū)的勘察、穩(wěn)定性評價和治理方面積累了寶貴的經(jīng)驗，但尚未形成成熟的理論及工程設(shè)計體系，尤其是下伏采空區(qū)隧道工程的受力特點，無規(guī)范、規(guī)程可循［9～11］。因此，開展下伏采空區(qū)隧道工程力學(xué)特征分析，具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程實用價值。

筆者擬從下伏采空區(qū)與隧道之間的不同距離方面進行分析，通過有限元數(shù)值方法的動態(tài)模擬，研究下伏采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律，提出隧道保護范圍和下伏采空區(qū)的臨界距離，確保隧道結(jié)構(gòu)安全，為設(shè)計和施工提供參考。

1 數(shù)值計算模型

鑒于分析目的，本文采用同濟曙光有限元分析軟件(GeoFBA2D)進行計算，數(shù)值模擬采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，通過設(shè)置不同的采空區(qū)與隧道相對空間位置，模擬下伏采空區(qū)對公路隧道結(jié)構(gòu)的影響。

1.1 計算模型與工況

根據(jù)隧道開挖影響范圍的大小，模型邊界到隧洞邊界的距離均超過5倍洞徑［12］。計算模型中，圍巖采用三角形實體單元模擬，初襯采用桿單元模擬，二襯采用梁單元模擬。兩側(cè)邊界節(jié)點采用水平方向約束，底部邊界節(jié)點采用豎直方向約束，采空區(qū)大小取3 m×9 m，以其與隧道垂直距離20 m為例，基本網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計算模型有限元網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)研究目的，數(shù)值計算通過設(shè)置不同的采空區(qū)與隧道相對空間位置，模擬采空區(qū)對公路隧道結(jié)構(gòu)的影響，主要選取無采空區(qū)和下伏采空區(qū)距隧道底部距離分別為5、10、20、30、40和60 m 等6種工況下對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律。

1.2 計算參數(shù)

數(shù)值模擬計算涉及到計算域內(nèi)巖體介質(zhì)類型的簡化和選取適當(dāng)?shù)牧W(xué)參數(shù)，由于在工程建設(shè)中公路隧道常常需穿過較軟弱的巖體。因此，參考相關(guān)工程實踐［12、13］，并結(jié)合公路隧道設(shè)計規(guī)范提供的圍巖力學(xué)參數(shù)，本文主要選取V級圍巖進行計算分析，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 V級圍巖力學(xué)計算參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 隧道洞周位移分析

洞周特征位移選取隧道拱頂、拱底豎向變形，以及隧道邊墻水平收斂進行分析。從計算結(jié)果看出，當(dāng)無采空區(qū)時，隧道拱頂、拱底位移和水平收斂分別為－11.5、18.3和1.3 mm。表2為不同工況情況下有采空區(qū)時對應(yīng)洞周特征位移計算值及與無采空區(qū)時的變化差值，圖2為隧道洞周特征位移變化差值與對應(yīng)工況下的變形曲線。

表2 不同距離采空區(qū)引起隧道洞周特征位移值

圖2 不同距離下伏采空區(qū)引起隧道特征位移變化曲線

從表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，隧道拱頂下沉和拱底位移值均逐漸增長，而水平收斂則逐漸減小，表明采空區(qū)的存在使得隧道周邊位移發(fā)生了一定的變化，整體上，隧道豎向相對位移有所減小，而水平相對位移則對應(yīng)增大。尤其是隧道拱底，相對變形較大，在襯砌結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力變化差值也較大，對隧道結(jié)構(gòu)安全較為不利。

從圖2可見，當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離小于10 m時，距離的變化對隧道洞周特征位移影響較大。當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離從10 m增加到40 m過程中，隧道洞周特征位移與二者之間的距離基本呈線性增長關(guān)系，而當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離超過40 m后，采空區(qū)對隧道洞周特征位移的影響顯著減小，表明在當(dāng)前采空區(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40 m。

2.2 隧道支護結(jié)構(gòu)受力分析

對應(yīng)下伏采空區(qū)至隧道的不同距離，計算得到隧道初襯軸力、二襯軸力和二襯彎矩特征值如表3所示，圖3、圖4分別為對應(yīng)工況下隧道初襯軸力、二襯彎矩特征值變化曲線。

表3 不同距離采空區(qū)引起隧道支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力值

圖3 隧道初襯軸力特征值隨下伏采空區(qū)距離變化曲線

圖4 隧道二襯彎矩特征值隨下伏采空區(qū)距離變化曲線

從表3和圖3、圖4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，隧道支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生了規(guī)律性變化，同樣表明下伏采空區(qū)的存在對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離小于10 m時，距離的變化對隧道支護內(nèi)力影響相對較大，隨距離增長，隧道支護內(nèi)力基本呈線性變化，但變化趨勢逐漸變緩，當(dāng)下伏采空區(qū)與隧道的距離超過40 m后，隧道支護內(nèi)力特征值基本達到穩(wěn)定，這亦說明在當(dāng)前采空區(qū)尺寸條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)的主要影響范圍大約為40 m。

2.3 圍巖塑性區(qū)分析

對應(yīng)下伏采空區(qū)至隧道不同距離，可計算得到不同工況下隧道和采空區(qū)周邊圍巖塑性區(qū)范圍。限于篇幅并不失規(guī)律性，此處僅列出下伏采空區(qū)與隧道距離分別為5、10、20和40 m共4種工況下的圍巖塑性區(qū)分布范圍，如圖5所示。

圖5 下伏采空區(qū)與隧道距離變化時圍巖塑性區(qū)范圍

從圖5可以看出，下伏采空區(qū)與隧道之間的距離對圍巖塑性區(qū)大小及分布有較大的影響，當(dāng)二者距離較小，如距離為5 m時，圍巖塑性區(qū)的范圍貫通隧道與采空區(qū)之間的區(qū)域，且塑性區(qū)范圍也相對較大，對隧道及圍巖整體穩(wěn)定非常不利;當(dāng)采空區(qū)與隧道距離增大到10 m時，圍巖塑性區(qū)有所減小，但隧道與采空區(qū)之間仍有大部分區(qū)域圍巖屈服，對隧道結(jié)構(gòu)較為不利;而當(dāng)距離增大到20 m左右時，采空區(qū)周邊圍巖塑性區(qū)范圍有所減小，且隧道與采空區(qū)之間的影響逐漸減弱，表明采空區(qū)的存在對隧道整體穩(wěn)定性影響不大;當(dāng)采空區(qū)與隧道之間的距離繼續(xù)增大到40 m左右時，采空區(qū)周邊圍巖塑性區(qū)范圍基本不變，其對隧道安全的影響進一步減弱。因此，單從圍巖塑性區(qū)范圍看，下伏采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的主要影響范圍大約為20 m。

結(jié)合上述隧道洞周特征位移、隧道支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及圍巖塑性區(qū)范圍分布，整體上可以看出，下伏采空區(qū)的存在對隧道結(jié)構(gòu)的影響是明顯的，在當(dāng)前設(shè)定采空區(qū)大小狀況下，其主要影響范圍可取40 m，約4倍的隧道開挖跨度。

3 結(jié)論

通過公路隧道下伏采空區(qū)施工過程有限元模擬，分析了采空區(qū)與隧道不同距離狀態(tài)下施工的影響規(guī)律，可為采空區(qū)公路隧道的設(shè)計和施工提供相關(guān)參考。

下伏采空區(qū)的存在對公路隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的影響是顯著的，當(dāng)采空區(qū)與隧道的距離小于10 m，約1倍洞徑時，其不利影響非常明顯，施工中必須采取較強的預(yù)加固措施;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，其對隧道結(jié)構(gòu)的影響逐漸減小，當(dāng)采空區(qū)與隧道的距離超過40 m，約4倍洞徑時，采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響顯著減小，圍巖塑性區(qū)范圍也相對較小;當(dāng)此距離小于40 m時，必須考慮采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的不利影響。

當(dāng)然，這種影響與采空區(qū)大小、性質(zhì)、圍巖狀況和施工技術(shù)等因素也是密切相關(guān)的，不同條件下其影響程度和范圍也有所不同，在實際工程中宜結(jié)合具體條件綜合分析和考慮。

［1］張頂立，王夢恕，高軍，等.復(fù)雜圍巖條件下大跨隧道修建技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(2):290 －296.

［2］馮長根，李俊平，于文遠，等.東桐峪金礦空場處理機制研究［J］.黃金，2002，23(10):11 －15.

［3］張耀平，曹平，袁海平，等.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2010，27(2):233 －238.

［4］邱禮球，王彥虎.高速公路隧道通過煤礦采空區(qū)施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2008，28(5):616 －619，627.

［5］姜杰，常明.靈石隧道之石膏礦采空區(qū)設(shè)計研究［J］.山西交通科技，2009，(4):37 －38，63.

［6］侯浙學(xué).葵崗隧道煤層采空區(qū)段的處治技術(shù)［J］.建筑科學(xué)，2008，24(3):116 －117.

［7］王聯(lián).西山坪隧道隧底煤層采空區(qū)的整治［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，44(6):74 －76.

［8］趙庚亮，文富源.隧道通過巖溶和采空區(qū)施工方案探討［J］.隧道建設(shè)，2008，28(6):716 －719.

［9］王樹仁，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］.中國礦業(yè)，2008，17(3):76 －79，81.

［10］王樹仁，何滿潮，等.復(fù)雜條件下邊坡工程穩(wěn)定性研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［11］童立元，劉松玉，邱鈺.高速公路下伏采空區(qū)危害性評價與處治技術(shù)［M］.江蘇南京:東南大學(xué)出版社，2006.

［12］龔建伍，夏才初，朱合華，等.鶴上大斷面小凈距隧道施工方案優(yōu)化分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30(1):236 －240.

［13］宋南濤，陳煒韜，王明年，等.煤系地層采空區(qū)對隧道施工安全性的影響［J］.鐵道建筑技術(shù)，2007，(3):48－51.

Numerical Simulation Analysis on Effect of Underlying Goaf in Road Tunnel Construction

CUI Zhi-sheng1，ZHAO Kai1，GONG Jian-wu2(1.Office of Pingyang Highway Construction and Management，Yangquan Shanxi 045100，China;2.Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065，China)

Some road tunnel construction projects inevitably pass through goaf area with risk and potential danger.A finite element numerical model was established to simulate the situation between tunnel and underlying goaf and analyze the influence of underlying goaf on tunneling safety under the conditions of different distance from the underlying goaf to the tunnel.The result shows that the influence of underlying goaf on road tunnels is obvious，when the distance between tunnel and goaf is less than 10 m，the effect is dramatically significant，and some pre-reinforcement methods must be taken for safety.The critical distance that underlying goaf will affect tunneling safety is about 40m，and when the distance is less than 40 m，the adverse effect must be taken into consideration in the design and construction.

road tunnel;underlying goaf;construction effect;distance;numerical analysis

U45

A

1672－7428(2011)07－0076－04

2011－01－24

崔志盛(1962－)，男(漢族)，山西盂縣人，山西平陽高速公路建設(shè)管理處總工程師、高級工程師，公路與橋梁工程專業(yè)，從事高速公路建設(shè)的工程技術(shù)和管理工作，山西省陽泉市盂縣南婁鎮(zhèn)西小坪耐火材料招待所，fzhzk@163.com。