煤矿巷道盾构开挖过程中围岩的力学行为

杨 悦， 高 霞， 陈孝国， 陈维新

(1.黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学理学院，哈尔滨150022;3.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

煤矿巷道盾构开挖过程中围岩的力学行为

杨 悦1， 高 霞1， 陈孝国2， 陈维新3

(1.黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学理学院，哈尔滨150022;3.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨150022)

为探讨开挖面空间效应对隧洞围岩位移和应力的影响规律，以神华新街台格庙矿区盾构施工段斜井的工程地质资料、支护结构设计和施工方法为背景，采用FLAC3D软件对盾构施工过程进行全过程数值模拟，对围岩位移和最大主应力进行数值计算。结果表明，工作面在监测面之前2倍洞口半径时，观察面处开始产生位移，直到经过观察面以后5倍洞口半径为止，位移达到稳定。该研究对煤矿巷道盾构施工技术有一定指导意义。

围岩;力学行为;煤矿;巷道;盾构法

中国以煤炭为主体的能源构成状况在相当长时间内不会发生大的变化。而我国已探明的煤炭资源中，埋深在1 000 m以下的储量占煤炭资源总量的53%［1－2］。浅部资源殆尽时，深部煤炭资源将是我国最重要的能源保障。近年，各大煤矿都以每年10～25 m的速度向深部延伸，预计在未来20年我国煤矿开采将大规模进入深部开采阶段［3］。目前，深部煤矿巷道的建设施工方法越来越多地选用盾构法施工技术［4］。

盾构法在地铁和水工隧道的修建中应用较为普遍，国内外学者关于这类浅表盾构隧道衬砌结构受力性能的研究较为成熟。而盾构法施工条件下深部煤矿巷道的围岩变形特性研究成果较少［5］。现有研究表明，巷道开挖卸荷以后围岩应力的释放速度和围岩变形的发展速度随埋深增大而逐渐减慢，深部和浅部隧道围岩的力学性能存在较大差异［6－7］。因此，为满足我国煤矿深部开采的需要，煤矿巷道盾构法施工过程中围岩力学行为的演变规律亟需研究。文中结合实际工程案例进行全程分析，以期为深部巷道的建设提供参考。

1 工程背景

新街台格庙矿区位于鄂尔多斯高原的中南部，向北80 km至鄂尔多斯市东胜区。1号井的主副斜井均从地表以6°倾角下坡，长度均为6 314 m，隧洞开挖直径7.6 m，斜井口与底部相对高差660 m。斜井井口205 m长度范围内采用明挖法施工，盾构施工段长度为6 109 m。采用护盾式盾构机，护盾长10 m，千斤顶总推力为35 000 kN。单护盾式盾构机应满足月平均进尺450 m左右、月最高700 m的要求，文中取月平均进尺600 m，即施工进度20 m/d。根据管片宽度折算可知，施工进度约为14环/d。

由《新街矿区盾构工法试验斜井地质勘查报告》知，自地表向下各岩层地质构造如图1所示，由岩层的分布、厚度和组成情况知，第一层为地表层，厚度h不足10 m，盾构施工范围是图1所示的岩层②～⑤。确定这四种地质的主要参数数据见表1。

图1 工程地质构造Fig.1 Diagram of engineering geological structure

单护盾式掘进机大多用于软岩和破碎地层［8－10］，文中工程的盾构施工段选用该掘进机掘进。隧洞直径为D=7.6 m，盾构主机长度为L=10 m。研究范围取纵向长59.5 m的一段斜井，盾构机推进过程如图2所示。A－A面和F－F面分别是研究范围的左、右边界，盾构机的掌子面从G－G位置出发，每次以1.5 m的进尺向左推进，经过33个开挖步推进至左端边界A－A面。围岩位移和应力的观察面C－C在距左端边界30 m处，第13步开挖至该面。

表1 地质资料参数选取值Table 1 Selected values of geological parameters

图2 开挖范围Fig.2 Schematic diagram of excavation scope

2 数值模拟过程

2.1 三维计算模型的建立

文中计算拟采用FLAC3D有限差分软件进行数值计算。该软件有强大的模拟隧道开挖、支护过程的功能，可以有效处理非线性大变形问题。

隧洞开挖之后，在一定区域内的岩体将发生应力重分布，一般取距中心点距离3～5倍洞径的分析范围［11－12］。文中开挖半径为R0=3.8 m，围岩左右边界和上下边界均取距中心点5倍洞口直径，即36.5 m，纵向沿轴线长度取59.5 m，隧洞轴线向下倾斜6°角。三维坐标的建立与图2相同，坐标原点O(0，0，0)在模型的右边界面上开挖洞口的圆心位置。x轴是隧道横断面的水平直径方向，右洞腰方向为正向。y轴为隧道纵向轴线的水平投影，开挖方向为正向。z轴为竖向，向上为正。

由于模型关于纵轴面即yz平面对称，为提高计算效率，仅取右半部分进行数值计算。计算模型中，围岩采用三维六面体单元模拟，盾壳用shell单元模拟，土体本构模型采用莫尔－库伦模型［13－15］。建立的三维计算模型如图3所示。

边界条件包括位移边界条件和应力边界条件。位移边界条件是对模型的边界进行位移约束，文中对围岩的前后侧面边界施加y方向的水平位移约束。模型关于yz面对称，对称面上施加x方向的水平约束，底边界施加z方向的垂直位移约束。应力边界条件是上边界施加实际的上覆围岩自重应力，根据式(1)计算:

式中:γi——各层上覆岩石的重度，kN/m3;

hi——各层上覆岩石的厚度，m;

λ——侧压力系数;

p——垂直自重应力，kPa;

pH——水平自重应力，kPa。

文中计算模型的边界条件如图4所示。

图3 三维计算模型Fig.3 Three-dimension finite element model

图4 计算模型边界条件Fig.4 Boundary conditions of calculation model

2.2 初始应力场和开挖过程的模拟

当埋深为30、400、500和600 m时分别按照实际岩土工程参数进行数值计算。整个计算模型受到上覆围岩压力p和侧面围岩的水平压力pH。在经历长期压缩固结之后，变形已经稳定，这时的应力分布状态属于初始应力状态。

施工以后围岩的最终变形包括两部分:一是初始应力和构造应力形成的初始位移，二是开挖过程造成的附加位移。研究中一般不考虑构造应力形成的位移。因此，开挖以后围岩的位移减掉初始位移即为开挖造成的附加位移。先进行初始应力场的求解，然后将围岩节点位移清零，同时设置大变形求解，开始第一环的开挖模拟。

盾壳用shell单元模拟，其强度按照盾构机生产单位提供的数据设置，具体值为50 MPa。当盾构机掌子面从第i个开挖步转移到第(i+1)个开挖步时，将第i个开挖步时盾壳所在位置的单元设为空单元，同时将第(i+1)个开挖步时盾壳位置换成shell单元，开挖洞径内围岩位置所有单元设置为刚度接近于零的“空单元”。对每一步开挖都进行求解并保存，作为下一步计算的基础。

3 围岩位移分析

四种埋深情况下，同一个开挖步时围岩位移分布云图形状相似，只是数据大小有差别。文中依据埋深300 m处的结果云图进行围岩位移发展过程分析。

图5为埋深300 m巷道第30步开挖时围岩位移矢量图。由图5可见，洞周围岩各点都是向着巷道的中心点移动的，即发生径向位移。临空界面处的位移最大，距离洞口越远的点发生的位移越小。

图5 围岩位移矢量图Fig.5 Vector graph of surrounding rock displacement

图6为埋深300 m处巷道不同开挖步时横向观察面上围岩的z方向(垂直)位移云图。图6中左边界是巷道的垂直中轴线，右边界是研究范围的右边界。由图6对比分析可知:随着开挖步的进行，观察面处横截面各点的垂直方向位移都呈逐渐增大的趋势。但是不同阶段的增大速度不同，第5步开挖(x/ R0=－3.3)和第8步开挖(x/R0=－2.1)的z方向(垂直)位移云图相似，位移值都很小，说明此时开挖效应对围岩的影响还不明显;第8步(x/R0= 2.1)、第13步(x/R0=0)和第18步开挖(x/R0= 2.1)的z方向(垂直)位移云图差别较大，数据变化也较明显，说明此阶段开挖面空间效应对围岩位移的影响非常显著;第18步(x/R0=2.1)和第23步开挖(x/R0=4.1)的z方向(垂直)位移云图相似，只是前者的位移量较后者有小幅度的增长。说明该阶段内开挖面空间效应对围岩的位移影响较小;第23步(x/R0=4.1)和第28步开挖(x/R0=6.1)的z方向(垂直)位移云图几乎一致，位移值也没有变化。

图6 围岩z向(垂直)位移云图Fig.6 z(vertical)direction displacement chart of surrounding rock

为了更好的研究围岩径向位移受开挖面空间效应的影响规律，对于每一开挖步的计算结果，都调取了洞顶、洞底和右洞腰处围岩的径向位移。其径向变形率(某开挖步的变形量与最终变形量之比)见图7。

图7 洞顶围岩径向变形率Fig.7 Change curves of radial deformation rate of top surrounding rock

由图7可知:随着开挖的进行，各种埋深的巷道洞顶围岩径向位移都呈增长趋势，掌子面在不同区间时围岩位移增长速度差别很大。在x/R0=－2之前的区域内，洞顶围岩径向位移变形率接近于零，即此时围岩没有发生位移。在x/R0为－2～5的范围内围岩位移呈明显的增长趋势。当掌子面在观察面前后各R0的范围内时，洞顶围岩的位移变化率直线上升，说明此范围内位移增长速度最快。在掌子面距观察面5R0以后的范围内围岩位移变化接近于零。在x/R0为1～5的范围内，四种埋深处的围岩变形率大小明显不同，埋深越大的截面变形率越小，说明埋深大的巷道开挖面空间效应影响比埋深小的较滞后，围岩变形比较缓慢，达到二次应力平衡所需的时间较长。

4 围岩应力变化规律

为分析盾构施工过程中开挖面空间效应对围岩应力的影响，文中以图2中观察面C－C处围岩的最大主应力为例进行研究。图8为不同开挖步对应的最大主应力的分布云图。

将图8中a和b对比，可以看出观察面处隧洞内部即将挖去的岩石在掌子面还没有到达时其最大主应力就逐渐增大。由图8中c和d可以看出，盾构机掌子面与观察面距离超过2R0以后，围岩最大主应力变化率不到1%。

图8 围岩最大主应力分布云图Fig.8 Maximum principal stress distribution cloud pictures of surrounding rock

5 结论

(1)在掌子面距离观察面－2R0～5R0的开挖时间段内，洞周围岩受开挖面空间效应影响显著，其径向位移呈递增趋势。在5R0之后，围岩发生的径向位移几乎不再增大，形成了新的应力平衡状态。

(2)不同埋深处巷道围岩的位移发展速度略有不同，巷道的埋深越大，围岩的位移变化越慢。

(3)巷道围岩径向应力受开挖面空间效应影响的范围是掌子面与观察面距离x为－4R0～1.2R0。其中，x在－4R0～－R0时，由于盾构机推力产生的应力集中现象，使得围岩的径向应力逐渐增大，而x在－R0～1.2R0时，围岩径向应力急剧减小，直到x为1.2R0时达到稳定。

(4)巷道围岩切向应力受开挖面空间效应影响的范围也是掌子面与观察面距离 x为 －4R0～1.2R0。在此范围内，围岩的切向应力一直呈增长趋势，直到x为1.2R0时达到稳定。

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(编校 王 冬)

Mechanical behavior behind surrounding rock during shield tunneling in coal mines

Yang Yue1， Gao Xia1， Chen Xiaoguo2， Chen Weixin3
(1.School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 2.School of Sciences，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China; 3.School of Mining Engineening，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper aims to investigate the influence of the special effect of excavation face on the displacement and stress of surrounding rock of tunnel.The investigation building on the engineering geological data，supporting structure design，and construction method of Shenhua Taigemiao mine inclinedshaft of TBM construction，is focused on simulating several construction processes by FLAC3D software; and numerically calculating the displacement and stress of surrounding rock.The results reveal that the displacement of the observation surface begins to increase from zero when the tunnel face is twice the radius of tunnel before the observation surface，until it is 5 times the radius of tunnel after the observation.The research has certain guiding significance to the shield construction technology of coal mine roadways.

surrounding rock;mechanical behavior;mine;roadway;shield method

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.012

TD322

2095－7262(2017)04－0383－05

:A

2017－05－14

黑龙江省自然科学基金青年科学基金项目(QC2015055)

杨 悦(1979－)，女，河南省商丘人，讲师，博士，研究方向:地下结构设计，E-mail:yybeijing@126.com。