黑山鐵礦隧道穩(wěn)定性分析及治理方案研究

付 磊

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北唐山市 063009；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦， 河北承德市 067412）

黑山鐵礦隧道穩(wěn)定性分析及治理方案研究

付 磊1，2

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 河北唐山市 063009；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦， 河北承德市 067412）

摘 要：針對(duì)黑山鐵礦1#隧道的巖石冒落問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS，進(jìn)行了該隧道的位移、應(yīng)力及應(yīng)變研究，分析發(fā)現(xiàn)隧道出口處巖體的穩(wěn)定性最差，豎直方向變形最大位超過(guò)最大允許位移50mm，巖層中最大剪應(yīng)力超過(guò)了巖石層的最大抗剪強(qiáng)度0.28mPa。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制定了灌注水泥砂漿的加固治理方案。實(shí)踐表明，該方案有效地控制了隧道上方巖體的沉降位移，并減小了隧道巖石層的剪應(yīng)力，解決了隧道巖石冒落的問(wèn)題，提高了隧道的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；治理方案

0 引 言

黑山鐵礦1#隧道是礦山露天轉(zhuǎn)井下開(kāi)采工程中露天采場(chǎng)的泄水通道，在雨季露天采場(chǎng)排洪中起重要作用，該隧道在非雨季兼起行人和通車(chē)作用，由于隧道圍巖裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重、巖體強(qiáng)度低，且接近地表，在某次掘進(jìn)快要通出地表過(guò)程中，隧道東出口發(fā)生大面積冒落，影響隧道貫通。隧道的冒落問(wèn)題亟待解決。本文以黑山鐵礦1#隧道的巖石冒落問(wèn)題為背景，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬軟件ANSYS，進(jìn)行了黑山鐵礦不穩(wěn)定1#隧道的數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，并根據(jù)模擬結(jié)果制定了冒頂區(qū)治理方案。

1 ANSYS模型建立

本次模擬采用ANSYS數(shù)值模擬軟件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立1/2三維立體模型，如圖1所示，模型高60m，寬82m，上部臺(tái)階寬8m，下部臺(tái)階寬20m，中部為1/2隧道模型，隧道凈高5.5m，寬5m，隧道模擬長(zhǎng)度為45m。模擬所用巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　巖石力學(xué)參數(shù)

圖1　三維模型

2 模擬結(jié)果及分析

2.1位移分析

模型x、y、z方向的位移云圖如圖2所示。

圖2　位移云圖

由圖2可知，x方向位移大變形的區(qū)域主要是頂部平臺(tái)與隧道出口處，y方向大變形的區(qū)域主要是隧道深部及其上方的邊坡頂部位置，z方向位移大變形的區(qū)域主要是隧道出口處上方坡體。綜合分析可知，由于上部臺(tái)階過(guò)于陡峭，導(dǎo)致隧道出口處位移變形較大，豎直方向變形最大位移達(dá)到了79mm，已超過(guò)最大允許位移50mm，可能會(huì)造成隧道出口的垮塌。此外，隧道深部位移變形也相對(duì)較大，對(duì)深部巷道穩(wěn)定性造成不利影響。

2.2應(yīng)力分析

模型x、y、z方向應(yīng)力云圖及xy平面剪切應(yīng)力云圖如圖3所示。由x、y、z方向應(yīng)力云圖可知，在隧道出口的坡腳處與深部隧道頂?shù)装鍛?yīng)力均較大。由xy方向剪切應(yīng)力云圖可知，隧道出口處的上邊緣產(chǎn)生剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且隧道深部剪切應(yīng)力較大。綜合分析可知，隧道出口的上邊緣及其下邊緣的坡腳處應(yīng)力均較大，特別是隧道上邊緣的剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象，剪應(yīng)力最大處已達(dá)到0.625mPa，超過(guò)了巖石層的最大抗剪強(qiáng)度0.28mPa，可能造成隧道出口處的剪切破壞。此外，由出口向隧道深部，隧道頂?shù)装宓膽?yīng)力也逐漸加大，并有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，最大拉應(yīng)力達(dá)到0.72mPa，造成隧道頂?shù)装宓牟环€(wěn)定。

圖3　應(yīng)力云圖

2.3應(yīng)變分析

x、y、z方向應(yīng)變?cè)茍D及xy方向剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。由x、y、z方向應(yīng)變?cè)茍D可知，隧道出口的坡腳處與隧道頂?shù)装宓膽?yīng)變均較大，由xy方向剪切應(yīng)變?cè)茍D可知，隧道出口處的上邊緣產(chǎn)生剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象，并且隧道深部剪切應(yīng)變較大。綜合分析可知，隧道出口的上邊緣及其下邊緣的坡腳處應(yīng)變均較大，特別是隧道上邊緣的剪切應(yīng)變集中現(xiàn)象，可能造成隧道出口處的剪切破壞。此外，由出口向隧道深部，隧道頂?shù)装宓膽?yīng)變也逐漸加大，造成隧道頂?shù)装宀环€(wěn)定。

圖4　應(yīng)變?cè)茍D

3 冒落區(qū)治理方案

該冒落區(qū)的治理應(yīng)遵循以下原則：施工安全可靠，處理工程量小、成本低，施工簡(jiǎn)單易行，施工工期短，為后續(xù)的類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)此治理原則，在現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山實(shí)際情況，提出了灌注水泥砂漿的方案。

（1）首先封閉隧道內(nèi)冒落區(qū)。在隧道內(nèi)冒落區(qū)噴射混凝土，將冒落區(qū)封閉。

（2）第二步灌注砂漿。噴射混凝土養(yǎng)護(hù)2 d后，在外部的邊坡上對(duì)冒落區(qū)注漿。對(duì)松散體采用固結(jié)灌漿法進(jìn)行充填加固。注漿利用自然高差，依靠重力勢(shì)能提供壓力。注漿設(shè)備管路布置如圖5所示。固結(jié)灌漿的目的是充填松散體的空隙，使其膠結(jié)，增強(qiáng)巖體的整體性。

（3）實(shí)施超前支護(hù)。注漿完畢養(yǎng)護(hù)一周時(shí)間，為隧道二次掘進(jìn)的打眼成孔創(chuàng)造了良好的環(huán)境。在隧道中打超前錨桿眼，然后安裝超前錨桿。

圖5　注漿系統(tǒng)布置

（4）二次掘進(jìn)。在超前錨桿的支護(hù)下，進(jìn)行二次爆破掘進(jìn)施工。施工采用多打眼、少裝藥、短掘進(jìn)的施工方法，并且邊開(kāi)挖邊支護(hù)。

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)隧道巖石冒落問(wèn)題，通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)隧道位移、應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行研究，分析確定了隧道出口處巖體的穩(wěn)定性最差，豎直方向最大位移達(dá)到了79mm，超過(guò)最大允許位移50mm，其次為隧道深部頂?shù)装澹瑤r層最大處剪應(yīng)力已達(dá)到0.625mPa，超過(guò)了其最大抗剪強(qiáng)度0.28mPa，且最大拉應(yīng)力達(dá)到0.72mPa，巖層不穩(wěn)定，由此為制定不穩(wěn)定隧道的治理方案提供一定的理論指導(dǎo)。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定隧道冒落區(qū)的加固治理方案為灌注水泥砂漿，該方案工藝簡(jiǎn)單，成本較低，施工安全性好，整體工程量小。礦山實(shí)踐表明，該方案將隧道上方巖體的沉降位移控制在了50mm范圍內(nèi)，并減小了隧道巖石層的剪應(yīng)力，將最大剪應(yīng)力控制在0.28mPa的范圍內(nèi)，增強(qiáng)了隧道的穩(wěn)定性。

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收稿日期：（2016-03-30）

作者簡(jiǎn)介：付 磊（1977-），男，遼寧錦州人，采礦工程師，碩士研究生，主要從事地下開(kāi)采和運(yùn)輸方面的研究，Email：1170157790@qq.com。