隧道穿越采空区的稳定性分析

梁胜增，闻　磊

(1.四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

隧道穿越采空区的稳定性分析

梁胜增1，闻磊2

(1.四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

摘要：以小江口隧道和坪地煤矿为研究对象，根据工程所在地的地质条件和围岩特点，利用数值模拟的方法，对采空区的稳定性及其对隧道的影响进行分析研究，并针对分析结果提出相应的治理方案，从而为小江口隧道的安全施工和营运提供理论支持。研究结果表明，一、二盘区留设的点柱稳定性较差，不能起到长期支撑顶板的作用，一、二盘区部分采空区会产生顶板冒落；隧道K线ZK67+555至隧道出口段、D线ZK67+466至隧道出口段两侧各90m范围内的下覆老采空区需进行充填处理。

关键词：隧道；采空区；稳定性；数值模拟

地下采空区的稳定性对其附近建筑的稳定性有着重要的影响，尤其对于穿越采空区的隧道，其影响更加不可忽视，这也成为众多学者研究的重点问题之一。李晓红等[1-2]对隧道穿越采空区的稳定性、围岩变形的特性及治理措施进行了总结；童立元等[3-4]对高速公路下伏采空区的国内外研究结果进行了综述；在对采空区稳定性数值模拟应用方面，也有很多相关的研究[5-8]。为了保证穿越采空区隧道的稳定性、安全施工和营运，有必要对隧道采空区影响段进行稳定性分析评价，从而为设计和施工提供指导，也可以为类似项目提供有益参考[8-9]。

1工程背景

1.1项目概况

小江口隧道为贵州省余庆至凯里高速公路余凯线控制性工程之一，该隧道为分幅长隧道，左幅长2637m，最大埋深约239.16m，进出口底板高程分别为667.98m和720.74m。右幅长2651m，最大埋深约238.3m，进出口底板高程分别为667.72和720.74m。隧道洞室单幅净宽10.25m，净高5.0m。

凯里市湾水镇大风洞坪地煤矿始建于1998年，2001年建成投产，由原来多家小煤窖整合而成，现属私营独资企业，主采2号煤层。设计生产能力9万t/a，分两个盘区形成各自独立的开拓系统进行开采，F1断层以南为一盘区，斜井开拓，倾向长壁采煤法，F1断层以北为二盘区，平硐开拓，走向长壁采煤法。

余凯高速公路小江口隧道两条备选线路K线和D线自北向南从坪地煤矿矿区中间穿过，将矿区划分为东西两块。隧道进口至ZK66+600段，矿山开采煤层大部分位于隧道上方，ZK66+600至隧道出口段，开采煤层位于隧道下方。经过多年的开采，小江口隧道周边分布有一定规模采空区，其中，一盘区老采空区位于隧道下方，距隧道底板约30～85m，二盘区老采空区位于隧道上方，距隧道顶部约25.60～76.40m。

小江口隧道与坪地煤矿的空间位置关系见图1。

图1　坪地煤矿与小江口隧道相互关系平面

为了确保小江口隧道施工与运营安全，杜绝重大事故的发生，有必要全面系统地分析坪地煤矿与小江口隧道之间的相互影响关系。

1.2工程地质及水文地质条件

隧道地处贵州东部斜坡地带，隧道区内地势起伏较大，其轴线通过高程634.8～948.04m，相对高差314.24m。进口位于缓坡上，地形坡度较缓；出口位于陡壁上，基岩出露。地表基岩出露，为溶蚀、侵蚀剥蚀型低山河谷地貌。

场区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)粉质黏土、崩塌堆积层(Qc)块石土。下伏基岩为二叠系下统栖霞组、茅口组(P1q+m)灰、深灰色灰岩，梁山组(P1l)灰白色、灰黄色石英砂岩夹煤层及炭质泥岩，泥盆系望城坡组、尧梭组(D3w+y)浅灰、灰白色白云岩，志留系翁项群(S2-3wn)灰黄、浅灰、灰绿色泥岩夹砂岩。

隧址位于江南古陆西侧新生代坳陷区过渡地带，场区中部发育正断层F1，断面产状为175°∠60°，直断距25～30m，斜断距约为70～80m，断层破碎带宽12～15m，结构松散，胶结较差。隧道垂直穿过F1断层，对隧道洞室围岩稳定性影响较大。

隧道区域地下水主要为泥岩强风化层基岩裂隙水、碳酸岩岩溶裂隙水，地下水主要靠大气降水垂直补给。隧道区分布两层隔水岩组，两层含水岩组。据煤系地层中水样分析结果，pH值=2.0～6.0，弱酸～强酸性，对钢筋混凝土结构物有较强腐蚀性。隧道进口至ZK66+610段，基岩为D3w+y白云岩，含水层特征为岩溶裂隙水，处于S2-3wn-P1l两隔水岩层之间，岩层透水性中等，隧道通过段位于排泄区。ZK66+660至隧道出口段，基岩为P1q+m灰岩，含水层特征为岩溶裂隙水和F1破碎带裂隙水，处于P1l隔水层之上，岩层透水性强。隧道通过段高于区内地下水侵蚀基准面约66m，隧道设计高程高于区内地下水水位，地下水对隧道影响小，雨洪期产生的局部富集的地下水对隧道施工有影响。

1.3岩体稳定性评价

隧道进出口施工过程中，由于需要剥离地表风化岩层，且受爆破震动影响，隧道进出口附近危岩体易受扰动而产生崩塌的现象，威胁隧道的施工安全。针对隧道施工的特点，专门对隧道进出口地表的岩体情况进行调查。

1)进口。隧道洞身围岩为块石土及强、中风化泥岩、白云岩，地表堆积体厚达8～22m，岩石节理裂隙很发育，岩体极破碎～破碎，呈碎裂结构，开挖后易发生滑坡、崩塌，处理不当会坍至地表。

2)出口。隧道出口段地形陡峻，三面为陡崖，隧道洞身围岩为灰岩，处于卸荷节理发育带，节理裂隙很发育，岩体破碎，呈碎裂结构，围岩易坍塌，处理不当易发生大坍塌，侧壁经常发生小坍塌。

2老采空区对隧道安全性影响分析

2.1基于数值模拟的采空区稳定性分析

巷柱式采矿形成采空区的稳定性主要是由矿柱的稳定性来决定的。因此，本次采空区稳定性数值模拟主要针对矿柱(点柱)进行分析。按上覆岩层自重施加荷载，在模型底部及侧面施加位移边界条件，计算参数选取参见表1。

表1　计算参数表

根据矿山老采空区调查及现场访谈结果，点柱尺寸为：断面2m×3m，高度1m，柱间距5m。计算模型见图2。

随着埋深的增加，矿柱所承受的压力不断增大，按采空区50m、100m、110m、130m埋深分别计算分析矿柱稳定性。为了便于分析计算结果，作如图3所示剖面查看矿柱内部应力及塑性区的变化。

1)埋深50m时点柱稳定性分析。当埋深50m时，最大主应力7.9MPa，矿柱中心压应力较大，矿柱边缘出现拉应力区，拉应力值为0.018MPa，矿柱边缘偏顶部出现小范围的塑性区，矿柱总体保持稳定。点柱内部最大主应力、最小主应力、塑性区分布见图4。

图2　老采空区点柱分析模型

图3　矿柱剖面位置图

图4　埋深50m时点柱稳定性计算结果图

2)埋深100m时点柱稳定性分析。当埋深100m时，最大主应力显著提高，增加至14MPa，矿柱中心产生应力集中，矿柱边缘出现较大范围拉应力区，最大拉应力达到0.09MPa，矿柱边缘出现大范围的塑性变形区。因矿柱内部岩体处于三维应力状态，矿柱中心岩体受到一定围压作用仍能保持整体稳定，其核心区域能够继续起到支撑顶板的作用。点柱内部最大主应力、最小主应力、塑性区分布见图5。

图5　埋深100m时点柱稳定性计算结果图

3)埋深110m时点柱稳定性分析。当埋深110m时，最大主应力有所提高，增加至18MPa，应力集中区位于矿柱中心底部位置，矿柱边缘出现大范围拉应力区，最大拉应力变化不大，为0.087MPa，矿柱边缘及底部偏出现大范围的塑性变形区，矿柱失稳发生破坏。点柱内部最大主应力、最小主应力、塑性区分布见图6。

图6　埋深110m时点柱稳定性计算结果图

4)埋深130m时点柱稳定性分析。当埋深130m时，最大主应力急剧增大，达到45MPa，应力集中区位于矿柱正中心位置，整个矿柱发生塑性变形，中心区域剪切破坏，矿柱边缘产生剪切和拉伸破坏，矿柱垮塌，无法支撑顶板。点柱内部最大主应力、最小主应力、塑性区分布见图7。

图7　埋深130m时点柱稳定性计算结果图

2.2矿柱稳定性分析小结

当埋深小于100m时，2m×3m的点柱不会出现贯穿整个矿柱的塑性区，能够起到继续支撑顶板的作用，当埋深大于100m时，2m×3m的点柱中心区域产生剪切破坏，产生贯穿整个矿柱的塑性变形，煤柱发生破坏，造成采空区失稳。

根据老采空区与小江口隧道的空间位置关系，可分为老采空区位于隧道上方和下方两种情况。当采空区位于隧道上方时，采动后引起的岩层移动主要在采空区的上方，不会对采空区下面的隧道产生影响。当采空区位于隧道正下方时，如采空区不能自稳发生冒落，会引起上覆岩层移动和地表沉降，从而对隧道产生不利影响。根据对老采空区的稳定性分析，充分采动后的采空区无法自稳，顶板会发生垮冒，直至冒落岩块填满空区。

3老采空区处理方案

小江口隧道K线ZK67+555至出口段，D线ZK67+466至出口段，下覆采空区引起的岩层移动可能会波及隧道。为确保隧道的安全施工及运营，建议对隧道出口段一定范围内采空区进行充填注浆处理。据调查，该范围内采空区多为原民采空区，通往地表的通道已于多年前封闭，且老空区的现状不清楚，不利于在井下进行空区处理。受地表地形的影响，地表施工充填钻孔难度大、耗费高，所以，只能采取在隧道水平范围内向采空区施工充填钻孔。根据隧道K线ZK67+555至出口段采空区的范围，在隧道两侧各90m范围内的下覆采空区进行充填注浆处理，隧道开挖后，先从隧道侧帮向两侧50m范围施工联络巷道，然后平行于隧道方向施工钻孔巷道，钻孔巷道内每4m施工充填钻孔。采空区充填注浆的工程量估算见表2，充填范围见图8。D线ZK67+466至出口段与K线采空区处理方法相同。

表2　采空区充填注浆工程量粗算表

图8　小江口隧道K线下覆采空区充填范围图

4结论

通过对老采空区的现场调查及资料分析，隧道进口至ZK66+600段，煤层位于隧道上方，开采后引起的岩层移动不会对隧道造成不利影响；ZK66+600至ZK66+993段，煤层位于隧道下方，与隧道的垂直距离较近，但矿山未进行开采，不会对隧道造成影响；ZK66+993至隧道出口段，煤层位于隧道的下方，分布有一定规模的采空区，与隧道底板的垂直距离在20m以上，老采空区对隧道的影响主要集中在该段。通过数值模拟方法对老采空区稳定性及其对隧道的影响分析，得出以下结论。

1)一、二盘区留设的点柱稳定性较差，不能起到长期支撑顶板的作用，会出现矿柱破裂、采空区失稳的现象。

2)由于采空区的直接顶板为炭质泥岩或石英砂岩，矿山开采后没有留护顶煤层，随着时间的推移，一、二盘区部分采空区都会产生顶板冒落，直至充满采空区。

3)为了保证隧道的安全施工和营运，隧道K线ZK67+555至隧道出口段、D线ZK67+466至隧道出口段两侧各90m范围内的下覆老采空区需进行充填处理。

参考文献

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[9]窦顺，张志强，戴玉.猴场隧道煤矿采空区稳定性分析及其治理[J].兰州交通大学学报，2010，29(6)：44-48.

Analysis and study on stability when tunnel excavated trough mined-out area

LIANGSheng-zeng1，WENLei2

(1.SichuanCollegeofArchitectureTechnology，Deyang618000，China;2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.，Changsha410012，China)

Abstract:Xiaojiangkou tunnel and Pingdi coal mine were the research objects.According to the geological condition and surrounding rock characteristics of the project site，the stability of mined-out area and its influence on tunnel were studied by numerical simulation method.Corresponding treatment scheme was put forward to provide theoretical support for safe construction and operation of Xiaojiangkou tunnel.Results show that the stability of the point pillars in one or two panel is poorer，so it cannot have long-term effect of roof supporting.Roof caving will occur in part of the mined-out areas.From K line ZK67 + 555 and D line ZK67 + 466 to the tunnel exit，in 90m range，the old mined-out area below need to be filled.

Key words：tunnel；mined-out area；stability；numerical simulation

收稿日期：2015-07-06

中图分类号：TD32

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0150-05