礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測研究①

關(guān)祥宏

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063）

礦山隧道掘進(jìn)包括隧道內(nèi)的施工測量防線、洞身開挖、棄渣運輸?shù)裙ば颍?］。 其中洞身開挖使用的機(jī)械設(shè)備會對礦山隧道圍巖穩(wěn)定性造成影響，若事先未進(jìn)行巖石驗證，會對后期礦山隧道帶來一定的安全隱患［2］。 因此，對礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測具有重要意義。

對礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，既可以確定礦山開采方式，又可以為礦山安全開采提供可靠參考。 近年來，我國學(xué)者針對礦山隧道掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究［3-7］。 本文在考慮礦區(qū)隧道圍巖級別的同時，以礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)特征為基礎(chǔ)，采用對數(shù)螺線法對礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以隧道圍巖沉降、位移與埋深的關(guān)系為研究對象，進(jìn)行了礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測驗證。

1 工況概述

此次研究對象為湖北省地下深部煤礦礦山隧道，該煤礦井田中含有一條地下800 m 軌道開拓巷道，巷道的主要作用是行人通行、通風(fēng)以及資源運輸。 巷道所在圍巖為粉細(xì)砂巖，在隧道不斷掘進(jìn)過程中，由于巷道較深，受到明顯的構(gòu)造應(yīng)力作用，導(dǎo)致隧道圍巖嚴(yán)重變形形成破碎區(qū)，因此對該礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 礦山隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 隧道圍巖關(guān)鍵塊力學(xué)模型

隧道圍巖在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的振動作用在周圍圍巖上，導(dǎo)致周圍圍巖形成裂痕嚴(yán)重時會出現(xiàn)破裂。 而相比近距離的掘進(jìn)，較遠(yuǎn)處的圍巖卻處于彈性介質(zhì)范圍內(nèi)［8］。 因此，一般礦區(qū)開發(fā)的隧道圍巖應(yīng)力場能夠使用經(jīng)典的彈性力學(xué)模型，即假設(shè)圍巖巖體處于介質(zhì)連續(xù)均勻狀態(tài)，符合彈性范圍，則礦區(qū)隧道圍巖關(guān)鍵塊受力情況如圖1 所示。 圖中r為隧道中心O到圍巖裂痕的距離，m；a為圓形隧道半徑，m。

圖1 圓形隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)示意

2.1.1 關(guān)鍵塊側(cè)面平均正應(yīng)力

隧道圍巖靜態(tài)應(yīng)力場中不同角度力的計算表達(dá)式分別為：

式中σx＝k0σz，σz為抗壓強(qiáng)度，MPa。

在隧道頂部圍巖處，θ＝90°，當(dāng)r＝a時，σθ＝-σz＋3σx；當(dāng)r＝2a時當(dāng)圍巖的有效水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值k0不同時，隧道掘進(jìn)過程中圍巖頂部的環(huán)向正應(yīng)力σθ可能為拉應(yīng)力。 依據(jù)有關(guān)調(diào)查研究分析可知，在埋深400 m 左右處進(jìn)行掘進(jìn)時，不同種類的圍巖具備不同的側(cè)壓系數(shù)，其中巖漿巖層側(cè)壓系數(shù)最大，變質(zhì)巖層的側(cè)壓系數(shù)最小，沉積巖則處于此二者之間［9］。

一般情況下，設(shè)置隧道底部的圍巖測壓次數(shù)在0.8～6 之間，變質(zhì)巖在0.7～4 之間，沉積巖在0.5～4 之間。 可見，k0＞1／3 時，則-σz＋3σx＞0，當(dāng)隧道頂部圍巖處于壓應(yīng)力狀態(tài)，通過積分運算，得到關(guān)鍵圍巖塊體的側(cè)面平均正應(yīng)力σ計算式為：

式中h為關(guān)鍵塊的高度，m。 由此可以看出，圍巖關(guān)鍵塊體側(cè)向平均正應(yīng)力的值與埋深、洞徑及關(guān)鍵塊體高度相關(guān)。

2.1.2 關(guān)鍵塊體臨界荷載

當(dāng)圍巖關(guān)鍵塊是長方體時，設(shè)置其高度為h，底面長為b、寬為d，則在掘進(jìn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)擾動荷載時，關(guān)鍵塊受力如圖2 所示。 圖中G為塊體自身重力；f1、f2為從不同面受到的沖擊力。

圖2 圍巖頂部關(guān)鍵塊體受力圖

關(guān)鍵塊體的自重：

式中γ為塊體數(shù)量。

在彈性力學(xué)中，接觸面正應(yīng)力相等的條件下，能夠獲取關(guān)鍵塊體上表面靜態(tài)壓力為：

式中η為接觸面正應(yīng)力，MPa。

此時忽略掘進(jìn)機(jī)自身對塊體側(cè)向產(chǎn)生的振動作用，依據(jù)掘進(jìn)速度導(dǎo)致的振動作用，得到關(guān)鍵塊體上的荷載與豎向速度關(guān)系式為：

式中ρ為圍巖密度，kN／m3；Cp為塊體結(jié)構(gòu)面的粘聚力，MPa；V為豎向振動速度，m／s。

關(guān)鍵體側(cè)面阻滑力分為兩部分，以x軸法向側(cè)面阻滑力表達(dá)式為：

式中φ為結(jié)構(gòu)面壁巖的內(nèi)摩擦角，（°）；C為結(jié)構(gòu)面壁巖的粘聚力，MPa；β為結(jié)構(gòu)面抗剪力系數(shù)，與結(jié)構(gòu)面中凸起體大小和數(shù)量有關(guān)。

假定礦區(qū)隧道掘進(jìn)過程中兩個水平方向的壓力相等：σy＝σx［10］，以y軸法向側(cè)面阻滑力的表達(dá)式為：那么聯(lián)立兩個方向的側(cè)向阻力為：

依據(jù)剛體平衡原理，掘進(jìn)過程中關(guān)鍵塊遇到擾動荷載時，達(dá)到臨界平衡條件為：

2.2 圍巖剪切支護(hù)阻力矩分析

圖3 圍巖最大切應(yīng)力區(qū)關(guān)鍵塊體受力圖

由彈性力學(xué)理論可以得到圓形隧道圍巖的剪切應(yīng)力解，取最大切應(yīng)力區(qū)位于45°處的塊體進(jìn)行受力分析，如圖3 所示。地應(yīng)力場產(chǎn)生的剪應(yīng)力在塊體兩側(cè)呈徑向平衡，導(dǎo)致塊體發(fā)生剪切旋轉(zhuǎn)［11］。 因此，依據(jù)推導(dǎo)結(jié)果和隧道的徑向剛體平衡原理，能夠得到剪應(yīng)力區(qū)塊體振動速度的計算公式為：其中：

在隧道掘進(jìn)過程中圍巖的掌子面存在不穩(wěn)定因素，主要包括前方產(chǎn)生的滑動土塊的自重Wf及滑動土塊上部松動區(qū)域的松動土壓Q，將以上力對O 點取力矩平衡，就可以得到開挖面的穩(wěn)定系數(shù)：

式中Mz為約束措施產(chǎn)生的支護(hù)阻力矩，N·m；Mt為土體抗力矩，N·m；Mf為滑動土體自重力矩，N·m；MQ為松動土力矩，N·m。 在不加約束時，若要預(yù)測掌子面的穩(wěn)定性，則掘進(jìn)面的穩(wěn)定系數(shù)為1，其力矩應(yīng)滿足平衡條件：

對數(shù)螺線的方程為：Mf計算公式為：

計算松動土壓力矩MQ：

式中q為荷載，kN／m2；q0為地面荷載，kN／m2；K0為有效水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值；H為隧道掘進(jìn)的垂直影響范圍。

圍巖體抗剪強(qiáng)度為：

計算圍巖體抗力矩Mt：

當(dāng)Mt＜Mf＋MQ時，顯然此時隧道掌子面處于危險狀態(tài)，一般需要給予加固約束措施才能保證掘進(jìn)過程中掌子面的穩(wěn)定性。

支護(hù)阻力矩的計算公式為：

以上判定條件皆是基于掌子面無任何人工支護(hù)或支護(hù)阻力的情況下圍巖的穩(wěn)定性分析，而實際上在礦區(qū)隧道掘進(jìn)過程中，一般要做到超前支護(hù)措施，而ADECO?RS 施工時更有超前預(yù)約束措施，其范圍達(dá)到隧道開挖寬度的2～4 倍。

3 穩(wěn)定性監(jiān)測驗證

礦區(qū)隧道掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性的動態(tài)監(jiān)測主要通過監(jiān)測掘進(jìn)過程中隧道圍巖產(chǎn)生的振動位移來研究穩(wěn)定性。 對此，在掘進(jìn)之前埋設(shè)監(jiān)測點，在掘進(jìn)的同時采集位移值，其監(jiān)測點布置如圖4 所示。 每間隔5 min 監(jiān)測1 次，持續(xù)監(jiān)測3 d。

圖4 測點分布圖

實驗建模過程中，需要考慮掘進(jìn)對隧道圍巖產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，確定隧道模型的橫斷面兩側(cè)及下部分為3 倍洞徑，上部為實際地表。 模型邊界四周約束水平方向，底部約束豎直方向，上部為自由面，圍巖模型如圖5 所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

通過數(shù)值模擬得到礦區(qū)隧道掘進(jìn)圍巖位移的理想模型和實際得到位移模型如圖6 所示。

圖6 數(shù)值模擬模型

由圖6 可以看出，在掘進(jìn)過程中礦區(qū)隧道圍巖發(fā)生破壞主要集中在側(cè)面及底板處。 此外，隧道的拱腰處和拱肩處均產(chǎn)生了破損情況。 由以上分析可以看出，在掘進(jìn)過程中應(yīng)在側(cè)壁及底板處加強(qiáng)支護(hù)，提高錨噴強(qiáng)度以提高圍巖穩(wěn)定性。

經(jīng)3 d 持續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)可直接將圍巖級別、埋深位移值進(jìn)行提取，繪制出礦區(qū)隧道圍巖相對變形在不同級別及埋深下的關(guān)系圖如圖7 所示。 從圖7 可以看出，共同規(guī)律是相對位移都隨埋深增加而增加，隨著圍巖級別降低而減小。 且各圍巖界別之間并沒有明顯的界限，也印證了各圍巖級別的位移是在一定范圍內(nèi)。由此可知，隧道埋深在150 m 下，位移取100 ～200 m埋深段的中間值，則拱腳數(shù)量位移Ⅲ級為0.097 6%，Ⅳ級為0.169 6%，Ⅴ級為0.235 2%，此數(shù)據(jù)在此只作為定性論證。

圖7 沉降與埋深關(guān)系散點圖

不同圍巖級別下的周邊相對位移與隧道埋深的關(guān)系圖如圖8 所示。

圖8 位移與埋深關(guān)系圖

從圖8 可以看出，位移的變化規(guī)律符合不同圍巖級別與埋深的基本規(guī)律，側(cè)壁位移及底部位移均隨著埋深增加而增加，其中Ⅲ級圍巖位移變化較為顯著，且呈現(xiàn)規(guī)律性變化。 顯然，各級圍巖的周邊位移量與埋深的相關(guān)性很強(qiáng)，可以根據(jù)回歸的方式尋求這其中的關(guān)系。

4 結(jié) 論

利用對數(shù)螺線法可以有效地確定圍巖的穩(wěn)定性，同時可知：側(cè)壁、底部沉降與埋深呈線性關(guān)系；側(cè)壁、底部位移與埋深呈線性關(guān)系；礦區(qū)隧道掘進(jìn)過程可通過降低沉降或減少位移來增加圍巖穩(wěn)定性。