楊 悅， 高 霞， 陳孝國(guó)， 陳維新

(1.黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150022;3.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

煤礦巷道盾構(gòu)開挖過程中圍巖的力學(xué)行為

楊 悅1， 高 霞1， 陳孝國(guó)2， 陳維新3

(1.黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022;2.黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150022;3.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱150022)

為探討開挖面空間效應(yīng)對(duì)隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響規(guī)律，以神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)盾構(gòu)施工段斜井的工程地質(zhì)資料、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法為背景，采用FLAC3D軟件對(duì)盾構(gòu)施工過程進(jìn)行全過程數(shù)值模擬，對(duì)圍巖位移和最大主應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，工作面在監(jiān)測(cè)面之前2倍洞口半徑時(shí)，觀察面處開始產(chǎn)生位移，直到經(jīng)過觀察面以后5倍洞口半徑為止，位移達(dá)到穩(wěn)定。該研究對(duì)煤礦巷道盾構(gòu)施工技術(shù)有一定指導(dǎo)意義。

圍巖;力學(xué)行為;煤礦;巷道;盾構(gòu)法

中國(guó)以煤炭為主體的能源構(gòu)成狀況在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化。而我國(guó)已探明的煤炭資源中，埋深在1 000 m以下的儲(chǔ)量占煤炭資源總量的53%［1－2］。淺部資源殆盡時(shí)，深部煤炭資源將是我國(guó)最重要的能源保障。近年，各大煤礦都以每年10～25 m的速度向深部延伸，預(yù)計(jì)在未來(lái)20年我國(guó)煤礦開采將大規(guī)模進(jìn)入深部開采階段［3］。目前，深部煤礦巷道的建設(shè)施工方法越來(lái)越多地選用盾構(gòu)法施工技術(shù)［4］。

盾構(gòu)法在地鐵和水工隧道的修建中應(yīng)用較為普遍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于這類淺表盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力性能的研究較為成熟。而盾構(gòu)法施工條件下深部煤礦巷道的圍巖變形特性研究成果較少［5］?，F(xiàn)有研究表明，巷道開挖卸荷以后圍巖應(yīng)力的釋放速度和圍巖變形的發(fā)展速度隨埋深增大而逐漸減慢，深部和淺部隧道圍巖的力學(xué)性能存在較大差異［6－7］。因此，為滿足我國(guó)煤礦深部開采的需要，煤礦巷道盾構(gòu)法施工過程中圍巖力學(xué)行為的演變規(guī)律亟需研究。文中結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行全程分析，以期為深部巷道的建設(shè)提供參考。

1 工程背景

新街臺(tái)格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯高原的中南部，向北80 km至鄂爾多斯市東勝區(qū)。1號(hào)井的主副斜井均從地表以6°傾角下坡，長(zhǎng)度均為6 314 m，隧洞開挖直徑7.6 m，斜井口與底部相對(duì)高差660 m。斜井井口205 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用明挖法施工，盾構(gòu)施工段長(zhǎng)度為6 109 m。采用護(hù)盾式盾構(gòu)機(jī)，護(hù)盾長(zhǎng)10 m，千斤頂總推力為35 000 kN。單護(hù)盾式盾構(gòu)機(jī)應(yīng)滿足月平均進(jìn)尺450 m左右、月最高700 m的要求，文中取月平均進(jìn)尺600 m，即施工進(jìn)度20 m/d。根據(jù)管片寬度折算可知，施工進(jìn)度約為14環(huán)/d。

由《新街礦區(qū)盾構(gòu)工法試驗(yàn)斜井地質(zhì)勘查報(bào)告》知，自地表向下各巖層地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示，由巖層的分布、厚度和組成情況知，第一層為地表層，厚度h不足10 m，盾構(gòu)施工范圍是圖1所示的巖層②～⑤。確定這四種地質(zhì)的主要參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。

圖1 工程地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Diagram of engineering geological structure

單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)大多用于軟巖和破碎地層［8－10］，文中工程的盾構(gòu)施工段選用該掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。隧洞直徑為D=7.6 m，盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=10 m。研究范圍取縱向長(zhǎng)59.5 m的一段斜井，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程如圖2所示。A－A面和F－F面分別是研究范圍的左、右邊界，盾構(gòu)機(jī)的掌子面從G－G位置出發(fā)，每次以1.5 m的進(jìn)尺向左推進(jìn)，經(jīng)過33個(gè)開挖步推進(jìn)至左端邊界A－A面。圍巖位移和應(yīng)力的觀察面C－C在距左端邊界30 m處，第13步開挖至該面。

表1 地質(zhì)資料參數(shù)選取值Table 1 Selected values of geological parameters

圖2 開挖范圍Fig.2 Schematic diagram of excavation scope

2 數(shù)值模擬過程

2.1 三維計(jì)算模型的建立

文中計(jì)算擬采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。該軟件有強(qiáng)大的模擬隧道開挖、支護(hù)過程的功能，可以有效處理非線性大變形問題。

隧洞開挖之后，在一定區(qū)域內(nèi)的巖體將發(fā)生應(yīng)力重分布，一般取距中心點(diǎn)距離3～5倍洞徑的分析范圍［11－12］。文中開挖半徑為R0=3.8 m，圍巖左右邊界和上下邊界均取距中心點(diǎn)5倍洞口直徑，即36.5 m，縱向沿軸線長(zhǎng)度取59.5 m，隧洞軸線向下傾斜6°角。三維坐標(biāo)的建立與圖2相同，坐標(biāo)原點(diǎn)O(0，0，0)在模型的右邊界面上開挖洞口的圓心位置。x軸是隧道橫斷面的水平直徑方向，右洞腰方向?yàn)檎?。y軸為隧道縱向軸線的水平投影，開挖方向?yàn)檎?。z軸為豎向，向上為正。

由于模型關(guān)于縱軸面即yz平面對(duì)稱，為提高計(jì)算效率，僅取右半部分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算模型中，圍巖采用三維六面體單元模擬，盾殼用shell單元模擬，土體本構(gòu)模型采用莫爾－庫(kù)倫模型［13－15］。建立的三維計(jì)算模型如圖3所示。

邊界條件包括位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。位移邊界條件是對(duì)模型的邊界進(jìn)行位移約束，文中對(duì)圍巖的前后側(cè)面邊界施加y方向的水平位移約束。模型關(guān)于yz面對(duì)稱，對(duì)稱面上施加x方向的水平約束，底邊界施加z方向的垂直位移約束。應(yīng)力邊界條件是上邊界施加實(shí)際的上覆圍巖自重應(yīng)力，根據(jù)式(1)計(jì)算:

式中:γi——各層上覆巖石的重度，kN/m3;

hi——各層上覆巖石的厚度，m;

λ——側(cè)壓力系數(shù);

p——垂直自重應(yīng)力，kPa;

pH——水平自重應(yīng)力，kPa。

文中計(jì)算模型的邊界條件如圖4所示。

圖3 三維計(jì)算模型Fig.3 Three-dimension finite element model

圖4 計(jì)算模型邊界條件Fig.4 Boundary conditions of calculation model

2.2 初始應(yīng)力場(chǎng)和開挖過程的模擬

當(dāng)埋深為30、400、500和600 m時(shí)分別按照實(shí)際巖土工程參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。整個(gè)計(jì)算模型受到上覆圍巖壓力p和側(cè)面圍巖的水平壓力pH。在經(jīng)歷長(zhǎng)期壓縮固結(jié)之后，變形已經(jīng)穩(wěn)定，這時(shí)的應(yīng)力分布狀態(tài)屬于初始應(yīng)力狀態(tài)。

施工以后圍巖的最終變形包括兩部分:一是初始應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力形成的初始位移，二是開挖過程造成的附加位移。研究中一般不考慮構(gòu)造應(yīng)力形成的位移。因此，開挖以后圍巖的位移減掉初始位移即為開挖造成的附加位移。先進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的求解，然后將圍巖節(jié)點(diǎn)位移清零，同時(shí)設(shè)置大變形求解，開始第一環(huán)的開挖模擬。

盾殼用shell單元模擬，其強(qiáng)度按照盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)單位提供的數(shù)據(jù)設(shè)置，具體值為50 MPa。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面從第i個(gè)開挖步轉(zhuǎn)移到第(i+1)個(gè)開挖步時(shí)，將第i個(gè)開挖步時(shí)盾殼所在位置的單元設(shè)為空單元，同時(shí)將第(i+1)個(gè)開挖步時(shí)盾殼位置換成shell單元，開挖洞徑內(nèi)圍巖位置所有單元設(shè)置為剛度接近于零的“空單元”。對(duì)每一步開挖都進(jìn)行求解并保存，作為下一步計(jì)算的基礎(chǔ)。

3 圍巖位移分析

四種埋深情況下，同一個(gè)開挖步時(shí)圍巖位移分布云圖形狀相似，只是數(shù)據(jù)大小有差別。文中依據(jù)埋深300 m處的結(jié)果云圖進(jìn)行圍巖位移發(fā)展過程分析。

圖5為埋深300 m巷道第30步開挖時(shí)圍巖位移矢量圖。由圖5可見，洞周圍巖各點(diǎn)都是向著巷道的中心點(diǎn)移動(dòng)的，即發(fā)生徑向位移。臨空界面處的位移最大，距離洞口越遠(yuǎn)的點(diǎn)發(fā)生的位移越小。

圖5 圍巖位移矢量圖Fig.5 Vector graph of surrounding rock displacement

圖6為埋深300 m處巷道不同開挖步時(shí)橫向觀察面上圍巖的z方向(垂直)位移云圖。圖6中左邊界是巷道的垂直中軸線，右邊界是研究范圍的右邊界。由圖6對(duì)比分析可知:隨著開挖步的進(jìn)行，觀察面處橫截面各點(diǎn)的垂直方向位移都呈逐漸增大的趨勢(shì)。但是不同階段的增大速度不同，第5步開挖(x/ R0=－3.3)和第8步開挖(x/R0=－2.1)的z方向(垂直)位移云圖相似，位移值都很小，說明此時(shí)開挖效應(yīng)對(duì)圍巖的影響還不明顯;第8步(x/R0= 2.1)、第13步(x/R0=0)和第18步開挖(x/R0= 2.1)的z方向(垂直)位移云圖差別較大，數(shù)據(jù)變化也較明顯，說明此階段開挖面空間效應(yīng)對(duì)圍巖位移的影響非常顯著;第18步(x/R0=2.1)和第23步開挖(x/R0=4.1)的z方向(垂直)位移云圖相似，只是前者的位移量較后者有小幅度的增長(zhǎng)。說明該階段內(nèi)開挖面空間效應(yīng)對(duì)圍巖的位移影響較小;第23步(x/R0=4.1)和第28步開挖(x/R0=6.1)的z方向(垂直)位移云圖幾乎一致，位移值也沒有變化。

圖6 圍巖z向(垂直)位移云圖Fig.6 z(vertical)direction displacement chart of surrounding rock

為了更好的研究圍巖徑向位移受開挖面空間效應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)于每一開挖步的計(jì)算結(jié)果，都調(diào)取了洞頂、洞底和右洞腰處圍巖的徑向位移。其徑向變形率(某開挖步的變形量與最終變形量之比)見圖7。

圖7 洞頂圍巖徑向變形率Fig.7 Change curves of radial deformation rate of top surrounding rock

由圖7可知:隨著開挖的進(jìn)行，各種埋深的巷道洞頂圍巖徑向位移都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，掌子面在不同區(qū)間時(shí)圍巖位移增長(zhǎng)速度差別很大。在x/R0=－2之前的區(qū)域內(nèi)，洞頂圍巖徑向位移變形率接近于零，即此時(shí)圍巖沒有發(fā)生位移。在x/R0為－2～5的范圍內(nèi)圍巖位移呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)掌子面在觀察面前后各R0的范圍內(nèi)時(shí)，洞頂圍巖的位移變化率直線上升，說明此范圍內(nèi)位移增長(zhǎng)速度最快。在掌子面距觀察面5R0以后的范圍內(nèi)圍巖位移變化接近于零。在x/R0為1～5的范圍內(nèi)，四種埋深處的圍巖變形率大小明顯不同，埋深越大的截面變形率越小，說明埋深大的巷道開挖面空間效應(yīng)影響比埋深小的較滯后，圍巖變形比較緩慢，達(dá)到二次應(yīng)力平衡所需的時(shí)間較長(zhǎng)。

4 圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

為分析盾構(gòu)施工過程中開挖面空間效應(yīng)對(duì)圍巖應(yīng)力的影響，文中以圖2中觀察面C－C處圍巖的最大主應(yīng)力為例進(jìn)行研究。圖8為不同開挖步對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力的分布云圖。

將圖8中a和b對(duì)比，可以看出觀察面處隧洞內(nèi)部即將挖去的巖石在掌子面還沒有到達(dá)時(shí)其最大主應(yīng)力就逐漸增大。由圖8中c和d可以看出，盾構(gòu)機(jī)掌子面與觀察面距離超過2R0以后，圍巖最大主應(yīng)力變化率不到1%。

圖8 圍巖最大主應(yīng)力分布云圖Fig.8 Maximum principal stress distribution cloud pictures of surrounding rock

5 結(jié)論

(1)在掌子面距離觀察面－2R0～5R0的開挖時(shí)間段內(nèi)，洞周圍巖受開挖面空間效應(yīng)影響顯著，其徑向位移呈遞增趨勢(shì)。在5R0之后，圍巖發(fā)生的徑向位移幾乎不再增大，形成了新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

(2)不同埋深處巷道圍巖的位移發(fā)展速度略有不同，巷道的埋深越大，圍巖的位移變化越慢。

(3)巷道圍巖徑向應(yīng)力受開挖面空間效應(yīng)影響的范圍是掌子面與觀察面距離x為－4R0～1.2R0。其中，x在－4R0～－R0時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)推力產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得圍巖的徑向應(yīng)力逐漸增大，而x在－R0～1.2R0時(shí)，圍巖徑向應(yīng)力急劇減小，直到x為1.2R0時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

(4)巷道圍巖切向應(yīng)力受開挖面空間效應(yīng)影響的范圍也是掌子面與觀察面距離 x為 －4R0～1.2R0。在此范圍內(nèi)，圍巖的切向應(yīng)力一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，直到x為1.2R0時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

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(編校 王 冬)

Mechanical behavior behind surrounding rock during shield tunneling in coal mines

Yang Yue1， Gao Xia1， Chen Xiaoguo2， Chen Weixin3
(1.School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Sciences，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 3.School of Mining Engineening，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper aims to investigate the influence of the special effect of excavation face on the displacement and stress of surrounding rock of tunnel.The investigation building on the engineering geological data，supporting structure design，and construction method of Shenhua Taigemiao mine inclinedshaft of TBM construction，is focused on simulating several construction processes by FLAC3D software; and numerically calculating the displacement and stress of surrounding rock.The results reveal that the displacement of the observation surface begins to increase from zero when the tunnel face is twice the radius of tunnel before the observation surface，until it is 5 times the radius of tunnel after the observation.The research has certain guiding significance to the shield construction technology of coal mine roadways.

surrounding rock;mechanical behavior;mine;roadway;shield method

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.012

TD322

2095－7262(2017)04－0383－05

:A

2017－05－14

黑龍江省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2015055)

楊 悅(1979－)，女，河南省商丘人，講師，博士，研究方向:地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，E-mail:yybeijing@126.com。