華巖隧道穿越中梁山南礦巷道加固分析

邵保良

（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400042）

1 工程概況

重慶市九龍坡區(qū)華巖公路隧道是“主城西進”的重要通道，穿越中梁山公司南礦+280m南長興大巷、+290m水平南長興大巷和K7消火道，隧道與現(xiàn)有三條生產(chǎn)巷道之間呈“十字交叉、上下重疊”的立體關系。為保證中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用以及華巖公路隧道的順利建成，在華巖隧道施工前，必須對中梁山南礦上述三條巷道進行加固，通過巷道加固與改造，最大程度減小巷道圍巖變形，保證中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用以及上方華巖隧道的順利建成，滿足華巖隧道開挖及運營后的正常使用要求[1]。

2 設計方法及目的

根據(jù)業(yè)主單位提供的圖紙資料：+290m南長興大巷 （1巷）與+280m南長興大巷（2巷）均為毛洞開挖，未施工襯砌。由于華巖隧道施工開挖和運營將影響巷道圍巖應力分布，因此巷道會產(chǎn)生相應附加位移。

該加固工程旨在控制巷道圍巖變形與沉降，以保證礦井正常生產(chǎn)，避免出現(xiàn)重大安全災害。充分考慮了+290m南長興大巷與+280m南長興大巷的工程現(xiàn)狀與數(shù)據(jù)模擬分析的結果，擬新建隧道襯砌對巷道與華巖隧道交叉區(qū)段進行加固。同時，擬采用錨桿作為加固體系的安全冗余設計更進一步穩(wěn)固該區(qū)段圍巖。

基于華巖隧道和290南長興巷、280南長興巷在平面關系上十字相交，空間組合關系復雜，無法用現(xiàn)有的理論公式進行計算分析，因此必須采用三維數(shù)值模型來進行計算。本次數(shù)值模擬分析采用國際通用的大型有限元程序Midas-Gts軟件。通過Midas-Gts數(shù)值模擬計算，分析圍巖的位移場、應力場及塑性區(qū)分布情況，評價三者之間的相互影響程度和安全性[2]。

3 三維有限元模擬分析及結論

3.1 襯砌形式選擇

該加固工程擬采用模筑鋼筋混凝土整體式襯砌，斷面采用三心拱直墻形無底板設計。受業(yè)主委托，襯砌外輪廓與+290m南長興大巷和+280m南長興大巷現(xiàn)有毛洞斷面內輪廓一致，采用襯砌厚度分布為300mm和350mm[3]。

3.2 計算方法、條件及分析方法

本次采用Midas-Gts數(shù)值模擬計算，計算采用摩爾-庫侖等面積圓D-P屈服準則；并根據(jù)地勘單位提供的巖體物理力學計算參數(shù)進行計算[4]。計算區(qū)域內的巖土體采用實體單元來模擬，隧道襯砌采用板單元進行模擬，分析擬建的華巖隧道與壓覆巷道的相互影響程度，通過圍巖的位移場、應力場以及塑性區(qū)分布情況，得出華巖隧道的安全性以及對+280m南長興巷、+290m南長興巷的影響程度。然后，通過模擬擬建襯砌結構對巷道圍巖的約束作用，驗證襯砌厚度及配筋等設計信息。由于該加固工程以整體模筑鋼混凝土襯砌結構為主要手段，故計算時不計算錨桿對圍巖的錨固效應，而作為安全冗余考慮。

考慮隧道的有效影響范圍，整個三維計算模型的計算區(qū)域取為200×200×173m3（長×寬×高），約華巖隧道兩邊5倍跨度的計算范圍。有限元網(wǎng)格共有489808個單元，節(jié)點總數(shù)為82817個，三維有限元網(wǎng)格劃分詳見圖1所示。計算區(qū)域水平位移被約束，底面沿豎直方向位移被約束，詳見圖2、圖3所示。華巖隧道路面設計荷載：100kN。另外，由于華巖隧道尚未開挖，因此模擬時考慮超挖1m。

圖1 巖土體三維有限元模型

圖2 隧道與道三維實體模型

圖3 隧道與巷道三維有限元模型

有限元模擬計算分步進行，以模擬原始地形地貌下的應力位移場、巷道支護、華巖隧道開挖、華巖隧道襯砌施工、及華巖隧道通車運營等過程。數(shù)值模擬按照以下步驟進行：

（1）模擬原始地形地貌下的初始地應力場、位移場；（2）模擬現(xiàn)有情況下的應力場、位移場（即巷道形成后的應力場、位移場）；（3）模擬巷道襯砌加固后，華巖隧道開挖；（4）模擬華巖隧道襯砌；（5）模擬華巖隧道的運營 （即模擬運營后路面荷載作用下三者間的相互影響）。

為分析方便，本報告除分析整個三維計算模型的位移、應力情況外，還選取兩條典型不利剖面1－1’、2－2’進行分析。1－1’剖面沿壓覆巷道軸線且近垂直于華巖隧道軸線，2－2’剖面沿華巖隧道軸線且近垂直于壓覆巷道。

3.3 計算位移分析

表1、表2分別統(tǒng)計了華巖隧道開挖后，+290m南長興大巷和+280m南長興大巷拱頂位移情況。圖4、圖5展示了兩個巷道襯砌在各主要荷載步下變形情況，圖6至圖9展示了兩個剖面在各主要荷載步下巖體位移云圖。

表1 +290m南長興大巷拱頂位移曲線

表2 +280m南長興大巷拱頂位移曲線

圖4 隧道開挖后巷道襯砌Y方向位移云圖

圖5 隧道運營后巷道襯砌Y方向位移云圖

圖6 隧道開挖后Y方向位移云圖（1－1剖面）

圖7 隧道襯砌后Y方向位移云圖（1－1剖面）

圖8 隧道開挖后Y方向位移云圖（2－2）

圖9 隧道襯砌后Y方向位移云圖（2－2剖面）

由表1、表2可以看出，華巖隧道開挖對+280m、+290m南長興大巷拱頂位移產(chǎn)生了一定影響，+290m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會產(chǎn)生6.0mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為10mm左右，+280m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會產(chǎn)生2.3mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為5.5mm左右，兩個巷道的拱頂不均勻沉降值均較小。通過對+290m南長興大巷、+280m南長興大巷的拱頂位移分析可以得出，由于在與華巖隧道平面位置交叉處設置了襯砌，進行加強處理，+290m南長興大巷、+280m南長興大巷在華巖隧道開挖以后，巷道拱頂?shù)牟痪鶆虺两抵递^小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內。同時，由于襯砌的存在，可以有效減弱原始裂隙及巷道爆破施工產(chǎn)生的震動裂縫發(fā)展。

3.4 圍巖內力、應力及塑性區(qū)分析

根據(jù)讀取的計算結果可知，在華巖隧道開挖后，+290m、+280m南長興大巷襯砌內力最大，取該工況下巷道橫斷面對其配筋及裂縫進行驗算，并對重點部位采取加強段襯砌設計，可以保證巷道在華巖隧道開挖及運營后的正常使用。

經(jīng)過對華巖隧道開挖前、華巖隧道開挖后、華巖隧道運營后等階段+290m、+280m南長興大巷圍巖大主應力及最小主應力分析，可以看出華巖隧道開挖對井下巷道圍巖應力有一定影響，最大壓應力為7.07×103kPa，較華巖隧道開挖前增加2%，最大拉應力為2.65×102 kPa，較華巖隧道開挖前增加0.3%，以上數(shù)據(jù)表明壓應力及拉應力增長幅度小，且均未超過巷道圍巖可承受的最大壓應力和拉應力。因此，華巖隧道開挖對井下+290m、+280m南長興大巷圍巖應力變化影響相對較小。

根據(jù)華巖隧道開挖前、華巖隧道開挖后、華巖隧道運營后等階段變形云圖可以看出，塑性區(qū)主要產(chǎn)生在沒有設置襯砌的圍巖區(qū)域。隨著華巖隧道的開挖與運營，靠近華巖隧道的+290m南長興大巷、+280m南長興大巷圍巖塑性區(qū)范圍無明顯變化，因此，華巖隧道的開挖運營對+290m南長興大巷、+280m南長興大巷圍巖塑性區(qū)影響小。

3.5 分析結論

（1）三維數(shù)值計算結果表明：華巖隧道開挖對+290m南長興大巷、+280m南長興大巷的變形影響較小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內。其中，+290m南長興大巷最大不均勻沉降為10mm左右，+280m南長興大巷最大不均勻沉降為5.5mm左右。

（2）對擬加固方案的配筋及裂縫進行驗算，根據(jù)巷道襯砌內力計算結果，對+290m南長興大巷、+280m南長興大巷加固后，可以滿足華巖隧道開挖及運營后的正常使用要求。

4 襯砌設計

根據(jù)三維有限元數(shù)據(jù)分析結果并結合實際情況，確定巷道加固范圍為華巖隧道兩側外壁各50m內區(qū)段，其中巷道與華巖隧道交點隧道外壁兩側各10m范圍內為加強支護段。巷道加固工程采用模筑鋼筋混凝土整體式襯砌，襯砌直接布置于現(xiàn)有毛洞斷面內不向外擴刷。巷道擬建襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度分別為350mm、300mm，經(jīng)核算襯砌完成斷面滿足業(yè)主所提凈空要求。襯砌斷面為三心拱直墻形無底板設計，呈兩鉸拱構型。兩側直墻底部設置500mm寬擴展嵌巖基礎，嵌巖深度500mm，加強段配筋示意見圖10、圖11。

圖10 +280m南長興大巷(加強段)配筋示意

圖11 +290m南長興大巷(加強段)配筋示意

+280m、+290m南長興大巷巷道加固工程襯砌鋼筋參照三維有限元分析結果設置并驗算。巷道主筋選用Φ16二級鋼，布置間距分別為160mm（1巷）、200mm（2巷）。其中，加強支護段鋼筋主筋及縱向分布筋雙層雙向布置，一般加固區(qū)段主筋及縱向分布筋在襯砌內壁單側單層雙向布置，并采用梅花形拉結筋進行拉結。并根據(jù)三維模擬數(shù)據(jù)，用理正巖土軟件對巷道襯砌復核驗算，+280巷道拱頂變形為-0.38mm，+290巷道拱頂變形為-0.14mm，滿足規(guī)范要求[5]。

5 結語

通過三維有限元模擬分析過程可知，華巖隧道開挖后，+290m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會產(chǎn)生6.0mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為10mm左右，+280m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會產(chǎn)生2.3mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為5.5mm左右，兩個巷道的拱頂不均勻沉降值均較小。通過南長興大巷的拱頂位移分析可以得出，由于在與華巖隧道平面位置交叉處設置了襯砌，進行加強處理，+290m南長興大巷、+280m南長興大巷在華巖隧道開挖以后，巷道拱頂?shù)牟痪鶆虺两抵递^小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內。

在華巖隧道建設及運營階段，隧道開挖時南長興大巷襯砌內力最大，應在隧道施工前對其重點部位提前采取加強段襯砌設計。根據(jù)巷道襯砌內力計算結果，對+290m南長興大巷、+280m南長興大巷加固后，能最大程度減少巷道圍巖變形，同時由于襯砌的存在，可以有效減弱原始裂隙及巷道爆破施工產(chǎn)生的震動裂縫發(fā)展，保證了中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用，并保證了上方華巖隧道的順利建成，能滿足該隧道的開挖及今后營運的正常使用要求。

[1]中煤科工集團重慶設計研究院.華巖隧道穿越中梁山南礦+280m、+290m南長興大巷和K7消火道加固方案咨詢報告[R].2015．

[2]北京邁達斯技術有限公司.MIDAS GTS應用實例教程及疑難解答[K].2010．

[3]中煤科工集團重慶設計研究院.華巖隧道穿越中梁山南礦+280m、+290m南長興大巷和K7消火道加固方案施工圖設計報告[R].2015．

[4]重慶市市政設計研究院.華巖隧道工程地質詳細勘察報告[R].2013.

[5]重慶交通科研設計院.JTGD70-2004公路隧道設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.