張成良 閆 祥 李明健 王亞寧 王 超

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院 昆明 650093)

公路隧道下伏采空區(qū)是一類特殊的巖體工程，隧道與下伏采空區(qū)相互作用給采空區(qū)段隧道施工帶來(lái)困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道下伏采空區(qū)地段開(kāi)展了一系列的研究工作。童立元等[1]通過(guò)對(duì)大量下伏采空區(qū)處置方案歸納分析，研究采空區(qū)注漿理論、注漿材料及其設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)方法；李鵬等[2]依托隧道過(guò)采空區(qū)破碎帶，設(shè)計(jì)大比例劈裂注漿模型試驗(yàn)裝置，分析注漿過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律；田嬌等[3]建立不同的下伏采空區(qū)模型，分析隧道洞周位移變化，得出安全距離，分析不同圍巖情況下，采空區(qū)對(duì)隧道影響的敏感尺寸；國(guó)外J.H.Shin等學(xué)者對(duì)隧道加固技術(shù)做了相關(guān)研究，也取得一些成果。

本文以隧道穿越下伏采空區(qū)為研究對(duì)象，分析不同方向不同加固范圍圍巖的改善效果，進(jìn)而對(duì)采空區(qū)的加固范圍進(jìn)行優(yōu)化，確定隧道下伏采空區(qū)的注漿加固范圍。

1 工程概況

隧道為分離式隧道，左幅隧道起點(diǎn)樁號(hào)K8+420，止點(diǎn)樁號(hào)K9+655，長(zhǎng)1 235 m，最大埋深116.5 m；右幅隧道起點(diǎn)樁號(hào)K8+410，止點(diǎn)樁號(hào)K9+643，長(zhǎng)1 233 m，最大埋深119.2 m。隧道凈寬14.5 m、凈高5 m，左、右幅間距24 m。隧址區(qū)巖性為砂巖、頁(yè)巖、玄武巖、灰?guī)r和煤，地下水以第四系孔隙水類型及基巖裂隙水為主。區(qū)內(nèi)主要含4層可采或局部可采煤層，總厚度為7.93 m。由于煤層開(kāi)采，隧址區(qū)存在形態(tài)不一的煤層采空區(qū)。為控制隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中圍巖的變形和移動(dòng)，需對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行處治[4]。隧道與采空區(qū)空間位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 隧道與采空區(qū)空間位置關(guān)系

經(jīng)過(guò)前期綜合探測(cè)，查明隧址區(qū)存在2個(gè)對(duì)隧道穩(wěn)定性影響較大的采空區(qū)，1號(hào)采空區(qū)位于隧道K9+068-K9+094段，沿隧道走向方向長(zhǎng)25.30 m，距隧道底板0～15 m，2號(hào)采空區(qū)位于隧道K9+098-K9+119段，沿隧道走向方向長(zhǎng)20.10 m，距隧道底板5～17 m。采空區(qū)橫向貫穿隧道左右幅，圍巖穩(wěn)定性較差，易發(fā)生變形失穩(wěn)，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固。

2 下伏采空區(qū)處治方案

目前對(duì)于公路穿越采空區(qū)的處置方案主要有充填法、注漿法、崩落法三大類[5-6]。注漿法通過(guò)注漿膠結(jié)作用，形成巖板結(jié)構(gòu)，有效抵抗采空區(qū)移動(dòng)變形向上發(fā)展，且施工擾動(dòng)較小[7]。結(jié)合采空區(qū)實(shí)際賦存狀況，采用注漿法對(duì)隧道穿越采空區(qū)段圍巖進(jìn)行加固。

3 采空區(qū)加固及優(yōu)化

3.1 模擬方案

采空區(qū)對(duì)隧道穩(wěn)定性影響大，在保證采空區(qū)加固效果的前提下，需對(duì)采空區(qū)加固范圍進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)用midas GTS模擬軟件建立三維實(shí)體模型[8]，模型所采用的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

選取左幅隧道及2號(hào)采空區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)圣維南原理，模型水平(X)方向取80 m，豎直(Y)方向向下取采空區(qū)底板下30 m，向上取隧道拱頂上25 m，縱向(Z)取60 m，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

由于采空區(qū)走向、縱向、深度范圍較大，將隧道下伏采空區(qū)加固分為垂直隧道走向、沿隧道走向、加固深度3種工況進(jìn)行模擬，分析垂直隧道走向加固范圍為1A、1.5A、2A(A為仰拱寬度)，沿隧道走向加固范圍為1.2B、1.5B、2B(B為采空區(qū)在隧道上垂直投影長(zhǎng)度)，加固深度至采空區(qū)頂板、底板、底板下2 m、底板下5 m。

3.2 垂直隧道走向加固寬度分析

為研究垂直隧道走向加固效果，在模擬時(shí)，沿隧道走向加固長(zhǎng)度固定為采空區(qū)在隧道上垂直投影長(zhǎng)度，加固深度固定為仰拱至采空區(qū)底板高度。不同加固寬度實(shí)體模型見(jiàn)圖3，豎向位移云圖見(jiàn)圖4。通過(guò)在縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行分析，不同加固寬度位移曲線見(jiàn)圖5。

圖3 不同加固寬度實(shí)體模型

圖4 不同加固寬度豎向位移云圖(單位：mm)

圖5 不同加固寬度位移變化曲線

由圖4、圖5可知，當(dāng)采空區(qū)無(wú)加固措施時(shí)，拱頂、拱腰及拱底均產(chǎn)生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區(qū)加固寬度的增加，圍巖的位移在逐漸減小，加固寬度增加對(duì)位移控制具有明顯的改善作用，如不考慮經(jīng)濟(jì)成本，加固寬度越寬越好，為保證經(jīng)濟(jì)合理，確定垂直隧道走向加固寬度為1.5A。

3.3 沿隧道走向加固長(zhǎng)度分析

為研究沿隧道走向加固效果，在模擬時(shí)，垂直隧道走向加固寬度固定為仰拱寬度，加固深度固定為仰拱至采空區(qū)底板高度。不同加固長(zhǎng)度實(shí)體模型見(jiàn)圖6，豎向位移云圖見(jiàn)圖7。通過(guò)在縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行分析，不同加固長(zhǎng)度位移曲線見(jiàn)圖8。

圖6 不同加固長(zhǎng)度實(shí)體模型

圖7 不同加固長(zhǎng)度豎向位移云圖(單位：m)

圖8 不同加固長(zhǎng)度位移變化曲線

由圖7、圖8可知，當(dāng)采空區(qū)無(wú)加固措施時(shí)，拱頂、拱腰及拱底均產(chǎn)生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區(qū)加固長(zhǎng)度的增加，圍巖的位移在逐漸減小，加固長(zhǎng)度增加對(duì)位移控制具有明顯的改善作用，當(dāng)加固長(zhǎng)度增加到1.2B后，位移的改善作用不再明顯，為保證經(jīng)濟(jì)合理確定沿隧道走向加固長(zhǎng)度為1.2B。

3.4 加固深度分析

為研究加固深度不同的效果，在模擬時(shí)，垂直隧道走向加固寬度固定為仰拱寬度，沿隧道走向加固長(zhǎng)度固定為采空區(qū)在隧道上垂直投影長(zhǎng)度。不同加固深度實(shí)體模型見(jiàn)圖9，豎向位移云圖見(jiàn)圖10。

圖9 不同加固深度實(shí)體模型

圖10 不同加固深度豎向位移云圖(單位：m)

對(duì)縱向Z=30 m處隧道斷面提取不同加固范圍的拱底、拱腰、拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行分析，不同加固長(zhǎng)度位移曲線見(jiàn)圖11。

圖11 不同加固深度位移變形曲線

由圖10、圖11可知，當(dāng)采空區(qū)無(wú)加固措施時(shí)，拱頂、拱腰及拱底都產(chǎn)生較大的位移，其中拱頂最大、拱腰次之、拱底處最小，隨著采空區(qū)加固深度的增加，圍巖位移在逐漸減小，加固深度增加對(duì)位移控制具有明顯改善作用，當(dāng)加固深度持續(xù)增加到底板下2 m時(shí)，位移的改善作用減弱，為保證經(jīng)濟(jì)合理，確定加固深度至采空區(qū)底板下2 m。

通過(guò)對(duì)比垂直隧道走向加固寬度、沿隧道走向加固長(zhǎng)度及加固深度，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)注漿加固對(duì)改善圍巖力學(xué)特性和控制巖體變形有明顯效果，加固的寬度越寬、加固的長(zhǎng)度越長(zhǎng)、加固的深度越深，圍巖的力學(xué)特性改善及控制圍巖變形越明顯。經(jīng)過(guò)單因素加固范圍分析，并考慮保證效果的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。確定采空區(qū)加固的范圍為垂直隧道走向加固寬度為1.5A、沿隧道走向加固長(zhǎng)度為1.2B，加固深度至采空區(qū)底板下2 m。

4 采空區(qū)加固模擬研究

4.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)采空區(qū)單因素加固范圍效果分析，建立采空區(qū)加固的三維實(shí)體模型，注漿加固區(qū)與隧道位置關(guān)系見(jiàn)圖12。

圖12 注漿加固區(qū)與隧道位置關(guān)系

如圖12所示，1號(hào)采空區(qū)距離隧道較近，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響大，充分考慮注漿加固優(yōu)勢(shì)段，1號(hào)采空區(qū)垂直隧道走向加固寬度為80 m，左右幅隧道之間下伏圍巖全部注漿加固，沿隧道走向加固長(zhǎng)度為30 m，加固深度至采空區(qū)底板下2 m處。2號(hào)采空區(qū)小于1號(hào)采空區(qū)且距隧道較遠(yuǎn)，垂直隧道走向加固寬度為70 m，左右幅隧道之間下伏圍巖全部注漿加固，沿隧道走向加固長(zhǎng)度為24 m，加固深度至采空區(qū)底板下2 m處。

4.2 模擬結(jié)果分析

采空區(qū)加固后隧道圍巖應(yīng)力云圖見(jiàn)圖13，隧道圍巖位移云圖見(jiàn)圖14。

由圖13可知，在隧道開(kāi)挖附近拱頂、仰拱、拱腳及采空區(qū)邊緣部位產(chǎn)生了較小應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，最小主應(yīng)力為-0.14 MPa，位于左幅拱底處，最大主應(yīng)力為4.1 MPa，位于隧道右幅與煤層的交界處，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全判斷標(biāo)準(zhǔn)，可知公路鋼筋混凝土為C30時(shí)，抗拉強(qiáng)度f(wàn)td為1.39 MPa，抗壓強(qiáng)度f(wàn)cd規(guī)定為13.8 MPa，隧道支護(hù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖13 加固后圍巖應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖14 隧道圍巖位移云圖(單位：mm)

由圖14可知，注漿加固完成后，隧道整體豎向位移以拱頂沉降、拱底隆起為主，水平位移最大值出現(xiàn)在隧道左右幅拱腰、拱腳處，呈對(duì)稱分布，拱底最大位移位于煤層與隧道交界處，最大隆起值為18.5 mm，拱頂沉降最大值為27.7 mm。對(duì)采空區(qū)加固后，圍巖的應(yīng)力和位移均較小，采空區(qū)加固效果明顯。

5 安全評(píng)估

在隧道施工到采空區(qū)段時(shí)，對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，以評(píng)估采空區(qū)的加固效果[9]。采用高精度全站儀、反光膜片及收斂?jī)x，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變形，選擇隧道左幅ZK9+080、ZK9+100進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，變形-時(shí)間曲線見(jiàn)圖15、圖16。

圖15 隧道拱頂沉降曲線

圖16 隧道周邊收斂曲線

由圖15可知，ZK9+080斷面拱頂累計(jì)位移為47 mm、ZK9+100斷面累計(jì)位移為44 mm，變形最大速率為7 mm/d。由圖16可知，2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面周邊收斂累計(jì)變形量同隧道拱頂沉降位移量一樣變化不大，分別為34，32 mm。綜合發(fā)現(xiàn)，隨著注漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，圍巖變形速率逐漸減小，累計(jì)位移趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果大于模擬結(jié)果，但通過(guò)模擬的變形曲線及變形趨勢(shì)可知，模擬結(jié)果能基本反映隧道采空區(qū)圍巖的變形規(guī)律，采空區(qū)段實(shí)施注漿加固后，隧道初支累計(jì)變形量均未超過(guò)設(shè)計(jì)的要求的15 cm預(yù)留變形量，說(shuō)明隧道采空區(qū)注漿加固可以有效抑制隧道圍巖變形，側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以白兆隧道穿越下伏采空區(qū)為研究對(duì)象， 采用數(shù)值分析方法對(duì)采空區(qū)的加固范圍即垂直隧道走向加固寬度、沿隧道走向加固長(zhǎng)度、垂直深度的加固效果進(jìn)行單因素分析，通過(guò)對(duì)比不同加固范圍的位移變化規(guī)律，確定優(yōu)化的圍巖加固范圍。

對(duì)優(yōu)化后的圍巖加固范圍，建立三維實(shí)體模型，分析圍巖加固后應(yīng)力及位移分布規(guī)律，并應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，保證了隧道穿越下伏采空區(qū)的安全施工，實(shí)踐證明了該方法的可行性。