管瑜熙

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

采煤過程中對地面建設(shè)場地及建構(gòu)筑物的影響，不僅表現(xiàn)在采空區(qū)上部巖層垮落、裂隙發(fā)育造成的地面變形盆地對地面的影響，在礦井建設(shè)初期，開采大巷等的建設(shè)，尤其是淺埋巷道的建設(shè)過程，同樣會對地面建構(gòu)筑物等造成影響，甚至損害人民生命財(cái)產(chǎn)等安全。

采煤造成的地面沉降問題，世界范圍內(nèi)的專家、學(xué)者均進(jìn)行了大量的研究。我國學(xué)者也在采煤場地穩(wěn)定性方面做了大量的研究工作。其中汪吉林、吳圣林、丁陳建等對復(fù)雜地貌多煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性評價進(jìn)行了研究[1]，郭廣禮等就老采空區(qū)上方建筑地基變形機(jī)理及其控制進(jìn)行了研究[2]。在綜合上述研究的基礎(chǔ)上，由中煤科工武漢研究院有限公司及煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司分別主編了《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》及《煤礦采空區(qū)建(構(gòu))筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》兩本國家標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。上述科研成果及國標(biāo)的發(fā)布為采空區(qū)穩(wěn)定性工作總結(jié)出了行之有效的評價方法。但是針對采煤巷道建設(shè)對場地穩(wěn)定性的影響則沒有展開廣泛研究。由于巷道在設(shè)計(jì)時，往往已經(jīng)采用了一定的支護(hù)手段來保證巷道圍巖穩(wěn)定，其對地面變形的影響不僅與巷道及圍巖特性相關(guān)，還與巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)。大量的采煤巷道穿越工業(yè)場地、居民聚集區(qū)、交通系統(tǒng)及電力系統(tǒng)等，對上述生產(chǎn)建設(shè)活動均造成了較為嚴(yán)重的影響。因此，對巷道穿越上述區(qū)域造成的穩(wěn)定性問題進(jìn)行評價，具有重要的意義。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，采用有限元計(jì)算的方法，以實(shí)際工程為例，構(gòu)建有限差分模型，以實(shí)際案例對穿越煤礦工業(yè)場地的采煤巷道對上覆建筑物的影響進(jìn)行分析研究，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

2 項(xiàng)目特征

本次評價對象為山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)毛則渠煤礦，該礦井工業(yè)場地原有運(yùn)輸、軌道及回風(fēng)大巷進(jìn)行西延設(shè)計(jì)的過程中，穿越了煤礦工業(yè)場地，對場地職工食堂、職工公寓及家屬樓等建筑會造成影響。擬延伸巷道與場地建筑物相對位置關(guān)系如圖1所示。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)特征

該礦井下擬建三條巷道穿越的上部建筑物主要包括家屬樓、職工食堂、職工公寓、充電室、洗衣房、排洪涵洞等既有建筑物。其中，職工食堂長36.0 m、寬9.0 m，2層磚混結(jié)構(gòu)；職工公寓長60.0 m、寬15.0 m，5層磚混結(jié)構(gòu)；家屬樓長64.0 m、寬11.0 m，2層磚混結(jié)構(gòu)。

2.2 巷道結(jié)構(gòu)特征

設(shè)計(jì)運(yùn)輸、軌道、回風(fēng)大巷水平間距35.0 m，該礦井下擬建巷道主要設(shè)計(jì)特征見表1。

表1 巷道特征表

3 模型構(gòu)建

依據(jù)評價區(qū)場地工程地質(zhì)條件以及該礦井下擬建巷道與既有建筑物相對位置關(guān)系，本次評價采用Plaxis 3D有限元模擬軟件，構(gòu)建三維有限元數(shù)值模型，通過分析計(jì)算推演巷道穿越推進(jìn)條件下的地面變形特征、巷道頂板移動特征、巷道周邊巖層應(yīng)力分布特征、巷道周邊巖層塑性區(qū)開展等變形特征，并推演在巷道穿越推進(jìn)條件下，巷道對上部既有建筑物的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析評價。

Plaxis是一系列功能強(qiáng)大的通用巖土針對巖土工程有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中，如：大型基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道施工與周邊既有建筑物相互作用、邊坡開挖及加固后穩(wěn)定性分析等。該軟件通過構(gòu)建模擬對象的地質(zhì)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元設(shè)置，然后剖分有限元網(wǎng)格，對模擬對象的應(yīng)力、應(yīng)變特征進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算。

3.1 本構(gòu)模型選擇及參數(shù)賦值

本次評價有限元分析計(jì)算涉及的材料類型包括人工填土，砂、泥巖及煤等巖體以及用于巷道支護(hù)的錨噴支護(hù)材料。因此，評價模擬計(jì)算針對上述巖、土體特征以及支護(hù)材料特性，選用本構(gòu)模型及參數(shù)[5-8]如表2～表4所示。

表2 第四系松散層本構(gòu)模型的選用及參數(shù)賦值

表3 基巖及煤層本構(gòu)模型的選用及參數(shù)賦值

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型的選用及參數(shù)賦值

3.2 數(shù)值模型建立

本次模擬計(jì)算基于地質(zhì)模型采用項(xiàng)目區(qū)地層剖面進(jìn)行數(shù)值模型的構(gòu)建。

模型X方向100.0 m，Y方向170.0 m，總模擬面積17 000 m2。模型深度為場地3號煤層底板下18.0 m?；诘刭|(zhì)模型，本次評價構(gòu)建數(shù)值模型如圖2所示。

模型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系包括錨噴與錨桿兩部分構(gòu)件，分別采用面板模型與錨桿模型進(jìn)行構(gòu)建，構(gòu)建后的模型如圖3所示。巷道上部既有建筑物荷載通過條型基礎(chǔ)均布傳遞，施加面荷載選取120 kPa。模型中巷道開挖部分，模擬巷道開挖的實(shí)際情況，以5.0 m作為分段開挖推進(jìn)作業(yè)模擬逐次開挖，共劃分20部開挖序次。

4 模擬計(jì)算

支護(hù)巷道模擬用于巷道開挖后即刻采用支護(hù)措施工況，以推演實(shí)際巷道穿越開挖過程巷道應(yīng)力應(yīng)變特性。

4.1 圍巖變形特征

對模型進(jìn)行塑性計(jì)算，得到在不同的隧道開挖深度下計(jì)算結(jié)果。其中對巷道未開挖，第一部開挖(開挖進(jìn)尺5.0 m)，開挖至建筑物底部(根據(jù)建筑位置不同，分別為進(jìn)尺65 m，100 m處切面)變形云圖詳見圖4～圖6。

通過上述變形模擬計(jì)算，值得高度警惕的是，隨著巷道掘進(jìn)工作的推進(jìn)，三個巷道引起的地面總體變形呈現(xiàn)互相貫通跡象，形成一個疊加的地表“倒馬鞍型”變形區(qū)，以中部運(yùn)輸巷上部變形為最大，回風(fēng)巷道及軌道巷道上部變形較小。

從圖4～圖6可以看出，巷道開挖初期，變形未波及至地表，變形量主要分布于巷道周圍。上述變形主要因?yàn)橄锏涝陂_挖后支護(hù)條件下，原有的應(yīng)力分布特征改變，出現(xiàn)應(yīng)力重新分配而引起的巷道圍巖脹變。隨著巷道施工的推進(jìn)，變形發(fā)育至地表，地表變形區(qū)逐步連接成片，且位于中部的運(yùn)輸大巷頂部變形量為最大。在三條巷道竣工投產(chǎn)后，地面引起的變形最大下沉值預(yù)計(jì)為17.6 mm，劇烈變形位置應(yīng)處于中部的軌道巷上部，上述地面變形規(guī)律總趨勢是沿軌道巷基本呈對稱狀，沿兩邊逐步減小。

4.2 巷道斷面變形特征

為進(jìn)一步分析研究巷道挖掘變形規(guī)律，隨著巷道挖掘推進(jìn)，對巖巷道斷面分期進(jìn)行了變形模擬計(jì)算，推演了施工初期(第一部開挖5.0 m)，巷道施工中期(第十五部開挖65 m)，巷道竣工(第二十部開挖100 m)處的各巷道縱剖面變形系列云圖。各剖面截取位置見圖7，其中A剖面為沿運(yùn)輸巷截取剖面位置，B剖面為沿軌道大巷截取剖面位置，C剖面為沿回風(fēng)大巷截取剖面位置，D剖面為沿職工食堂截取剖面位置，E剖面為沿職工公寓及職工食堂截取剖面位置。

回風(fēng)巷道在巷道施工不同深度下的變形云圖剖面詳見圖8～圖10。

通過上述變形云圖分析可知，巷道開挖引起的地面變形在時空上有一定的“超前性”，即在巷道開挖過程中，引起的圍巖應(yīng)力應(yīng)變重新調(diào)整超時，波及到了巷道下道開挖前方有限范圍的巖體，從而引起超前巖體表現(xiàn)彈性變形特征。

同時，巷道在施工過程中，巷道圍巖變形量峰值且達(dá)到穩(wěn)定的地段一般具有“滯后性”，即巷道正處于施工階段的部位，變形量并不一定最大，其最大變形位置有一定的延時滯后效應(yīng)。

對于回風(fēng)巷道，其在三條巷道同時施工結(jié)束后，所引起的地面最大變形量為14 mm，變形量較小，屬于彈性變形區(qū)。軌道巷上部覆巖的變形云圖，巷道施工引起的變形特征與回風(fēng)巷道上部的變形特征相同。在施工穿越模擬段后，地表的最大變形量達(dá)到了17.6 mm。變形以彈性變形為主。運(yùn)輸巷道上部覆巖的變形云圖，巷道施工引起的變形特征與回風(fēng)巷道上部的變形特征相同。在施工穿越模擬段后，地表的最大變形量達(dá)到了14.0 mm。變形以彈性變形為主。

4.3 建筑位置變形計(jì)算

為更直觀表征評價區(qū)在巷道穿挖條件下，既有建筑物基礎(chǔ)下地基巖土體變形特征，選擇家屬樓、職工公寓與職工食堂所在位置處的縱向模擬剖面，計(jì)算變形云圖如圖11所示。

以上變形云圖顯示，職工食堂地面最大變形為14.0 mm，職工公寓樓段地面最大變形為17.6 mm，家屬樓段地面最大變形為14.0 mm。

5 結(jié)論

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析，各巷道穿越施工引起的地面變形輕微，預(yù)測最大沉降值為17.6 mm，其中，家屬樓預(yù)計(jì)沉降值14.0 mm，職工公寓預(yù)計(jì)沉降值17.6 mm，職工食堂預(yù)計(jì)沉降值14.0 mm，預(yù)計(jì)變形沉降值量均遠(yuǎn)小于GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定要求，說明煤礦巷道推進(jìn)對場地建筑物穩(wěn)定性影響較小。本次數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，在支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，巷道建設(shè)活動對地面建筑物穩(wěn)定性影響較小，不會造成大的變形、破壞。