劉俊佳

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著我國隧道建設的不斷發(fā)展，在施工設計時將越來越多地面臨采空區(qū)這一不良地質。采空區(qū)的存在會導致隧道襯砌變形、冒頂塌方、漏水、路基不均勻沉降等問題[1]，給施工和運營帶來巨大的危害。目前對于隧道采空區(qū)的研究成果有煤層傾角的影響[2]，采空區(qū)距離的影響[3]等，主要研究方法有理論推導[4]、模型試驗[5]和數值研究[6]。但對于隧道穿越多層采空區(qū)的研究還少有涉及，尤其對于隧道上下同時存在多層采空區(qū)時，對隧道的疊加影響效應研究還不足。本文基于數值軟件來探究多層采空區(qū)對隧道收斂變形、襯砌內力的綜合影響，并對注漿加固效果進行分析。

1 工程概況

太原某山體隧道位于構造剝蝕中低山區(qū)，地形復雜，溝壑縱橫。山體海拔高度在800~1 000 m之間，山體巖性為石炭系上統(tǒng)太原組中風化砂巖、中風化頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道凈寬12.12 m，凈高6.79 m；隧道某段擬穿越多層采空區(qū)段，隧道頂板埋深70 m左右，屬于深埋隧道。采空區(qū)有3層，2號采空區(qū)位于隧道頂板上部9 m處，厚度約3 m；6號采空區(qū)位于隧道底板下部12 m處，厚度2 m；8號（9號）采空區(qū)位于隧道底板下部33.5 m處，厚度6 m。采空區(qū)走向與隧道走向斜交，采空區(qū)傾角約5°。煤層回采率40%，剩余孔隙率50%。采空區(qū)與隧道的空間位置關系見圖1。

圖1 采空區(qū)與隧道的空間位置關系（單位：m）

2號和6號采空區(qū)與隧道的垂直距離均小于1倍洞徑，根據《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》（JTG-TD31-03—2017）第5.5.6條，應對隧道圍巖進行加固處理；按照6.2.2條可計算各采空區(qū)的處理寬度應分別為50 m、63 m和77 m。擬采用地表注漿（2號采空區(qū)）和隧道內注漿（6號和8號采空區(qū)）對采空區(qū)進行注漿治理，注漿材料由水、水泥、粉煤灰及外加劑組成，在注漿范圍邊緣設帷幕孔以防止?jié){液流失。帷幕孔徑為150 mm，注漿孔采用φ50 mm的鋼管。

采空區(qū)的頂底板為砂巖，透水性好。采空區(qū)內部地層松散，滲透系數按0.25 cm/s考慮。根據地基處理手冊[7]表9-12，可通過插值預估，得出漿液的擴散半徑約為10 m，因此注漿鉆孔間距為6~10 m。注漿壓力控制在1.5~2.0 MPa。

不同滲透系數所對應的注漿擴散半徑見表1。

表1 注漿擴散半徑

根據相關工程經驗，采空區(qū)上部約5 m范圍內為冒落帶，20 m范圍內為裂隙帶，因此隧道大致處于2號和6號采空區(qū)導致的裂隙帶中。由于2層疊加擾動效應，圍巖可能出現冒落掉塊，要對圍巖進行加固，并對空洞進行回填處理。對隧道裂縫圍巖，采用中空注漿導管進行加固，注漿壓力控制在0.6 MPa左右。加固時，在隧道頂部空洞處設置護拱，以提高襯砌抗彎剛度；側墻空洞處則進行混凝土或片石回填，以減少側墻地層壓力。結合地勘TSP探測技術，隧道襯砌加固設計圖見圖2。

圖2 隧道襯砌加固設計圖

由于空間位置關系復雜，隧道內力及場地穩(wěn)定性難以有效預測。根據《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》第4.3.6條，可采用數值模擬方法對隧道或橋梁等重要構筑物穿越多層采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價。本項目采用Midas/GTS巖土有限元軟件來探究多層采空區(qū)影響下隧道圍巖的變形特征、隧道襯砌的收斂位移和附加內力，并由此對隧道支護結構設計和采空區(qū)處治措施提供結果參考和反饋。

2 反演預測方法及模型建立

2.1 模型簡介

模型長340 m，寬224 m，隧道圍巖統(tǒng)一?、跫墖鷰r，除煤層外不再分層；煤層有3層，傾角5°，自上而下分別為2號、6號、8號煤層（見圖3）。底部固定模型的水平和豎直運動，兩側固定模型的水平位移，劃分單元類型為混合網格單元。煤層中部為隧道路基的影響范圍，單獨劃分網格。

圖3 計算模型

2.2 計算參數及計算工況

計算模型中，地層統(tǒng)一采用Ⅴ級圍巖參數，隧道初支和二襯均利用梁單元模擬。初支梁單元截面形狀為工20a工字鋼，彈性模量和密度均取鋼材參數，間距為0.75 m；二襯梁單元截面形狀為0.55 m×1 m的實體矩形，材料為C30混凝土。施工階段模擬分初步支護和二次襯砌2步，分別激活H型梁和矩形梁，由于圍巖等級為Ⅴ級，二襯施加完成后，鈍化初支，將初支結構視作穩(wěn)定圍巖的一部分(將二襯附近土體單元參數提高)，二襯100%受力。采空區(qū)地層由煤矸石和垮落的頂板碎石充填而成，是空隙較大的松散堆積物，因此可以將采空區(qū)等效成地層。

計算模型的主要計算參數見表2。

表2 計算模型主要計算參數

計算工況分3種：（1）無采空區(qū)情況；（2）存在3層采空區(qū)情況；（3）注漿治理后情況。模擬注漿時，將隧道路基影響范圍內的地層屬性改變成注漿材料單元。

2.3 結果分析

2.3.1 收斂位移

隧道襯砌結構（二襯）的位移監(jiān)測點見圖4，隧道（二襯）的最大變形見圖5。

圖4 隧道襯砌結構（二襯）的位移監(jiān)測點

圖5 隧道（二襯）的最大變形

無采空區(qū)時，對于本隧道項目，初步支護結構（工字鋼）的拱頂(A點)下沉量為8.91 cm，拱腳水平收斂位移（C點）為3.99 cm。二襯結構拱頂（A點）下沉量為6.40 cm，拱底（D點）隆起量為7.95 cm，拱腳（C點）水平收斂值為3.93 cm。兩側對稱變形。

當隧道上方的2號采空區(qū)存在時，隧道呈偏壓變形，隧道左側采空區(qū)距隧道頂部稍遠，松動圍巖荷載較右側大，因此左側變形也較大，隧道主要發(fā)生向下的位移，變形量約為16.7 cm。

當下伏采空區(qū)6號和8號存在時，隧道開挖后，A點豎直向下的位移為28.2 cm，C點的豎直位移為2.5 cm，仰拱中心相對拱頂隆起量為25.5 cm。這說明隧道開挖后，下伏采空區(qū)與隧道之間的巖層由于缺乏地層豎向的位移限制而導致隧道底部發(fā)生隆起。

多層采空區(qū)同時存在時，隧道整體下沉，偏壓變形和底部隆起現象消失，這是上下采空區(qū)疊加影響的結果。

根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）第9.2.15條，受彎構件的變形允許值取l/400（l為二襯的總長度）。可見無采空區(qū)存在時,隧道襯砌的位移能滿足要求；上部采空區(qū)存在時，拱頂位移變?yōu)?.5倍；下部采空區(qū)存在時,變?yōu)?.5倍。

2.3.2襯砌內力

分別取拱頂、拱墻、拱腳作為A、B、C 3個襯砌內力監(jiān)測點，D點為仰拱中心處的內力監(jiān)測點。無采空區(qū)時，初支結構A、B、C 3個點的彎矩分別為-3.6 kN·m、-19.6 kN·m、-138 kN·m，彎矩對稱分布；軸力分別為1737 kN、2 889 kN、3 392 kN。C點拱腳處為初支結構彎矩和軸力的最大值處。二次襯砌A、B、C各點的彎矩分別為-37 kN·m、42 kN·m、-174 kN·m，軸力分別為-2 263 kN、-4 128 kN、-4 317 kN。初支與二襯結構彎矩在A點拱頂處的差異最大，比值接近1∶10；在C點拱腳處差異最小，比值接近4∶5。初支與二襯各點的軸力比值較為接近，為1∶1.4。

當采空區(qū)存在時，支護結構的彎矩急劇增大，尤其是拱頂和拱底的彎矩增加倍數較大。初支結構的拱頂彎矩增加最大，為正常情況的17倍，二襯結構的仰拱中心處彎矩為正常情況的8.7倍。支護結構軸力則出現不同程度的減小，最大減小量為正常情況下的0.5倍。注漿治理后，采空區(qū)縫隙被填充和膠結，松動巖土壓力大大減少，因此支護結構的內力都明顯減少，均小于無采空區(qū)時深埋隧道的內力值。

多層采空區(qū)同時存在時，彎矩較正常情況明顯增大，軸力卻減小，由此可知采空區(qū)松動的巖體壓力使得襯砌的偏心距增大。無采空區(qū)時，初支結構測點的偏心距分別為2.1 mm、6.8 mm、40.7 mm；存在采空區(qū)時，分別為47 mm、23.5 mm、309.2 mm。偏心距增加最大的為測點C拱腳處，為正常情況的22倍，這將大大降低初支結構（鋼拱架）承載力。注漿治理后，初支結構的偏心距分別為1.3 mm、1.3 mm、18.9 mm，均小于無采空區(qū)時襯砌結構的偏心距。

不同工況下初支結構偏心距的變化見圖6，襯砌結構偏心距的變化見圖7。

圖6 不同工況下初支結構偏心距的變化

圖7 不同工況下襯砌結構偏心距的變化

2.4 地層變形

無采空區(qū)時，2號采空區(qū)所在地層呈盆狀沉降形態(tài)，沉降中心沉降量為4.5 cm；下部地層受開挖卸荷影響向上隆起，位移分別為3.4 cm、2.0 cm。多層采空區(qū)同時存在時，隧道開挖后巖體地應力重新分配，導致各采空區(qū)地層均呈現盆狀沉降，最大地層沉降量20 cm，最大為無采空區(qū)時地層變形的10倍，且離隧道越遠的地層沉降越小。隧道整體下沉的沉降量為20 cm。注漿治理后2號采空區(qū)沉降中心的沉降量為4.3 cm，下伏采空區(qū)地層的位移量分別為3.4 cm和1.9 cm。由此說明，注漿加固能夠有效地減少地層變形，從而減輕對隧道路基的破壞（見圖8）。

圖8 地層變形特征（單位：m）

3 結 語

（1）上覆傾斜采空區(qū)在隧道上部產生不均勻的圍巖松動壓力，使得隧道襯砌發(fā)生偏壓變形，距上覆采空區(qū)較遠一側的襯砌變形較大；下伏采空區(qū)的存在使隧道底部的巖層缺失豎向的地層約束，從而導致仰拱發(fā)生隆起；多層采空區(qū)同時存在時，隧道襯砌結構各點的變形趨于一致，發(fā)生整體下沉，下沉量約為正常情況的4倍。

（2）多層采空區(qū)使得隧道襯砌彎矩急劇增加，最大為正常情況的17倍，軸力則出現不同程度的減少，最大減少為原來的0.5倍。存在多層采空區(qū)時，隧道襯砌結構的截面偏心距最大為正常情況的22倍。因此存在采空區(qū)時，要防止因初支結構鋼拱架截面偏心距增大導致的整體失穩(wěn)。注漿治理后，隧道襯砌結構的偏心距均小于正常情況。

（3）正常情況下，隧道開挖后，隧道上部的地層呈盆狀沉降，下部地層由于隧道開挖卸荷而發(fā)生向上隆起。存在多層采空區(qū)時，隧道及周圍圍巖由于擾動作用而發(fā)生整體下沉。注漿治理后，地層的變形模式與變形量與無采空區(qū)時較為接近，為存在采空區(qū)時位移量的1/10。