水工隧洞与废弃矿洞的稳定性相互影响分析

□黄　凯□陈　楠□张俊峰□王国振（豫东水利工程管理局；河南省水利厅机关服务中心)



水工隧洞与废弃矿洞的稳定性相互影响分析

□黄凯1□陈楠1□张俊峰1□王国振2
（1豫东水利工程管理局；2河南省水利厅机关服务中心)

摘要：岩体的稳定性对水工隧洞的安全运行有着重要的影响，采用差分法结合非线性岩石力学模型，针对老矿区上部水工隧洞的稳定性进行研究，通过不同的研究方案表明：隧洞开挖过程中岩体能够满足自身的稳定要求，但是由于矿洞的长期风化，岩石强度降低，在不进行任何处理措施情况下，隧洞的开挖导致老矿洞顶部出现较大的应力区和塑性区，且矿洞存在可能坍塌的危险；在隧洞开挖前对矿洞采取相应的加固措施，增强矿洞自身的稳定性，可减小隧洞施工对矿洞的影响，从而保证整个工程的正常运行。关键词：水工隧洞；矿洞采空区；围岩稳定性；塑性区

0　前言

围岩的稳定性对隧洞开挖过程及其正常运行有着重要的影响，水利工程中的隧洞在开挖之前首先要探明岩石的力学性能，且根据隧洞的主要功能等相关因素确定其埋藏深度，选取有利的地质条件，以保证隧洞的开挖安全和正常运行。对于岩体较为完整的山体而言，隧洞开挖后稳定性较好；对于含有较多断层、层面、节理等复杂地质条件下的隧洞，隧洞开挖后的稳定性问题较为复杂，不仅要对隧洞所在区域的地质情况进行充分的调查，还要对隧洞围岩的稳定性进行校核。随着数值模拟手段和科学理论水平的提高，可以对复杂岩体条件下的隧洞稳定性进行较好的模拟分析。原先凡等[1]通过有限元程序和FLAC3D对不同埋深和不同断面尺寸隧洞围岩的稳定性进行了模拟分析，得出不同埋深情况下卸荷作用对隧洞围岩变形的影响，断面尺寸对不同埋深情况的隧洞围岩稳定性的影响，并给出了相应的规律。陈庆苏等[2]采用解析计算和数值模拟分析隧道埋深、初始地应力、跨度、侧压力系数、隧道断面形状及岩体物理力学参数对隧道围岩松动压力的影响规律进行了分析。赵大洲等[3]对砂板互层岩体中隧围岩的变形及其对护盾式掘进机的影响进行了研究。郑颖人等[4]采用有限元强度折减法，通过模型试验与数值分析方法对不同埋深下隧洞破坏过程进行了分析。

许多学者针对岩体的节理、断层等复杂条件的隧洞稳定问题进行了大量的研究，得出了许多有意义的结论，但针对于人工开挖矿洞区域兴建隧洞的研究文献很少，特别是对于新中国成立以前的老矿洞，由于未经过合理的开采和相应的处理措施，导致地质条件恶化。本文结合Mohr-Coulomb屈服准则，采用大型岩土工程差分软件flac3d对老矿洞上部开挖隧洞围岩的稳定性进行了模拟分析。

1　数值模型

电站引水隧洞从矿洞的老采空区上方通过，下方为百年老采空区，跨度较大，基本未留矿柱，采空区顶距引水隧洞底板岩石厚度为8.61～20.42 m，隧洞直径4 m，采空区上部隧洞衬砌采用钢筋混凝土（厚40 cm，单层钢筋）。从现场踏勘知，由于风化作用，采空区洞壁、洞顶部分已风化成砂状，由于溶蚀、风化，洞壁、洞顶有塌落现象，不仅对矿山安全造成威胁，而且可能对引水隧洞正常运行造成威胁。

矿洞采空区地层为二叠系下统茅口组（P1m）浅灰～深灰色致密隐晶质灰岩、白云质灰岩，岩体坚硬、完整、连续性好，为中厚层——巨厚层或块状结构。

1.1计算工况

工况一不考虑回填，即认为隧洞运行时，采空区未进行回填处理；工况二考虑矿区回填的影响，即认为隧洞运行时，采空区回填已经完成；计算采用的工况如表1。

表1　计算工况及荷载组合表

1.2岩石力学参数

引水隧洞围岩和旧矿洞岩体的物理力学参数见表2。

表2　材料物理参数表

1.3计算模型

针对工程实际情况及引水隧洞与矿洞的主要影响范围，选取矿洞采空区上部的一段隧洞，计算模型长度为40 m，隧洞直径4 m，衬砌厚度为0.40 m，钢筋混凝土结构。

坐标轴定义：三轴的方向确定如下：

X轴：垂直洞轴线方向，沿洞轴线方向上看从左到右为正；

Z轴：垂直方向，由下至上为正；

Y轴：沿洞轴线方向，符合右手螺旋定则。

数值模拟采用分步方式模拟开挖过程及衬砌。计算模型如图1和图2。

图1　隧洞与矿洞采空区模型整体图

图2　隧洞与矿洞采空区空间相对位置图

3　模拟结果

3.1工况一

本工况考虑隧洞下部采空区的影响，即认为采空区在自身作用下已基本沉降完毕，隧洞开挖后，由于采空区的存在，分析隧洞在正常运行下对周边岩石的影响范围及隧洞自身安全。计算过程分为四步，第一步为计算自重应力场；第二步为开挖隧洞；第三步为施加衬砌；第四步为施加水压力。

3.1.1应力分析

开挖完成后，岩体的最大压应力为-13.1MPa，主要位于隧洞腰线；衬砌完成后，岩体上的最大压应力为-12.7MPa，位于隧洞腰线；施加水荷载以后，岩体上的最大压应力为-12.3MPa，位于隧洞腰线；在整个过程中，岩体和衬砌并未出现明显的拉应力区。图3给出了水压力荷载作用下衬砌的第三主应力图。

图3　水压力荷载作用下第三主应力图

图4　水压力荷载作用下综合位移矢量图

3.1.2位移计算结果

隧洞开挖完成后，洞身岩体竖向位移最大值为1.38 mm，出现在洞底，方向向上，而洞顶最大位移为-1.24 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值为-0.36 mm，出现在洞腰处。衬砌完成后，洞顶岩体竖向位移最大值为-1.25 mm，方向向下，洞底最大位移为1.37 mm，方向向上，即衬砌的完成抑制了岩体位移的进一步扩大。在水荷载作用下，洞底最大位移为1.38 mm，方向向上，而洞顶最大位移为-1.16 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值为-0.32 mm，出现在两侧洞腰。图4给出了水压力荷载作用下衬砌的综合位移图。

3.2工况二

在采空区内进行浆砌石回填，并对采空区上部岩石风化区进行固结灌浆，分析隧洞在正常运行下对周边岩石的影响范围及隧洞自身安全。计算过程分为五步，第一步为计算自重应力场；第二步为浆砌石回填；第三步为开挖隧洞；第四步为施加衬砌；第五步为施加水压力。

3.2.1应力分析

隧洞开挖后，洞身周围岩体出现较大的压应力区，岩体的最大压应力为-13.00 MPa，主要位于隧洞腰线，洞顶和洞底的压应力明显小于隧洞两侧腰线的压应力；两侧岩体压应力值递减较快，在1.50 m的范围内减小到-9.00 MPa左右，在3 m的范围内减小为-6.00 MPa，4 m以外的岩体的压应力变化梯度不大；在开挖过程中的岩体的应力变化较大，开挖完成后，在开挖面上存在较大的压应力。

衬砌完成后，岩体上的最大压应力为-12.53 MPa，位于隧洞腰线。衬砌上出现了压应力区，最大值分布在隧洞腰线，最大压应力为-8 MPa，出现在衬砌外侧与岩体连接部位，而衬砌内侧压应力则较小，不超过-2 MPa。由于衬砌承受了一定的应力，则岩体上的压应力有所减小。

施加水压力后，岩体和衬砌的压应力减小，但是变化较小。岩体上的最大压应力为-12.39 MPa，位于隧洞腰线。衬砌上最大压应力仍出现在隧洞腰线，最大压应力为-7.00 MPa，即在水压力作用下，衬砌上的压应力有所减小。图5给出了水压力荷载作用下衬砌的第三主应力图。

图5　水压力荷载作用下第三主应力图

图6　水压力荷载作用下综合位移矢量图

3.2.2位移计算结果

隧洞开挖完成后，洞底岩体竖向位移最大值为1.35 mm，方向向上，洞顶最大位移为-1.24 mm，方向向下；垂直水流方向的位移最大值为-0.36 mm，出现在洞腰处。衬砌完成后，洞顶竖向位移最大值为-1.25 mm，方向向下；洞底最大位移为1.34 mm，方向向上。垂直水流方向的位移值较开挖后也无明显变化。水荷载作用下，洞顶最大位移为-1.25 mm，方向向下；洞底最大位移为1.34 mm，方向向上；垂直水流方向的位移最大值为-0.36 mm，出现在两侧洞腰。

根据以上结果，隧洞开挖后，洞身产生一定的变形；而施加水压力后，位移有一定的变化，洞身的压缩变形有所减小。由于自重应力场的存在，开挖后在洞底出现明显的反拱现象，导致洞底出现向上的位移。图6给出了水压力荷载作用下衬砌的综合位移图。

3.3塑性区分析

根据以上应力和位移计算结果，对采空区进行回填前后的应力及位移计算结果变化不大。为了进一步研究隧洞存在条件下岩体的稳定问题，对采空区在进行回填前后是否存在塑性区进行分析，以确定岩体是否破坏。

根据相关资料，采空区存在一定的风化层，该部分的岩体材料参数相对较小，根据计算结果显示，在采空区回填前（工况一），隧洞开挖后以及隧洞运行条件下，在采空区出现了较大的塑性区，塑性区主要在采空区的边界处，即在采空区的边角处岩体破坏较大，同时在隧洞下部的采空区顶部也出现了少量的塑性区，由此可知，采空区边界处和隧洞下部的采空区顶部岩体已经发生破坏，对岩体整体稳定性存在较大的影响，故需对其进行相应的处理。

对采空区进行回填处理后（工况二），岩体的整体性提高，根据计算结果，回填处理后并未出现塑性区，即该部分的稳定性提高，破坏区减小。具体见图7。

图7　采空区岩体塑性区分布图

4　结论

采用分步模拟的方式对隧洞及周边岩体的应力、位移及塑形区进行分析，隧洞的开挖对周围岩体的应力重分布存在较大影响，从而影响矿洞的稳定。对于隧洞而言，由于周围岩体强度及衬砌的共同作用，隧洞满足自身稳定要求；但是由于隧洞的开挖造成岩体应力的重分布，从而影响矿洞顶部应力，根据矿洞采空区处理前后岩体塑性区开展情况分析，未处理前岩体塑性区较大，处理后几乎不出现塑性区。由此可见，需对采空区进行相应的处理，减小塑性区，以满足岩体的整体稳定要求。

参考文献

[1]原先凡，邓华锋，宛良朋，等．埋深及断面尺寸对隧洞围岩稳定性的影响［J］.人民黄河，2013，35（6）: 100-102.

[2]陈庆，卢珂，韩聪.岩质隧道围岩压力影响因素分析［J］.人民黄河，2013，35（6）: 134-137.收稿日期：2015-12-29

（责任编辑：刘青）

中图分类号：TV672+. 1

文献标识码：A

文章编号：1673-8853（2016）03-0119-03