截面尺寸對(duì)瓦斯隧道的施工影響分析

王文亮

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350

隧道穿越煤層時(shí)，由于煤層自穩(wěn)能力差以及高瓦斯壓力的存在，極易發(fā)生安全事故。目前，國內(nèi)隧道瓦斯防突技術(shù)還不是很成熟，主要是借鑒煤礦采掘中的瓦斯防突技術(shù)，如超前支護(hù)、超前鉆孔、多排鉆孔、水力沖孔以及震動(dòng)性放炮等[1-3]。但煤礦巷道的斷面尺寸一般較隧道斷面尺寸要小，因此，鐵路隧道施工在借鑒煤礦的瓦斯防突技術(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮截面尺寸的影響，事先掌握隧道斷面尺寸對(duì)瓦斯隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律[4-6]，才能更好地保證施工安全。

1 工程概況

舊州隧道地處云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，隧道區(qū)域海拔1 327.9～1 552.5 m，相對(duì)高差224.6 m。擬建隧道進(jìn)出口需經(jīng)過煤系地層，通過對(duì)隧道附近各煤礦瓦斯資料的分析可知，該區(qū)域煤層均無煤塵爆炸危險(xiǎn)性。根據(jù)其瓦斯絕對(duì)涌出量、隧道地層巖性及煤層地段，將隧道分為瓦斯工區(qū)及非瓦斯工區(qū)，其中瓦斯工區(qū)隧道按高瓦斯隧道考慮。

2 隧道斷面對(duì)瓦斯隧道圍巖穩(wěn)定性的影響分析

2.1 數(shù)值模擬分析及模型參數(shù)

根據(jù)舊州隧道地質(zhì)狀況以及隧道施工情況，我們應(yīng)用Midas軟件建立了三維計(jì)算模型。模型中頂板巖層厚度30 m，底板巖層厚度30 m，中間煤層厚度40 m，寬度取為80 m，具體分層如圖1所示。

模型開挖時(shí)，開挖深度定為20 m，隧道掘進(jìn)速度為2 m/d。分別模擬工況一的11.0 m×9.3 m（凈寬×凈高）、工況二的12.0 m×10.3 m（凈寬×凈高）、工況三的13.0 m×11.3 m（凈寬×凈高）3類隧道斷面，來分析3類隧道斷面的掌子面前方圍巖應(yīng)力分布及隧道襯砌z向最大位移。模型參數(shù)如表1所示。

2.2 模擬結(jié)果及分析

為探究隧道截面尺寸對(duì)瓦斯隧道穩(wěn)定性的影響情況，必須確定衡量指標(biāo)。我們首先從隧道襯砌沉降進(jìn)行分析，以對(duì)比3類截面的優(yōu)劣；然后通過錨桿的變形進(jìn)一步探究截面尺寸對(duì)隧道施工的影響；最后分析掌子面前方圍巖壓力與隧道截面尺寸的關(guān)系。通過這3個(gè)指標(biāo)，結(jié)合舊州隧道工程實(shí)例，得出相應(yīng)規(guī)律，為同類工程施工提供參考。

圖1 三維數(shù)值模型

表1 模型參數(shù)

2.2.1 不同隧道截面下襯砌的沉降規(guī)律

以控制變量法為原則，控制單一變量隧道截面，其他模型參數(shù)不變，進(jìn)行建模計(jì)算，得出3類隧道截面下的襯砌沉降。其中，工況一襯砌沉降云圖如圖2所示。

圖2 工況一襯砌沉降云圖

對(duì)比不同隧道截面的襯砌沉降可知：隧道開挖時(shí)，其襯砌沉降最值發(fā)生在拱頂處，且隨著隧道截面的加大，沉降值也相應(yīng)增大。其沉降最值如表2所示。

從表2中可知，當(dāng)隧道截面由工況一變?yōu)楣r二時(shí)，掌子面z向位移的值增大近40%；當(dāng)隧道截面尺寸由工況二變?yōu)楣r三時(shí)，掌子面z向位移的值增大不到10%。因此，進(jìn)行隧道施工時(shí)應(yīng)盡量合理利用空間，避免隧道截面尺寸過大，從隧道襯砌沉降來看，隧道截面尺寸采用工況一為最優(yōu)選擇，工況二和工況三區(qū)別不大。

2.2.2 不同隧道截面下錨桿的變形規(guī)律

錨桿作為隧道加固的有效措施，其變形對(duì)隧道施工質(zhì)量有很大的影響，探究隧道截面的影響時(shí)，應(yīng)把錨桿變形作為研究對(duì)象。通過三維模型可知3類隧道截面下錨桿的最大變形。

表2 不同隧道截面的襯砌沉降最值

對(duì)比以上不同隧道截面的錨桿變形可知：隧道貫通后拱頂處的錨桿變形最大，且隨著隧道截面的加大，錨桿變形也相應(yīng)加大。錨桿變形最值如表3所示。

表3 錨桿變形最值

從表3可知，當(dāng)隧道截面由工況一變?yōu)楣r二時(shí)，錨桿變形最值增大40%多；當(dāng)隧道截面尺寸由工況二變?yōu)楣r三時(shí)，錨桿變形最值僅增大不到10%。因此以錨桿變形為選定指標(biāo)時(shí)，工況一為最優(yōu)選擇，工況二和工況三相差不大。此外，隧道襯砌的沉降規(guī)律與錨桿變形規(guī)律相似，對(duì)隧道截面進(jìn)行判別時(shí)可將兩者進(jìn)行歸并。

2.2.3 不同隧道截面下掌子面前方圍巖應(yīng)力分布

研究隧道截面對(duì)掌子面前方圍巖應(yīng)力分布的影響時(shí)，分2個(gè)方面進(jìn)行分析：首先探究不同開挖深度下掌子面前方圍巖的應(yīng)力分布，以隧道開挖至隧道中間部位為研究對(duì)象，即分析模型完成了5個(gè)開挖進(jìn)尺；其次研究不同斷面尺寸下掌子面前方（每個(gè)工況第五分析步）圍巖的應(yīng)力分布。最后提取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到不同斷面尺寸掌子面前方圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。其分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著掌子面的向前推進(jìn)，目標(biāo)圍巖的壓力呈“先小幅減小，后發(fā)生突增”的規(guī)律，當(dāng)掌子面接近目標(biāo)截面時(shí)圍巖壓力急劇增加，此時(shí)工況一的圍巖壓力達(dá)到最大值，為474 kN。對(duì)圍巖壓力進(jìn)行分析可知：3類隧道截面下進(jìn)行隧道開挖得出的圍巖壓力變化規(guī)律相同。其中，隧道圍巖壓力在0.5倍洞徑范圍的變化最大。實(shí)際施工時(shí)由于二襯施加的滯后性，使得拱頂出現(xiàn)應(yīng)力集中，得出的壓力曲線也不像模型曲線這么光滑，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)拐點(diǎn)。因此在實(shí)際工程中應(yīng)加快二襯施作的速度，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。

以隧道截面尺寸進(jìn)行分析可知：隧道截面的變化對(duì)隧道圍巖壓力的影響不大，進(jìn)行隧道截面選取時(shí)可將其視為備用參考指標(biāo)。

圖3 不同開挖深度下隧道掌子面前方圍巖壓力變化曲線

在探究了不同隧道截面的圍巖壓力最值分布規(guī)律后，接下來再分析目標(biāo)圍巖的壓力分布規(guī)律。3類隧道截面的壓力云圖如圖4～圖6所示。

圖4 工況一隧道圍巖壓力分布云圖

圖5 工況二隧道圍巖壓力分布云圖

圖6 工況三隧道圍巖壓力分布云圖

通過分析隧道圍巖壓力可知：3個(gè)隧道截面的圍巖壓力分布規(guī)律基本相同，都是在拱頂、拱腰及拱趾處出現(xiàn)圍巖壓力最值，此處也最有可能發(fā)生瓦斯泄漏。

從3個(gè)圍巖壓力云圖我們可以看出，中間部分圍巖的壓力作用方向垂直于掌子面且與掘進(jìn)方向同向，周邊圍巖的壓力作用方向雖也垂直于掌子面但與掘進(jìn)方向相反。隨著截面尺寸的增大，正壓力與負(fù)壓力的邊界線越來越規(guī)則，且中間圍巖壓力的值也發(fā)生了較大變化。

從隧道圍巖壓力和隧道截面尺寸來看，隧道尺寸和圍巖壓力未呈線性關(guān)系。其中工況二的壓力最值最小，為最優(yōu)隧道截面。

3 結(jié)語

本文利用Midas軟件的網(wǎng)格組鈍化功能，模擬隧道開挖。對(duì)比了3種隧道截面尺寸下隧道襯砌沉降、錨桿變形及掌子面前方圍巖壓力的變化規(guī)律，通過模擬分析得出瓦斯區(qū)域隧道截面對(duì)施工的影響，對(duì)同類工程施工具有一定的借鑒意義。主要結(jié)果如下：

1）通過對(duì)3類不同隧道截面進(jìn)行分析可知，當(dāng)隧道截面由11.0 m×9.3 m變?yōu)?2.0 m×10.3 m時(shí)，掌子面z向位移值增大近40%，從掌子面的z向位移來看，隧道截面工況一為最優(yōu)選擇。此外，錨桿變形規(guī)律與隧道襯砌的沉降規(guī)律相似，因此，對(duì)隧道截面進(jìn)行選擇時(shí)可將襯砌沉降和錨桿變形的影響進(jìn)行歸并。在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)盡量合理利用空間，避免隧道截面尺寸過大。

2）通過對(duì)比分析瓦斯隧道截面尺寸對(duì)掌子面前方圍巖壓力的影響，得出3種隧道截面下的圍巖壓力分布規(guī)律大致相同，且均在拱頂、拱腰及拱趾處出現(xiàn)圍巖壓力最值的規(guī)律。此處也最有可能發(fā)生瓦斯泄漏，因此在進(jìn)行鉆孔排放瓦斯時(shí)，此區(qū)域應(yīng)作為重點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)。