隧道穿越采空區的穩定性分析

梁勝增，聞　磊

(1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

隧道穿越采空區的穩定性分析

梁勝增1，聞磊2

(1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

摘要：以小江口隧道和坪地煤礦為研究對象，根據工程所在地的地質條件和圍巖特點，利用數值模擬的方法，對采空區的穩定性及其對隧道的影響進行分析研究，并針對分析結果提出相應的治理方案，從而為小江口隧道的安全施工和營運提供理論支持。研究結果表明，一、二盤區留設的點柱穩定性較差，不能起到長期支撐頂板的作用，一、二盤區部分采空區會產生頂板冒落；隧道K線ZK67+555至隧道出口段、D線ZK67+466至隧道出口段兩側各90m范圍內的下覆老采空區需進行充填處理。

關鍵詞：隧道；采空區；穩定性；數值模擬

地下采空區的穩定性對其附近建筑的穩定性有著重要的影響，尤其對于穿越采空區的隧道，其影響更加不可忽視，這也成為眾多學者研究的重點問題之一。李曉紅等[1-2]對隧道穿越采空區的穩定性、圍巖變形的特性及治理措施進行了總結；童立元等[3-4]對高速公路下伏采空區的國內外研究結果進行了綜述；在對采空區穩定性數值模擬應用方面，也有很多相關的研究[5-8]。為了保證穿越采空區隧道的穩定性、安全施工和營運，有必要對隧道采空區影響段進行穩定性分析評價，從而為設計和施工提供指導，也可以為類似項目提供有益參考[8-9]。

1工程背景

1.1項目概況

小江口隧道為貴州省余慶至凱里高速公路余凱線控制性工程之一，該隧道為分幅長隧道，左幅長2637m，最大埋深約239.16m，進出口底板高程分別為667.98m和720.74m。右幅長2651m，最大埋深約238.3m，進出口底板高程分別為667.72和720.74m。隧道洞室單幅凈寬10.25m，凈高5.0m。

凱里市灣水鎮大風洞坪地煤礦始建于1998年，2001年建成投產，由原來多家小煤窖整合而成，現屬私營獨資企業，主采2號煤層。設計生產能力9萬t/a，分兩個盤區形成各自獨立的開拓系統進行開采，F1斷層以南為一盤區，斜井開拓，傾向長壁采煤法，F1斷層以北為二盤區，平硐開拓，走向長壁采煤法。

余凱高速公路小江口隧道兩條備選線路K線和D線自北向南從坪地煤礦礦區中間穿過，將礦區劃分為東西兩塊。隧道進口至ZK66+600段，礦山開采煤層大部分位于隧道上方，ZK66+600至隧道出口段，開采煤層位于隧道下方。經過多年的開采，小江口隧道周邊分布有一定規模采空區，其中，一盤區老采空區位于隧道下方，距隧道底板約30～85m，二盤區老采空區位于隧道上方，距隧道頂部約25.60～76.40m。

小江口隧道與坪地煤礦的空間位置關系見圖1。

圖1　坪地煤礦與小江口隧道相互關系平面

為了確保小江口隧道施工與運營安全，杜絕重大事故的發生，有必要全面系統地分析坪地煤礦與小江口隧道之間的相互影響關系。

1.2工程地質及水文地質條件

隧道地處貴州東部斜坡地帶，隧道區內地勢起伏較大，其軸線通過高程634.8～948.04m，相對高差314.24m。進口位于緩坡上，地形坡度較緩；出口位于陡壁上，基巖出露。地表基巖出露，為溶蝕、侵蝕剝蝕型低山河谷地貌。

場區覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粉質黏土、崩塌堆積層(Qc)塊石土。下伏基巖為二疊系下統棲霞組、茅口組(P1q+m)灰、深灰色灰巖，梁山組(P1l)灰白色、灰黃色石英砂巖夾煤層及炭質泥巖，泥盆系望城坡組、堯梭組(D3w+y)淺灰、灰白色白云巖，志留系翁項群(S2-3wn)灰黃、淺灰、灰綠色泥巖夾砂巖。

隧址位于江南古陸西側新生代坳陷區過渡地帶，場區中部發育正斷層F1，斷面產狀為175°∠60°，直斷距25～30m，斜斷距約為70～80m，斷層破碎帶寬12～15m，結構松散，膠結較差。隧道垂直穿過F1斷層，對隧道洞室圍巖穩定性影響較大。

隧道區域地下水主要為泥巖強風化層基巖裂隙水、碳酸巖巖溶裂隙水，地下水主要靠大氣降水垂直補給。隧道區分布兩層隔水巖組，兩層含水巖組。據煤系地層中水樣分析結果，pH值=2.0～6.0，弱酸～強酸性，對鋼筋混凝土結構物有較強腐蝕性。隧道進口至ZK66+610段，基巖為D3w+y白云巖，含水層特征為巖溶裂隙水，處于S2-3wn-P1l兩隔水巖層之間，巖層透水性中等，隧道通過段位于排泄區。ZK66+660至隧道出口段，基巖為P1q+m灰巖，含水層特征為巖溶裂隙水和F1破碎帶裂隙水，處于P1l隔水層之上，巖層透水性強。隧道通過段高于區內地下水侵蝕基準面約66m，隧道設計高程高于區內地下水水位，地下水對隧道影響小，雨洪期產生的局部富集的地下水對隧道施工有影響。

1.3巖體穩定性評價

隧道進出口施工過程中，由于需要剝離地表風化巖層，且受爆破震動影響，隧道進出口附近危巖體易受擾動而產生崩塌的現象，威脅隧道的施工安全。針對隧道施工的特點，專門對隧道進出口地表的巖體情況進行調查。

1)進口。隧道洞身圍巖為塊石土及強、中風化泥巖、白云巖，地表堆積體厚達8～22m，巖石節理裂隙很發育，巖體極破碎～破碎，呈碎裂結構，開挖后易發生滑坡、崩塌，處理不當會坍至地表。

2)出口。隧道出口段地形陡峻，三面為陡崖，隧道洞身圍巖為灰巖，處于卸荷節理發育帶，節理裂隙很發育，巖體破碎，呈碎裂結構，圍巖易坍塌，處理不當易發生大坍塌，側壁經常發生小坍塌。

2老采空區對隧道安全性影響分析

2.1基于數值模擬的采空區穩定性分析

巷柱式采礦形成采空區的穩定性主要是由礦柱的穩定性來決定的。因此，本次采空區穩定性數值模擬主要針對礦柱(點柱)進行分析。按上覆巖層自重施加荷載，在模型底部及側面施加位移邊界條件，計算參數選取參見表1。

表1　計算參數表

根據礦山老采空區調查及現場訪談結果，點柱尺寸為：斷面2m×3m，高度1m，柱間距5m。計算模型見圖2。

隨著埋深的增加，礦柱所承受的壓力不斷增大，按采空區50m、100m、110m、130m埋深分別計算分析礦柱穩定性。為了便于分析計算結果，作如圖3所示剖面查看礦柱內部應力及塑性區的變化。

1)埋深50m時點柱穩定性分析。當埋深50m時，最大主應力7.9MPa，礦柱中心壓應力較大，礦柱邊緣出現拉應力區，拉應力值為0.018MPa，礦柱邊緣偏頂部出現小范圍的塑性區，礦柱總體保持穩定。點柱內部最大主應力、最小主應力、塑性區分布見圖4。

圖2　老采空區點柱分析模型

圖3　礦柱剖面位置圖

圖4　埋深50m時點柱穩定性計算結果圖

2)埋深100m時點柱穩定性分析。當埋深100m時，最大主應力顯著提高，增加至14MPa，礦柱中心產生應力集中，礦柱邊緣出現較大范圍拉應力區，最大拉應力達到0.09MPa，礦柱邊緣出現大范圍的塑性變形區。因礦柱內部巖體處于三維應力狀態，礦柱中心巖體受到一定圍壓作用仍能保持整體穩定，其核心區域能夠繼續起到支撐頂板的作用。點柱內部最大主應力、最小主應力、塑性區分布見圖5。

圖5　埋深100m時點柱穩定性計算結果圖

3)埋深110m時點柱穩定性分析。當埋深110m時，最大主應力有所提高，增加至18MPa，應力集中區位于礦柱中心底部位置，礦柱邊緣出現大范圍拉應力區，最大拉應力變化不大，為0.087MPa，礦柱邊緣及底部偏出現大范圍的塑性變形區，礦柱失穩發生破壞。點柱內部最大主應力、最小主應力、塑性區分布見圖6。

圖6　埋深110m時點柱穩定性計算結果圖

4)埋深130m時點柱穩定性分析。當埋深130m時，最大主應力急劇增大，達到45MPa，應力集中區位于礦柱正中心位置，整個礦柱發生塑性變形，中心區域剪切破壞，礦柱邊緣產生剪切和拉伸破壞，礦柱垮塌，無法支撐頂板。點柱內部最大主應力、最小主應力、塑性區分布見圖7。

圖7　埋深130m時點柱穩定性計算結果圖

2.2礦柱穩定性分析小結

當埋深小于100m時，2m×3m的點柱不會出現貫穿整個礦柱的塑性區，能夠起到繼續支撐頂板的作用，當埋深大于100m時，2m×3m的點柱中心區域產生剪切破壞，產生貫穿整個礦柱的塑性變形，煤柱發生破壞，造成采空區失穩。

根據老采空區與小江口隧道的空間位置關系，可分為老采空區位于隧道上方和下方兩種情況。當采空區位于隧道上方時，采動后引起的巖層移動主要在采空區的上方，不會對采空區下面的隧道產生影響。當采空區位于隧道正下方時，如采空區不能自穩發生冒落，會引起上覆巖層移動和地表沉降，從而對隧道產生不利影響。根據對老采空區的穩定性分析，充分采動后的采空區無法自穩，頂板會發生垮冒，直至冒落巖塊填滿空區。

3老采空區處理方案

小江口隧道K線ZK67+555至出口段，D線ZK67+466至出口段，下覆采空區引起的巖層移動可能會波及隧道。為確保隧道的安全施工及運營，建議對隧道出口段一定范圍內采空區進行充填注漿處理。據調查，該范圍內采空區多為原民采空區，通往地表的通道已于多年前封閉，且老空區的現狀不清楚，不利于在井下進行空區處理。受地表地形的影響，地表施工充填鉆孔難度大、耗費高，所以，只能采取在隧道水平范圍內向采空區施工充填鉆孔。根據隧道K線ZK67+555至出口段采空區的范圍，在隧道兩側各90m范圍內的下覆采空區進行充填注漿處理，隧道開挖后，先從隧道側幫向兩側50m范圍施工聯絡巷道，然后平行于隧道方向施工鉆孔巷道，鉆孔巷道內每4m施工充填鉆孔。采空區充填注漿的工程量估算見表2，充填范圍見圖8。D線ZK67+466至出口段與K線采空區處理方法相同。

表2　采空區充填注漿工程量粗算表

圖8　小江口隧道K線下覆采空區充填范圍圖

4結論

通過對老采空區的現場調查及資料分析，隧道進口至ZK66+600段，煤層位于隧道上方，開采后引起的巖層移動不會對隧道造成不利影響；ZK66+600至ZK66+993段，煤層位于隧道下方，與隧道的垂直距離較近，但礦山未進行開采，不會對隧道造成影響；ZK66+993至隧道出口段，煤層位于隧道的下方，分布有一定規模的采空區，與隧道底板的垂直距離在20m以上，老采空區對隧道的影響主要集中在該段。通過數值模擬方法對老采空區穩定性及其對隧道的影響分析，得出以下結論。

1)一、二盤區留設的點柱穩定性較差，不能起到長期支撐頂板的作用，會出現礦柱破裂、采空區失穩的現象。

2)由于采空區的直接頂板為炭質泥巖或石英砂巖，礦山開采后沒有留護頂煤層，隨著時間的推移，一、二盤區部分采空區都會產生頂板冒落，直至充滿采空區。

3)為了保證隧道的安全施工和營運，隧道K線ZK67+555至隧道出口段、D線ZK67+466至隧道出口段兩側各90m范圍內的下覆老采空區需進行充填處理。

參考文獻

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Analysis and study on stability when tunnel excavated trough mined-out area

LIANGSheng-zeng1，WENLei2

(1.SichuanCollegeofArchitectureTechnology，Deyang618000，China;2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Changsha410012，China)

Abstract:Xiaojiangkou tunnel and Pingdi coal mine were the research objects.According to the geological condition and surrounding rock characteristics of the project site，the stability of mined-out area and its influence on tunnel were studied by numerical simulation method.Corresponding treatment scheme was put forward to provide theoretical support for safe construction and operation of Xiaojiangkou tunnel.Results show that the stability of the point pillars in one or two panel is poorer，so it cannot have long-term effect of roof supporting.Roof caving will occur in part of the mined-out areas.From K line ZK67 + 555 and D line ZK67 + 466 to the tunnel exit，in 90m range，the old mined-out area below need to be filled.

Key words：tunnel；mined-out area；stability；numerical simulation

收稿日期：2015-07-06

中圖分類號：TD32

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0150-05