楊志浩，方 勇，周超月，郭建寧

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

雙層采空區(qū)隧道開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

楊志浩，方 勇，周超月，郭建寧

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隧道下穿煤層采空區(qū)開挖不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生擾動，“活化”既有采空區(qū)，影響隧道及采空區(qū)周圍地層的穩(wěn)定性。由于雙層采空區(qū)的特殊性，采空區(qū)與采空區(qū)之間也會產(chǎn)生一定的影響。利用FLAC3D軟件，通過控制變量法建立雙層采空區(qū)隧道模型進行計算，考慮采空區(qū)高度及采空區(qū)之間間距的影響，對隧道開挖過程中圍巖形變及位移、圍巖應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)的開展情況進行分析。得出雙層采空區(qū)存在時，當(dāng)采空區(qū)之間間距大于20倍煤層采高時，雙層采空區(qū)可按單層采空區(qū)進行處理。

隧道；雙層采空區(qū)；間距；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，交通運輸業(yè)得到快速發(fā)展，鐵路與高速公路建設(shè)日益增多。同時我國煤礦資源豐富，在煤礦開采過程中在許多地方形成了煤礦采空區(qū)。在修建鐵路與高速公路隧道時難免遇上這些隱伏的采空區(qū)。如果隧道設(shè)計與施工時探查不清，施工準(zhǔn)備不足，穿入采空區(qū)將給隧道施工帶來困難。

采空區(qū)隧道處理不同于一般的軟弱地層隧道的處理[1-2]。目前在單層煤層采空區(qū)的處置工藝[3-8]以及理論計算方面已經(jīng)有很多學(xué)者做出貢獻。李曉紅[9]等結(jié)合渝合高速公路西山坪隧道新奧法施工監(jiān)測實踐，并采用有限元方法對穿煤及采空區(qū)圍巖的位移和應(yīng)力特性進行了施工動態(tài)分析研究。李素俠[10]結(jié)合山西離軍高速公路師婆溝隧道，利用FLAC對穿越采空區(qū)的隧道開挖引起的地層移動及隧道穩(wěn)定性進行研究。黃磊[11]結(jié)合巴岳山隧道，利用FLAC3D軟件對采空區(qū)隧道引起的隧道圍巖變形及位移、圍巖應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)的開展情況進行研究。

目前，雙層采空區(qū)隧道開挖對圍巖影響的相關(guān)文獻較少，進行雙層采空區(qū)隧道開挖數(shù)值模擬是有意義的。筆者通過控制變量法，研究了雙層采空區(qū)隧道開挖過程中引起的隧道圍巖變形及位移、圍巖應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)的開展情況，確定了雙層采空區(qū)可當(dāng)成單層采空區(qū)處理時兩層采空區(qū)之間的間距。

2 數(shù)值模型建立

2.1 煤層采空區(qū)的模擬

以某高速鐵路隧道為依托，進行了數(shù)值模擬計算。隧道圍巖主要有Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ3種，隧址區(qū)含有K1、K2、K3、K5、K2-2、K6-1、K8-1煤層，其中對隧道有影響的K6-1煤層，寬約0.3～0.6 m。采空區(qū)主要處于Ⅳ圍巖地段。

現(xiàn)階段在數(shù)值模擬中對采空區(qū)的模擬以空洞為主[12-13]。經(jīng)常在鐵路與高速公路隧道建設(shè)中遇到的采空區(qū)都屬于老采空區(qū)，由于巖石有一定的碎脹性，這些老采空區(qū)的采空空間被破碎的巖石充滿。因此采用空洞來進行老采空區(qū)的模擬并不合適。

綜合其他學(xué)者在破碎帶及層狀軟弱圍巖方面所做的研究[14]，發(fā)現(xiàn)通過層面弱化法對老采空區(qū)進行模擬比較合理。即數(shù)值模擬計算中，對模型巖體進行物理力學(xué)參數(shù)賦值時，對破碎帶或相應(yīng)的軟弱巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如體積模量、強度、黏聚力等進行合理弱化。

采空區(qū)從下到上可以劃分為3個不同的區(qū)帶：冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲沉降帶[15]，計算中對這“三帶”分別弱化，“三帶”劃分見圖1。相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，計算中具體圍巖參數(shù)見表1。

圖1 采空區(qū)上覆巖層移動分帶示意

區(qū)域密度/(kg/m3)體積模量/MPa剪切模量/MPa內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉強度/MPa冒落帶17001000214.31500裂隙帶18501111370.4200.13彎曲帶20001410401.5250.155基巖21001556518.5270.28

2.2 計算模型的建立

數(shù)值模擬中采空區(qū)段隧道埋深取為200 m，隧道跨徑為12 m(D)，圍巖等級為Ⅳ級圍巖。隧道與下層采空區(qū)間距為6 m(0.5D)。數(shù)值模擬過程中對隧道初支進行模擬，支護參數(shù)見表2。

計算采用軟件為近年來備受國際巖土屆推崇的FLAC3D有限差分數(shù)值分析軟件。通過改變兩層采空區(qū)的間距來完成計算。

表2 隧道支護參數(shù)

隧道開挖影響范圍大小為3～5倍洞徑，為減小邊界效應(yīng)故在計算中左右方向各取5倍洞徑，為方便建模左右各取70 m。隧道下方取70 m，隧道上方取80 m，在上方圍巖頂部加均布荷載，滿足隧道埋深為200 m的條件。

冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶的高度分別根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》[16]中公式計算得出。彎曲帶延伸至地表。

冒落帶高度

裂隙帶高度

式中M——采高，m。

計算模型如圖2所示。

2.2 模擬工況

隧道開挖會“活化”既有采空區(qū)，影響隧道及采空區(qū)附近地層的穩(wěn)定性，特別是存在雙層采空區(qū)時，采空區(qū)之間也會產(chǎn)生一定的影響。本次計算目的在于探討兩層采空區(qū)之間距離為多大時，雙層采空區(qū)能夠當(dāng)成單層來處理。

針對上述問題，共設(shè)置了15組不同工況的計算，其中有3組為單層采空區(qū)對照組。首先進行如下約定：(1)煤層采高在文中用M表示；(2)采空區(qū)之間間距為下層采空區(qū)冒落帶與上層采空區(qū)冒落帶之間的距離。計算中改變參數(shù)為煤層采高、兩層采空區(qū)之間的距離(該距離為煤層采高的倍數(shù))。計算中取3種不同采高的采空區(qū)來研究，分別為1、1.5、2 m。采空區(qū)間距離分別為10M、15M、20M、25M以及單層采空區(qū)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 隧道圍巖位移變形及應(yīng)力分析

計算中對隧道拱頂?shù)貙游灰萍皯?yīng)力進行監(jiān)測。具體圍巖位移及應(yīng)力大小見表3，表4。

表4 隧道拱頂垂直圍巖應(yīng)力 MPa

從位移大小上來看采高為1 m時，最大與最小位移差為4 mm，占最小沉降的4.44%，采高為1.5 m時，最大最小位移差為2.76 mm，占最小沉降的2.96%，采高為2 m時，最大最小位移差為2.53 mm，占最小沉降的2.67%。從應(yīng)力大小上來看采高為1 m時，最大與最小應(yīng)力差為0.39 MPa，占最小應(yīng)力的5.63%，采高為1.5 m時，最大與最小應(yīng)力差為0.35 MPa，占最小應(yīng)力的5.47%，采高為2 m時，最大與最小應(yīng)力差為0.29 MPa，占最小應(yīng)力的4.50%。從以上數(shù)值來看，雙層采空區(qū)的間距變化對圍巖位移及圍巖應(yīng)力的影響較小。

3.2 隧道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

計算結(jié)果表明，采空區(qū)之間的距離對隧道圍巖的塑性區(qū)發(fā)展有明顯的影響，這些影響是不可忽略的。具體計算塑性區(qū)結(jié)果見圖2～圖4。

從圖2～圖4可以看出，存在采空區(qū)時隧道開挖后圍巖塑性區(qū)呈蝴蝶形，且在計算工況下均會貫穿下層采空區(qū)的冒落帶及裂隙帶。且采空區(qū)高度不同時，采空區(qū)的形狀也不同，從計算來看采空區(qū)高度越高，蝴蝶型塑性區(qū)的翼部越長、越窄，在處理不同采空區(qū)時是有意義的。

圖2 1 m采高采空區(qū)之間間距變化時塑性區(qū)范圍

圖3 1.5 m采高采空區(qū)之間間距變化時塑性區(qū)范圍

圖4 2 m采高采空區(qū)之間間距變化時塑性區(qū)范圍

對比各個圖中不同工況可以看出，當(dāng)采空區(qū)之間間距為10M時，兩層采空區(qū)之間會產(chǎn)生很大的影響，隧道圍巖塑性區(qū)發(fā)展貫通兩層采空區(qū)，且當(dāng)煤層較薄時，塑性區(qū)發(fā)展伸入上層采空區(qū)的裂隙帶。煤層加厚，其裂隙帶相應(yīng)增量較大，導(dǎo)致塑性區(qū)發(fā)展貫通的程度較低。

當(dāng)采空區(qū)之間間距為15M時，只有1 m采高煤層采空區(qū)兩層采空區(qū)之間才存在明顯的相互影響，但兩層采空區(qū)的塑性區(qū)沒有貫通。另外兩種工況下，上層采空區(qū)對下層采空區(qū)的影響主要體現(xiàn)在塑性區(qū)開展的形態(tài)上。

以上兩種情況下，雙層采空區(qū)之間的相互影響較大，不能當(dāng)成單層采空區(qū)來處理，需要制定特定的采空區(qū)治理方案。

當(dāng)采空區(qū)之間間距為20M、25M時，所有采空區(qū)之間基本沒有相互的影響，且采空區(qū)發(fā)展形態(tài)基本一致，且與只存在單層采空區(qū)時的發(fā)展形態(tài)一致。此時，雙層采空區(qū)可以按照單層采空區(qū)來處理。

由于煤層采空厚度增加時，裂隙帶高度的增幅大于冒落帶高度的增幅，且裂隙帶對塑性區(qū)的影響較小。因此，對于更厚的雙層煤層采空區(qū)也可以按以上的結(jié)論進行處理。

4 結(jié)論

本文進行了隧道下穿雙層薄煤層老采空區(qū)的數(shù)值計算，得出以下結(jié)論。

(1)在計算工況下，存在雙層薄煤層采空區(qū)時，采空區(qū)之間的間距對隧道開挖過程中引起的圍巖變形及位移和圍巖應(yīng)力的影響較小，從數(shù)值大小來看，該影響基本可以忽略。

(2)雙層薄煤層存在時，兩層煤層間的相互影響主要體現(xiàn)在隧道開挖過程中圍巖塑性區(qū)的開展上。當(dāng)煤層間距為10M時，塑性區(qū)貫穿兩層煤層采空區(qū)。當(dāng)間距為15M時，較薄的煤層采空區(qū)之間相互影響較大。當(dāng)間距大于20M時，煤層采空區(qū)之間基本沒有相互影響，可以當(dāng)成單層采空區(qū)處理。

(3)由于冒落帶對塑性區(qū)的影響較大，且煤層厚度增加時，裂隙帶高度的增幅大于冒落帶高度的增幅，因此采空區(qū)之間的相互影響逐漸減弱。對于更厚的煤層可以按照結(jié)論(2)進行處理。

[1] 譚準(zhǔn)，向浩東.軟巖偏壓鐵路隧道大變形處治施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(4):69-72.

[2] 鄧伯科.雁門關(guān)隧道富水段軟弱圍巖初期支護開裂變形控制技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(1):97-100.

[3] 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)險識別[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(3):80-85.

[4] 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)，2005(6):910-914.

[5] 張仲魁.蘭渝鐵路熊洞灣隧道煤礦采空區(qū)施工安全控制技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(4):133-139.

[6] 胡國雙.鐵山隧道采空區(qū)處理[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1998(S1):71-73.

[7] 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(5):616-619.

[8] 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，2002(5):667-670.

[9] 陳素俠.采空區(qū)隧道穩(wěn)定性研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2009.

[10]黃磊.公路隧道穿煤礦采空區(qū)段圍巖穩(wěn)定性分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[11]何忠明，彭振斌，曹平，等.雙層空區(qū)開挖頂板穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009(4):1066-1071.

[12]劉洪磊，楊天鴻，黃德玉，等.桓仁鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)處理方案[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011(6):871-874.

[13]王海峰.基于FLAC的采空區(qū)地表變形及充填效果模擬分析[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2011.

[14]郭牡丹，王述紅，張航，等.層狀巖體強度數(shù)值模擬及其討論[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31(10):1491-1494.

[15]何國清.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[16]中華人民共和國交通運輸部.JTG/T D31—03—2011采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則[S].北京:人民交通出版社，2011.

Numerical Simulation of Surrounding Rock Stability in Tunnel Excavation beneath Double Mined-out Area

YANG Zhi-hao， FANG Yong， ZHOU Chao-yue， GUO Jian-ning

(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University， Chendu 610031， China)

The construction of tunnel beneath coal mined-out area disturbs unavoidably the surrounding rock， activating the existing mined-out area， which affects the stability of tunnel and formations nearby. The neighboring mined-out areas may interact with each other due to their particularities. The numerical simulation of tunnel excavation beneath double mined-out area is conducted with FLAC3Di software and control variables. In view of the effects of the height and the distance between mined-out areas， the displacement， stress and plastic zone of surrounding rock are analyzed. The results indicate that double mined-out area can be simplified as single mined-out area once the distance between mined-out areas is greater than 20 times of mining thickness.

Tunnel; Double mined-out area; Distance; Stability of surrounding rock; Numerical simulation

2014-06-06；

2014-07-07

楊志浩(1991—)，男，碩士研究生，E-mail：xubo_00123@126.com。

1004-2954(2015)03-0097-04

U451+2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.023