公路隧道穿越采空區(qū)群穩(wěn)定性分析及加固措施研究*

閆 祥,張成良,龐 鑫,諶 蛟,李明健,李 得

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093; 2.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計研究院,四川 攀枝花 617000; 3.云南云路工程檢測有限公司,云南 昆明 610101)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,隧道工程數(shù)量與日俱增,公路隧道在修建過程中難免穿越一個或多個煤系地層采空區(qū)。煤層采空區(qū)受地層巖性、開采工藝和時間效應(yīng)等因素影響,具有隱蔽性強(qiáng)、規(guī)律性差、巖性軟弱和空間變異性等特點(diǎn),若處置不當(dāng),會對隧道施工安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1],如成渝高速公路巴岳山隧道、縉云山隧道、炮臺山隧道等,在穿越采空區(qū)段均發(fā)生過圍巖變形失穩(wěn),損失慘重[2]。

一些學(xué)者對采空區(qū)穩(wěn)定性開展了大量研究工作。王華玲[3]采用基底注漿措施對隧道下伏傾斜采空區(qū)段進(jìn)行加固,以提高隧道圍巖穩(wěn)定性,研究側(cè)部、頂部、底部采空區(qū)段隧道的施工安全距離;劉國偉等[4]對采空區(qū)與隧道的位置關(guān)系進(jìn)行分析,提出反壓回填掌子面、在采空區(qū)內(nèi)部設(shè)置緩沖層及注漿加固技術(shù),解決了采空區(qū)問題;田嬌等[5]建立相同高度不同跨度、不同高度相同跨度的下伏采空區(qū)模型,分析不同大小采空區(qū)對圍巖的影響,研究結(jié)果表明:采空區(qū)跨度越大,對隧道影響更為顯著。隧道穿越單一上覆或下伏采空區(qū)的加固處理措施已積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)[6-8],但隧道同時穿越多個煤層采空區(qū),采空區(qū)與隧道空間形態(tài)復(fù)雜,采空區(qū)之間距離較近、相互擾動影響大,破壞機(jī)制復(fù)雜,在隧道穿越復(fù)雜采空區(qū)群穩(wěn)定性及加固措施方面,可參考文獻(xiàn)并不多見。本文以隧道穿越煤層采空區(qū)群為研究對象,針對采空區(qū)群的形態(tài)和分布范圍,采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立隧道穿越采空區(qū)群三維實(shí)體模型,研究未加固和加固后隧道圍巖的位移變形規(guī)律,分析不同類型采空區(qū)加固措施對隧道穩(wěn)定性的改善作用,確定合理的加固措施。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證,加固措施起到明顯的改善和加固作用,保證了隧道的施工安全。

1 工程概況

1.1 工程簡介

隧道位于他官營與白兆村交界處,是召瀘高速公路重點(diǎn)工程之一。隧道為分離式隧道,左幅起點(diǎn)樁號為ZK8+420、止點(diǎn)樁號為ZK9+655,全長1 235m,最大埋深116.5m;右幅起點(diǎn)樁號為YK8+410、止點(diǎn)樁號為YK9+643,全長1 233m,最大埋深119.2m。

1.2 水文地質(zhì)條件

隧道主要巖性為砂巖、粉砂巖、頁巖和煤,隧道圍巖等級主要為Ⅴ級。地下水主要為第四系孔隙水類型和基巖裂隙水。含煤地層為上二疊統(tǒng)宣威組,總厚度為121～150m,隧址區(qū)存在4層煤,平均厚度分別為1.98,2.70,2.15,1.10m,總厚度為7.93m。隧道周邊有2處煤礦,宏業(yè)煤礦位于隧道南側(cè),瀘興煤礦位于隧道北側(cè)。隧道周邊私挖亂采及無序開采嚴(yán)重,隧址區(qū)周邊分布不同類型的采空區(qū)。

1.3 采空區(qū)類型特征

采用現(xiàn)場調(diào)查、大地電磁法和鉆探法對隧道周圍采空區(qū)分布情況進(jìn)行精細(xì)探查[9-10],查明后得知隧道左幅ZK9+016—ZK9+100和右幅YK9+016—YK9+100段共存在3個對隧道施工安全影響較大的采空區(qū),分別為1號橫穿隧道采空區(qū)、2號隧道下伏采空區(qū)及3號隧道上覆采空區(qū)。1號采空區(qū)(K9+016—K9+037)位于隧道洞身至底板下方2m,沿隧道走向方向長20.7m,與隧道處于同一平面,橫穿隧道左、右幅,破壞體積約12 000m3,采空區(qū)形成的裂隙已連通至地表。2號采空區(qū)(K9+054—K9+082)位于隧道底板下方約8m,沿隧道走向方向長28.1m,賦存于隧道左右幅正下方,破壞體積約17 000m3,采空區(qū)裂隙連通至地表下方約10m。3號采空區(qū)(K9+086—K9+100)位于隧道拱頂上方約10m,沿隧道走向方向長23.3m,賦存于隧道左右幅正上方,破壞體積約15 000m3,采空區(qū)裂隙已連通至地表。隧道與采空區(qū)群的空間關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道與采空區(qū)群的空間關(guān)系Fig.1 Spatial relationship between tunnel and goaf group

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

以隧道K9+000—K9+120段穿越煤系地層1,2,3號采空區(qū)群為研究對象,地層巖性主要為砂巖、煤、泥質(zhì)粉砂巖。為分析隧道開挖過程中采空區(qū)群對圍巖穩(wěn)定性的影響,采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立隧道穿越采空區(qū)段的三維地質(zhì)實(shí)體模型(見圖2)。穿越采空區(qū)群模型計算范圍為水平方向左右各取2倍最大開挖尺寸,豎直方向上部邊界取至地表,下部取2倍最大開挖尺寸,即模型尺寸長×寬×高為120m×160m×100m,采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分,隧道圍巖網(wǎng)格尺寸為1.8m,地層網(wǎng)格尺寸為2.5m,網(wǎng)格單元總數(shù)144 195個。模型采用莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,各材料的參數(shù)取值如表1所示。

表1 土層及材料參數(shù)Table 1 Soil and material parameters

圖2 三維地質(zhì)實(shí)體模型Fig.2 Geological entity model

2.2 隧道穿越采空區(qū)群分析

2.2.1圍巖位移

隧道穿越單個采空區(qū)及采空區(qū)群的圍巖豎向位移云圖如圖3,4所示,由圖3可知,1,2,3號采空區(qū)頂板最大豎向位移分別為80.5,282,55.5mm。由圖4可知,1,2,3號采空區(qū)頂板最大豎向位移分別為92,285,58mm,豎向位移比隧道穿越單一采空區(qū)時大,說明隧道穿越采空區(qū)群時,受采空區(qū)間相互擾動影響,圍巖變形相應(yīng)增大。

圖3 隧道穿越單個采空區(qū)圍巖豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock of a tunnel passing through a single mined-out area

圖4 隧道穿越采空區(qū)群圍巖豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock of a tunnel passing through goaf group

2.2.2圍巖塑性區(qū)

隧道穿越單個采空區(qū)及采空區(qū)群的圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖5,6所示。由圖5可知,1,2號采空區(qū)塑性區(qū)破壞嚴(yán)重,3號采空區(qū)破壞范圍較小,1,2號采空區(qū)對隧道開挖產(chǎn)生嚴(yán)重影響,3號采空區(qū)影響較小。由圖6可知,隧道穿越采空區(qū)群時,圍巖塑性區(qū)與穿越單個采空區(qū)相比,圍巖塑性區(qū)影響范圍明顯擴(kuò)大,1,2,3號采空區(qū)圍巖塑性區(qū)均已貫通,且范圍較大。

圖5 隧道穿越單個采空區(qū)圍巖塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic distribution in surrounding rock of a tunnel passing through a single goaf

圖6 隧道穿越采空區(qū)群圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic distribution in surrounding rock of the tunnel passing through goaf group

綜上可知,在未采取加固措施條件下,隧道穿越煤層采空區(qū)時,隧道圍巖豎向位移較大,且圍巖塑性區(qū)影響范圍較大。隧道穿越1,2號采空區(qū)時,圍巖變形嚴(yán)重,隧道處于極不穩(wěn)定狀態(tài),隧道穿越3號采空區(qū)時對圍巖影響較弱。在隧道施工至采空區(qū)群位置時應(yīng)對圍巖采取加固措施,確保隧道順利施工。

3 隧道穿越采空區(qū)群加固措施分析

3.1 數(shù)值分析方案

采用地層結(jié)構(gòu)法分別建立1號橫穿隧道采空區(qū)、2號隧道下伏采空區(qū)及3號隧道上覆采空區(qū)三維實(shí)體模型(見圖7),選取典型斷面進(jìn)行分析計算。模型尺寸為(長)30m×(寬)160m×(高)100m,1,2,3號采空區(qū)網(wǎng)格單元總數(shù)分別為52 443,81 733,50 563個。采用莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,假定圍巖初支結(jié)構(gòu)為均質(zhì)連續(xù)體,圍巖為V級,采用預(yù)留核心土三臺階七步法施工,施工進(jìn)尺為1m一個循環(huán)。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈塑性本構(gòu)模型,按照施工順序模擬隧道開挖與支護(hù),1號采空區(qū)采用漿砌片石加固,2號采空區(qū)采用鋼管注漿加固,3號采空區(qū)采用管棚超前注漿加固,各材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。模擬施工過程時,通過提高巖體力學(xué)參數(shù)模擬加固效果。

表2 采空區(qū)段加固材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of reinforcement materials for goaf sections

圖7 隧道穿越不同類型采空區(qū)模型Fig.7 Model of tunnel passing through different types of goafs

3.2 模擬分析結(jié)果

3.2.1圍巖位移

采用不同加固方案對不同類型采空區(qū)進(jìn)行數(shù)值分析,選取左、右幅隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及仰拱部位特征點(diǎn),分析隧道穿越1,2,3號采空區(qū)圍巖豎向位移變形規(guī)律,圍巖豎向位移變化曲線如圖8～10所示。

圖8 1號采空區(qū)加固后圍巖豎向位移Fig.8 Vertical displacement of surrounding rock after reinforcement of No.1 goaf

由圖8可知,豎向位移主要發(fā)生在拱頂和仰拱處,提取未加固和漿砌片石加固后的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂值(見表3)。對1號采空區(qū)進(jìn)行漿砌片石加固后可大幅減小隧道拱頂圍巖的沉降變形,對隧道周邊和仰拱變形具有明顯的改善作用。

表3 1號采空區(qū)未加固與加固位移對比Table 3 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.1 goaf

由圖9可知,豎向位移主要發(fā)生在拱頂和仰拱部位,且變形值較大。提取未加固和鋼管注漿加固后的仰拱隆起、拱頂沉降和水平收斂值(見表4)。由表4可知,隧道拱頂沉降、水平收斂及仰拱隆起變形得到明顯改善,2號采空區(qū)進(jìn)行鋼管注漿加固能很好地控制圍巖變形。

表4 2號采空區(qū)未加固與加固位移對比Table 4 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.2 goaf

由圖10可知,豎向位移主要發(fā)生在拱頂和仰拱部位,且變形值較大,分別提取未加固和管棚超前注漿加固后地拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂值(見表5)。由表5可知,對3號采空區(qū)施作管棚超前注漿加固能有效降低拱頂沉降值,明顯改善圍巖的力學(xué)性質(zhì),減小隧道圍巖的變形。

表5 3號采空區(qū)未加固與加固位移對比Table 5 Comparison of displacement between unreinforced and reinforced No.3 goaf

圖10 3號采空區(qū)加固后圍巖豎向位移Fig.10 Vertical displacement of surrounding rock after reinforcement of No.3 goaf

3.2.2圍巖塑性區(qū)

1,2,3號采空區(qū)加固后隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖11所示。由圖11可知,采取不同加固措施后,塑性區(qū)范圍及塑性區(qū)應(yīng)變比未加固前大幅減小,且塑性區(qū)未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象,圍巖穩(wěn)定性大幅提高。

圖11 采空區(qū)加固后隧道圍巖塑性區(qū)分布Fig.11 Plastic distribution in tunnel surrounding rock after reinforcement of goaf

綜上可知,圍巖加固后,隧道拱頂沉降、周邊收斂、仰拱隆起等變形量顯著減小,塑性區(qū)范圍大幅減小且未出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。這表明加固措施對圍巖變形能起到很好的控制作用,可大幅提高隧道穩(wěn)定性,從而保證隧道穿越采空區(qū)群施工安全。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

4.1 加固措施

隧道穿越1,2,3號3種不同類型采空區(qū)時,對應(yīng)加固治理措施如下[11-12]。

1)1號采空區(qū)位于隧道洞身至底板下方約2m位置處,與隧道處于同一平面,橫穿隧道左、右幅。采用漿砌片石對采空區(qū)進(jìn)行加固,提高隧道開挖后采空區(qū)圍巖的支撐強(qiáng)度,防止圍巖出現(xiàn)過大變形。

2)2號采空區(qū)位于隧道下方,采空區(qū)裂隙已連通至地表以下約10m。通過該采空區(qū)時采用鋼管注漿法對隧道底板圍巖下伏的2號采空區(qū)進(jìn)行加固,提高底板下伏采空區(qū)圍巖的力學(xué)性質(zhì),使其具備足夠的承載力,防止底板圍巖沉降。

3)3號采空區(qū)位于隧道上方,裂隙已連通至地表。在隧道拱部約120°范圍內(nèi)實(shí)施φ76×6超前管棚支護(hù)措施,采用管內(nèi)注漿,在拱頂形成混凝土護(hù)拱,對隧道上覆3號采空區(qū)進(jìn)行加固。

4.2 處置效果分析

對隧道不同類型采空區(qū)進(jìn)行加固處理后,采用拓普康GM-52型全站儀、JSS30A型收斂儀對K9+020斷面拱頂沉降及周邊位移進(jìn)行監(jiān)測,位移隨時間變化曲線如圖12,13所示。

圖12 K9+020斷面拱頂沉降位移-時間曲線Fig.12 Displacement-time curve of K9+020 section

圖13 K9+020斷面周邊收斂位移-時間曲線Fig.13 Displacement-time curve around K9+020 section

由圖12,13可知,K9+020斷面拱頂沉降最大位移為18mm,周邊收斂最大位移為16mm,現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果具有較高的一致性。在其他斷面布置了相應(yīng)的觀測點(diǎn),累計位移量均小于50mm,圍巖總體位移符合規(guī)范要求,表明隧道處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時對施工過程的初支及二襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行表觀觀測,初支混凝土未見明顯的掉塊及開裂現(xiàn)象;二襯未見明顯的裂縫及破損現(xiàn)象。工程實(shí)踐表明:采用的加固措施合理,能有效控制隧道圍巖變形,確保隧道施工安全。

5 結(jié)語

本文以公路隧道穿越煤層采空區(qū)群為研究對象,針對采空區(qū)群的空間形態(tài)特點(diǎn),建立隧道穿越采空區(qū)群的單個和整體三維模型,研究隧道穿越煤層采空區(qū)群的穩(wěn)定性,探討采空區(qū)無加固和采取加固措施時隧道圍巖的力學(xué)行為及變形規(guī)律,提出采空區(qū)群的加固措施,并進(jìn)行工程驗(yàn)證,得到如下結(jié)論。

1)有限元軟件模擬結(jié)果顯示,未采取加固措施時,隧道圍巖變形位移明顯,圍巖塑性區(qū)與1～3號3個采空區(qū)塑性區(qū)均已貫通,圍巖破壞嚴(yán)重;對比分析有無加固措施情況下圍巖的塑性區(qū)范圍及位移變化規(guī)律,采取加固措施工況下,圍巖豎向變形、側(cè)向變形量大幅減小,塑性區(qū)范圍明顯減小,未產(chǎn)生貫通現(xiàn)象。

2)針對3種不同類型采空區(qū)的特點(diǎn)分別提出采用漿砌片石、鋼管注漿和超前管棚注漿加固的采空區(qū)處置方案。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明:采空區(qū)段隧道圍巖未出現(xiàn)過大變形及開裂,圍巖總體變形在規(guī)程的允許范圍內(nèi)。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明圍巖總體位移量和變形規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好,說明數(shù)值模擬具有良好的可靠性。