下伏采空区隧道变形稳定性与治理数值分析

韩宪军,朱昌星,孟小欢,王钦亭

(1.河南理工大学土木工程学院， 河南焦作454000；2.河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室， 河南焦作454000；3.河南五建建设集团有限公司， 河南郑州450007)



下伏采空区隧道变形稳定性与治理数值分析

韩宪军1,2,朱昌星1,2,孟小欢3,王钦亭1

(1.河南理工大学土木工程学院， 河南焦作454000；2.河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室， 河南焦作454000；3.河南五建建设集团有限公司， 河南郑州450007)

摘要：在采空区上方修建铁路隧道时，隧道围岩的稳定性与地下采空区必然产生相互影响。针对某铁路隧道下伏采空区的实际情况，采用FLAC3D数值分析平台，对隧道围岩变形和采空区治理措施进行模拟分析。模拟结果表明，与无下伏采空区情况相比，下伏采空区的存在对隧道拱顶部位围岩沉降量及水平应力影响较大，大小分别由18.00 mm、3.50 MPa增大到30.75 mm和4.00 MPa，增幅分别约为71%和15%，模拟得到的结果与工程中实际存在的情况基本吻合；同时提出的采空区隧道综合治理方案是可行的，可以取得良好的治理效果，位移沉降量降幅达到了40%，可为类似工程提供参考。

关键词：采空区；隧道；FLAC3D；变形稳定性；治理；数值分析

在自然资源的长期开采与利用的同时，形成了大量的采空区。采空区的存在不但对周围的环境产生了平地积水、地基沉陷、房屋倒塌等不利影响；同时也给采空区的大量存在也为相应区域范围内公路工程、铁路工程和隧道工程后期的设计与施工，特别是正常运营带来了困难[1-4]。因而研究采空区上覆岩层移动规律及其对上部工程结构的影响具有重要的理论意义和广泛的工程应用价值。

从20世纪80年代开始，国内外学者[1-3]相继对采空区等地下空洞对公路工程、矿山井巷工程、隧道工程等的危害性问题进行了研究。就目前国内的研究现状来看，主要采用相似材料与数值模拟相结合的研究方法。如童立元等[1]对国内外高速公路下伏采空区的研究现状进行了系统分析，并提出了有待进一步研究的方向；黄明等[5]、徐洪等[6]、LIU X Y等[7]、YANG Z H等[8]、李晓红等[9]总结了采空区处理的原则和方法，分别就下伏采空区对隧道或边坡稳定性的影响进行了探讨；李治国[10]依据采空区病害的工程地质条件，分析了铁山隧道采空区顶板岩层的变形和破坏机理，并研究了采空区治理技术。近年来，随着科学技术的飞速发展，特别是计算机软硬件水平的快速提升为采空区的理论分析与工程实践研究带来了一个新的契机。国内众多研究者采用数值模拟方法，探讨了采空区影响条件下隧道结构[9-10]、公路路基[11]、采空区的变形特点及稳定性问题[12-14]，并就相关工程结构和围岩稳定性提出了卓有成效的处治方法。在前人研究的基础上,本文基于FLAC3D软件平台对某采空区段隧道[13]进行稳定性分析，并就提出的治理措施展开数值模拟研究，以期为该隧道及类似隧道工程的正常运营和后期治理提供参考依据。

1工程背景

图1　断面图Fig.1　Cross-section diagram

陕西某煤矿运煤专线隧道[15]，全长1 730 m，坡度7.3‰；东西进、出口端桩号分别为K4+830和K6+560，进、出口端的高程分别为915.40和928.10 m。隧道路肩埋深范围为137～170 m。在隧道周边分布有十余处不同时期的采煤点，多已闭坑或废弃。在正常使用过程中，桩号K5+600～K5+820之间隧道底板围岩出现了沉陷和衬砌开裂现象；顶板也有不同程度的裂缝与垮落变形出现；侧壁出现了数条与其轴线方向基本一致的裂缝，缝宽5～20 mm不等，最大延展长度达220 m。现场勘查发现，隧道路肩以下15～20 m范围内存在着一个煤层采空区，厚度2.7～2.8 m，处于局部填充或空腔状态，由此产生的严重变形已经威胁到了隧道的安全运营。隧道断面如图1所示。

2变形稳定性数值模拟

FLAC3D[16](Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua) 是由美国ITASCA公司开发的一款连续介质快速拉格朗日差分分析软件，主要应用于岩土体力学计算领域。FLAC3D具有强大的计算处理功能，为用户提供了非常丰富的材料模型和多种初始单元模型。用户通过对这些不同单元的组合、连接建立三维工程地质模型来模拟隧道、边坡、基坑等结构单元。此外，用户还可基于FLAC3D内置的FISH语言方便地对已建立的地质模型模拟分析。

2.1模型尺寸及边界条件

图2　模型图Fig.2　Model diagram

由于该隧道中部位置南侧K5+660～K5+820采空较为严重，下伏采空区位于隧道肩部以下15～20 m范围内，计算模型的边界条件严格按照隧道力学分析结果限定。根据隧道开挖影响范围，模型的横向边界到隧道外侧的距离均应超过5倍洞径，模型下边界到隧道底边的距离大于3倍洞径[15-17]，隧道模型左右边界为X向，轴线方向为Y向，上下边界为Z向，整个模型尺寸为X×Y×Z=56 m×50 m×70 m。采用FLAC3D有限差分程序生成的数值分析模型如图2所示，共有82 530个单元，87 761个节点。模型侧面采用定向支座限制其水平位移，底部采用固定支座限制其水平和垂直位移，上边界为自由边界，因该边界不是地表面，所以应施加初始地应力，大小为3.1 MPa。

2.2屈服准则

岩土体的结构及其力学特性往往非常复杂，在外力的作用下，岩土体不仅会产生弹性变形，同时还会产生不可恢复的塑性变形。在FLAC3D模拟计算时，模型所有单元均采用实体单元，衬砌材料为线弹性本构模型，各个岩土层均采用岩土材料普遍适用的Mohr-Coulomb准则[15-18]，即：

(1)

或：

(2)

2.3岩土层物理力学参数选取

根据已有的地质勘探资料可知，隧道所处位置的地层从上到下分为8层，分别为：

第1层 粉质粘土，厚度2.4 m，黄褐色，松散、稍湿、空隙发育，含大量植物根系，坡积形成。

第2层 黄土，厚度33.3 m，褐黄色，硬塑，土质均一，有针状空隙发育，局部含大量结核，结核粒径2～6 cm。

第3层 粘土，厚度7.9 m，红褐色，硬塑，含大量结核，最大粒径3～6 cm，占25%～40%。

第4层 砂岩(全风化)，厚度49.4 m，褐红色，成分以石英、长石和云母为主，中粗结构，水平层理，泥钙质胶结，岩芯呈块状。

第5层 砂岩(弱风化)，厚度7 m，褐黄色，颜色由灰白色渐变至褐黄色、褐红色，中粗粒结构，成分以石英、长石、云母为主。泥钙质胶结，具水平层理。

第6层 砂岩，厚度7 m，以石英、长石、云母为主。细粒结构，具有水平层理，泥钙质胶结。

第7层 煤层/采空区，厚度2.8 m，煤层部分，深黑色，破碎，岩芯较破碎，呈块状；采空区部分，空洞，可见煤渣与松散碎石。

第8层 砂岩，厚度5 m，灰白色，密实，弱风化。以石英、长石、云母为主。细粒结构，具水平层理，泥钙质胶结。

鉴于采空区段地质条件的复杂性，隧道的埋深较大，土层较多，为建模方便将岩土层分为5层，结合现场实测地质资料并参考文献[19-20]的做法确定了采空区冒落破碎岩体及上部破碎带范围，各个岩土材料和隧道所用支护材料的物理力学参数如表1和表2所示。

表1　岩土材料物理力学参数

1.采空区参数参考文献[19-20]取值。

表2　隧道支护材料物理力学参数

2.4计算结果分析

基于上述模型，对隧道底部存在采空区与不存在采空区两种情况进行了模拟，现从位移场和应力场两个方面对模拟结果分析如下。

①位移场分析

对隧道存在采空区与不存在采空区两种情况位移场的模拟计算结果如图3和图4所示，隧道的两侧主要以水平位移为主，隧道的拱顶和底部位置主要以垂直位移为主。

(a) 无采空区 (b) 有采空区

从图3(a)可以看出，当不存在下伏采空区时隧道拱顶围岩的沉降位移最大，达到了18.00 mm，隧道两侧围岩的位移量基本一致，约为15 mm左右，位移的方向主要指向隧道内部。从图3(b)可以看出，当隧道存在下伏采空区时采空区的顶板部位发生了垮落变形，变形量由18.00 mm左右增大到30.75 mm，增幅约71%。隧道的拱顶部位发生了严重沉降，隧道拱顶下沉量达到了27.00 mm，隧道两侧围岩位移量达到了28.00 mm左右，隧道底板围岩部位也发生较大程度的沉降，最大沉降量约为20.00 mm。

②应力场分析

在隧道建造之前，下部已经过煤矿开采，在此过程中煤层巷道的围岩已经发生了扰动，巷道围岩经历了应力重新分布，虽然围岩达到了平衡状态，但其强度水平与开采之前相比降低了很多。此外，在隧道开挖过程中，引发周边岩体产生了二次扰动，隧道围岩的水平和垂直应力情况如图4和图5所示。

从图4(a)可以看出，当隧道不存在下伏采空区时最大压应力出现在了隧道的拱顶围岩部位，最大压应力达到了约3.50 MPa，隧道两侧附近围岩的压应力也达到了1.50 MPa左右，隧道衬砌结构的压应力也达到了1.00 MPa。从图4(b)可以看出，当隧道存在下伏采空区时隧道拱顶围岩部位压应力变化较大，由3.50 MPa 增大到4.00 MPa，增幅约为15%，隧道采空区部位压应力也比较大，约为3.50 MPa，隧道两侧附近处的围岩也现了较大的压应力，约为3.20 MPa。

从图5(a)可以看出，当隧道不存在下伏采空区时模型的最大压应力出现在隧道两侧附近的围岩，压应力约为4.19 MPa，隧道拱顶和底板附近围岩的压应力基本一致，约为3.50 MPa。从图5(b)可以看出，当隧道存在下伏采空区时最大压应力出现在隧道采空区的两侧部位，约为4.50 MPa，隧道两侧附近围岩的压应力约为4.50 MPa，隧道拱顶和底板附近围岩的压应力约为3.50 MPa。

(a) 无采空区 (b) 有采空区

(a) 无采空区 (b) 有采空区

3治理技术分析

鉴于该隧道出现的变形破坏情况，参考已有的研究成果[22]，决定对其进行综合治理。

3.1治理方案

结合隧道的水文地质条件、煤层采空区高度、顶板垮落变形及隧道衬砌结构的破坏特点，可采取先加固采空区破碎的岩层，然后加固隧道围岩，最后对隧道衬砌结构的裂缝进行修复的技术措施对隧道进行加固治理。具体的治理方案简述如下：

①采用注浆回灌填充采空区，将影响隧道稳定性范围内的采空区填充、密实，以达到消灭地层空腔、增加采空区结石岩体强度(要求固结强度达到2.0～3.0 MPa)的目的，从而来控制采空区顶板塌落和隧道围岩的后续变形量。沿隧道南侧路肩位置布置一排共45个向南倾斜15°的封闭钻孔，孔径Φ146 mm，孔深21m，间距5 m；沿隧道南侧路肩位置，布置一排共15个垂直小导管注浆钻孔，孔径Φ42 mm，孔深20 m，间距15 m；沿隧道北侧路肩位置，布置一排共8个向北倾斜15°的检测孔，孔深21 m，钻孔间距30 m。注浆参数为水灰比1∶1，注浆芯管为内径7.5 mm、外径为10 mm的钢管或尼龙管，注浆压力为1.0～2.5 MPa。在规定的注浆压力情况下，耗浆量<10 L/min且连续灌注时间不少于10 min，即可停止灌浆。

②采空区注回灌浆填充完成后，对由于受采空区影响而发生衬砌结构破坏的隧道K5+600～K5+820段施做中空注浆锚索，以加固隧道围岩。隧道断面锚索的布置(断面见图1)间排距均为 3 m，锚索轴向垂直于索头位置隧道衬砌结构面。锚索安装孔径32 mm，采用Φ22 mm钢绞线制作锚索，每根锚索使用2 卷 MSZ2850 中速树脂锚固剂。

③最后，对存在裂缝的衬砌结构，根据其裂缝宽度的不同采用不同的处理方法进行修复处理。

3.2治理效果模拟及评价

结合该隧道的水文地质条将隧道下伏采空区采取注浆回灌填充措施后，为验证治理效果，需要对注浆回灌填充后的隧道下伏采空区进行数值模拟分析，并将模拟结果与注浆前的采空区的围岩位移分布情况进行对比分析。模拟过程中采用Shell结构单元模拟注浆，并通过提高锚注范围内围岩体的抗剪参数来模拟锚注效果。

①两种情况下的位移场分析

注浆前后下伏采空区隧道围岩的位移等值线图如图6所示。

从图6可以看出，未经注浆填充处理的采空区，采空区顶部的围岩发生了较大的位移，位移量约为50.00 mm，隧道整体也发生了下沉，下沉量约为40.00 mm，隧道衬砌结构肩部局部位移也达到了40.00 mm。经过注浆填充的采空区，采空区顶部围岩的位移量约为30.00 mm，相比未经注浆填充处理的采空区顶部围岩位移量(50.00 mm)来说，位移量减少了20.00 mm，位移降低量达到了40%。隧道围岩的位移量约为30.00 mm，衬砌结构两侧肩部局部位移达到了30.00 mm，相比未经注浆填充处理的采空区的位移量(40.00 mm)来说，位移量减少了10 mm，位移降低量达到了25%。

(a) 注浆前 (b) 注浆后

②两种情况下的关键点位移场变化

为进一步了解两种不同情况下的隧道围岩的位移变化情况，在数值建模计算分析的过程中，分别对隧道的底角、拱腰、拱顶和底板等部位设置了4个测点监测两种情况下的隧道围岩位移变化，并将监测得到的数据经过处理，得到了两种不同情况下的隧道围岩位移变化图，如图7所示。

从图7可以看出，经过对隧道下伏采空区注浆填充处理后，隧道围岩关键点的位移量明显减小，比较图中各相应关键点曲线平稳后的数据可知位移减小幅度大约在25%～40%左右，与图6结果一致。这说明采用注浆填充的方法对该隧道下伏采空区的处理是有效的。

(a) 注浆前

(b) 注浆后

图7注浆前后采空区隧道关键点位移

Fig.7Displacement of some key points under grouting goaf of surrounding rocks or not

4结论

结合是否存在下伏采空区两种情况的数值模拟，对隧道的位移场和应力场进行对比分析，并针对该隧道下伏采空区变形控制提出的治理技术进行了模拟，可得到如下结论：

①与无下伏采空区情况相比，下伏采空区的存在对隧道拱顶、底部以及隧道两侧等部位围岩位移无明显增大，但隧道拱顶围岩沉降量变化较大，由18.00 mm增大为30.75 mm，增幅约为71%，说明采空区的存在对隧道拱顶变形影响显著。

②下伏采空区存在时，隧道围岩的垂直应力分布基本吻合，但水平应力与无采空区隧道相比明显增大，由3.50 MPa增大到4.00 MPa，增幅约为15%，说明采空区的存在对隧道围岩水平应力场影响不可忽略。

③下伏采空区的存在对铁路隧道的结构和围岩稳定性的影响是显著的，同时由于铁路隧道在运营过程中的运输量比较大，隧道承受的动荷载也很大，这也加剧了隧道的衬砌和底板结构的破坏与沉陷。

④综合运用注浆充填外加锚索强化综合治理方案能够有效地控制隧道围岩的进一步变形，可取得良好的治理效果，采空区顶部围岩位移量由50.00 mm降低为30.00 mm，位移降低量达到了40%。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Numerical analysis on stability and treatment for deformation of underlying goaf tunnel

HAN Xian-jun1,2, ZHU Chang-xing1,2, MENG Xiao-huan3, WANG Qin-ting1

(1.School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

2.Opening Laboratory for Deep Mine Construction, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

3.Henan Wujian Construction Group Co.Ltd., Zhengzhou 450007, China)

Abstract:The stability of surrounding rocks and the underground goafs will be inevitably influenced by each other when railway tunnels locate above goafs. Based on the numerical analysis platform FLAC3D, a tunnel model with lower stratum of goaf and its treatment were simulated and analyzed, respectively. The simulation results show that the goaf has a large influence on the deformation stability and horizontal stresses of the tunnel’s top arch surrounding rocks, which increases their values from 15 mm and 3.50 MPa to 30.75 mm and 4.00 MPa with the amplitudes of 71 percent and 15 percent, respectively. And the simulation results are basically identical to the measured results. Furthermore, the simulation results also show that the comprehensive treatment proposed is feasible to the tunnel and a good treatment effect can be obtained, and that the settlement displacement decreases 40 percent, which provides a valuable reference for later similar engineering.

Key words:goaf; tunnel; FLAC3D; deformation stability; treatment; numerical analysis

中图分类号：TU457

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0219-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0219

通讯作者：韩宪军(1975—),男,山东邹城人,河南理工大学讲师,博士; E-mail: xjhan-2003@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104057); 河南省教育厅自然科学研究计划项目(2009B130003);河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室开放基金项目( 2012KF-04) ; 河南理工大学博士基金项目(B2009-13)

收稿日期：2015-06-05；

修订日期：2015-12-14

引文格式：韩宪军,朱昌星,孟小欢,等.下伏采空区隧道变形稳定性与治理数值分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：219-227.