田 嬌 劉曉勇 春軍偉 曾仲毅 龔建伍

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430081)

隨著高速公路的不斷建設(shè)，隧道難免穿越采空區(qū)，當隧道上跨采空區(qū)時，采空區(qū)的沉降變形可能會導(dǎo)致上方隧道路面產(chǎn)生不均勻沉降，引發(fā)行車交通事故，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形、開裂，以及路面低洼積水、腐蝕破壞等，給高速公路隧道埋下嚴重的安全隱患[1]。

在隧道下伏采空區(qū)方面，國內(nèi)已有不少專家學(xué)者進行了相關(guān)研究工作。張彩亮等[2]對目前隧道下伏煤礦采空區(qū)病害的研究進展進行了綜合評述，對既有隧道下伏采空區(qū)病害的探測手段、產(chǎn)生機理和治理方法進行了技術(shù)展望。黃永鵬[3]研究了不同形態(tài)的下伏采空區(qū)對新建公路隧道施工安全穩(wěn)定性的影響，擬合了評判采空區(qū)段隧道安全穩(wěn)定性的預(yù)測方程式并進行了采空區(qū)影響分區(qū)。周超月等[4]分析了采空區(qū)與隧道不同間距對隧道洞周位移和支護內(nèi)力的影響，認為下伏水平采空區(qū)對隧道施工安全性影響的臨界距離可定為2倍隧道洞徑。符亞鵬等[5]計算研究了下伏采空區(qū)傾角對隧道洞周位移、初期支護內(nèi)力和塑性區(qū)的影響規(guī)律，指出應(yīng)采取有效措施提高下伏采空區(qū)的處治強度。張志沛等[6]針對隧道穿越傾斜煤層采空區(qū)段，分析了采空區(qū)圍巖施工力學(xué)特征的動態(tài)變化過程及隧道支護結(jié)構(gòu)的受力特征。魏家俊[7]與王玉標[8]分別總結(jié)了我國現(xiàn)有公路下伏采空區(qū)治理技術(shù)及高速公路下伏采空區(qū)處治方法。

雖然國內(nèi)外學(xué)者針對隧道下伏采空區(qū)持續(xù)開展了一系列的研究工作，但多以針對具體采空區(qū)隧道的穩(wěn)定性分析或施工處治為主，尚未形成系統(tǒng)性的理論，尤其下伏采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)影響的規(guī)律性探討較少[9]?；诖?，本文著重考慮下伏采空區(qū)與隧道不同距離，以及采空區(qū)不同規(guī)模等因素，通過有限元數(shù)值方法動態(tài)模擬，深入探討不同條件下采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)的相互影響程度和規(guī)律，提出隧道保護范圍及其與采空區(qū)的臨界距離，給出下伏采空區(qū)水平尺寸不敏感臨界值。

1 計算參數(shù)選取

隧道斷面選取公路隧道設(shè)計規(guī)范推薦的標準斷面形式，單洞最大開挖跨度約12.8 m，最大開挖高度含仰拱約10.3 m。參考相關(guān)工程實踐，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)，選取III、IV、V級圍巖進行計算分析，支護結(jié)構(gòu)和圍巖力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2 采空區(qū)施工對圍巖影響規(guī)律分析

為分析不同大小采空區(qū)施工對圍巖的影響范圍，選取采空區(qū)大小分別為3 m×3 m、3 m×9 m、5 m×9 m和5 m×30 m等4種工況進行分析，以采空區(qū)大小3 m×9 m為例，模型有限元劃分示意見圖1。

圖1 計算模型有限元網(wǎng)格劃分示意圖

選取與隧道呈0°、±30°、±60°和±90°等角度的7條測線，以確定不同大小采空區(qū)對周邊圍巖的主要影響范圍。不同大小采空區(qū)主要影響范圍示意圖見圖2。

圖2 不同大小采空區(qū)主要影響范圍示意圖(單位：m)

由圖2可見，隨著采空區(qū)大小變化，其周邊圍巖主要影響范圍也發(fā)生較大變化，隨著采空區(qū)增大，其影響范圍逐漸增大。從采空區(qū)跨度和采高影響看，一定范圍內(nèi)，采空區(qū)跨度增大，其影響范圍顯著增大，而采空區(qū)高度的影響則相對較小。如采空區(qū)大小從3 m×3 m增大到3 m×9 m及從5 m×9 m增大到5 m×30 m時，其主要影響范圍均有較明顯的增大，而采空區(qū)大小從3 m×9 m增大到5 m×9 m時，其主要影響范圍略有增大，但變化不顯著。另外，從主要影響范圍分布看，隨采空區(qū)尺寸增大，其在采空區(qū)上下圍巖內(nèi)產(chǎn)生的影響范圍逐漸增大，而在采空區(qū)水平向兩側(cè)影響范圍變化不大，這也在一定程度上表明，公路隧道并行穿越采空區(qū)時，其影響相對較弱，而上覆和下伏采空區(qū)影響則較顯著，設(shè)計和施工過程中應(yīng)引起高度重視，并采取相應(yīng)處治對策。

3 下伏采空區(qū)對隧道影響的安全距離分析

設(shè)定采空區(qū)位于隧道正下方，以3 m×33 m尺寸的采空區(qū)為例，選取采空區(qū)與隧道的距離分別為5，10，20，30，40和60 m等工況進行分析。不同圍巖條件下隧道洞周收斂值隨下伏采空區(qū)不同距離的變化曲線圖見圖3。

圖3 隧道洞周收斂值隨下伏采空區(qū)

由圖3可知，V級圍巖條件下，當下伏采空區(qū)與隧道的距離小于10 m左右時，距離的變化對隧道洞周特征位移影響相當顯著，在下伏采空區(qū)與隧道的距離從10 m增加到40 m的過程中，隧道洞周特征位移與此距離基本呈線性增長關(guān)系，而當下伏采空區(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，洞周收斂位移變化基本保持穩(wěn)定，表明下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可取40 m左右。

同理，可以分析出IV級圍巖及III級圍巖條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可分別取30 m及20 m。

4 下伏采空區(qū)水平寬度不敏感影響范圍分析

根據(jù)本文研究目的，并結(jié)合前述分析成果，針對下伏采空區(qū)與隧道不同凈距，取采空區(qū)高度為3 m，采空區(qū)水平分布寬度為3，9，15，21，27，33，39，45 m等8種尺寸，分別在III、IV、V級圍巖中進行相關(guān)模擬分析，據(jù)此共建立72個數(shù)值分析模型。數(shù)值模擬分析方案匯總表見表3。

表3 數(shù)值模擬分析方案匯總表 m

以隧道下伏采空區(qū)與隧道凈距30 m為例，下伏采空區(qū)計算模型見圖4。

圖4 下伏采空區(qū)計算模型圖

V級圍巖條件下，隧道洞周收斂值隨下伏采空區(qū)不同尺寸的變化曲線圖見圖5。

圖5 隧道洞周收斂值隨下伏采空區(qū)

由圖5可知，當凈距為40 m，下伏采空區(qū)水平寬度小于約33 m時，采空區(qū)尺寸的變化對隧道洞周特征位移影響相對較小，整體位移值也較小，采空區(qū)水平寬度超過33 m后，隧道洞周特征位移顯著增長，表明采空區(qū)尺寸對隧道結(jié)構(gòu)的影響是有一定范圍的。當凈距為30 m及20 m時，下伏采空區(qū)水平寬度變化對隧道洞周位移的影響規(guī)律與凈距為40 m時是基本一致的，但采空區(qū)尺寸對隧道的影響范圍有所減小，當隧道與采空區(qū)距離為30 m時，采空區(qū)不敏感影響水平寬度約為27 m，當隧道與采空區(qū)距離20 m時，采空區(qū)不敏感影響水平寬度約為21 m。

不同凈距下伏采空區(qū)水平寬度不敏感影響范圍示意圖見圖6。

圖6 不同凈距下伏采空區(qū)水平寬度

由圖6a)可知，V級圍巖條件下，隨下伏采空區(qū)與隧道的距離增大，采空區(qū)水平寬度不敏感影響范圍逐漸增大，且近似呈直線擴展。在確定凈距情況下，一定范圍內(nèi)下伏采空區(qū)大小的變化對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度變化相對不大，采空區(qū)尺寸超出該范圍則二者相互影響的程度顯著擴大，宜結(jié)合采空區(qū)實際尺寸再具體分析。

由圖6b)及圖6c)可知，圍巖質(zhì)量從差到好，即從V級、IV級到III級圍巖，采空區(qū)對隧道影響的相對不敏感尺寸逐漸增大，隧道結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性增強，對工程有利。比如，凈距同為20 m時，V級、IV級及III級圍巖條件下的不敏感尺寸分別為21,27,33 m。實際工程中，針對特定凈距的采空區(qū)，通過勘探查明采空區(qū)的尺寸后，對大于敏感尺寸的采空區(qū)需要相應(yīng)的處理措施，如加固圍巖等。

V級、IV級及III級圍巖條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可分別為40,30及20 m，即采空區(qū)與隧道顯著影響凈距依次約為3.0D(D為隧道開挖跨度、2.5D及1.5D)，此時采空區(qū)水平寬度不敏感影響范圍均為33 m，2.5D。可知下伏采空區(qū)水平尺寸不敏感臨界值為33 m左右，約為2.5D，即采空區(qū)尺寸在該范圍內(nèi)時，其尺寸變化對隧道的影響相對不敏感。各級圍巖下，下伏采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的主要影響范圍見表4。

表4 下伏采空區(qū)對公路隧道的主要影響范圍 m

5 結(jié)論

本文通過有限元數(shù)值模擬，對采空區(qū)公路隧道建設(shè)過程中不同采空區(qū)條件對隧道結(jié)構(gòu)的影響進行了分析，從采空區(qū)與隧道的不同距離及采空區(qū)不同規(guī)模等方面探討了其主要影響因素和規(guī)律，得到如下主要結(jié)論。

1) 隨著采空區(qū)尺寸增大，其對隧道的影響范圍逐漸增大。從采空區(qū)跨度和采高影響看，一定范圍內(nèi)，隨著采空區(qū)跨度增大，其對隧道的影響范圍顯著增大，而采空區(qū)高度變化對隧道的影響則相對較小。

2) 公路隧道并行穿越采空區(qū)時，采空區(qū)對隧道的影響相對較弱，而上覆和下伏采空區(qū)對隧道的影響則較顯著，設(shè)計和施工過程中應(yīng)引起高度重視，并采取相應(yīng)處治對策。

3) V級、IV級及III級圍巖條件下，下伏采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可分別為40,30及20 m，即采空區(qū)與隧道顯著影響凈距依次約為3.0D、2.5D及1.5D。

4) 下伏采空區(qū)水平尺寸不敏感臨界值為33 m左右，約為2.5D，即采空區(qū)尺寸在該范圍內(nèi)時，其尺寸變化對隧道的影響相對不敏感，超過該范圍時，對隧道的影響顯著增加。

5) 在相同的凈距下，圍巖質(zhì)量從差到好，采空區(qū)對隧道影響的相對不敏感尺寸逐漸增大，隧道結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性增強，對工程有利。對于采空區(qū)隧道，通過加固圍巖是一種較常用處理手段。