乐丰煤矿采动变形对沪昆铁路三联隧道影响分析

罗云勇，毛加宁，王绍留

(1.宣威市瑞峰恒矿产品有限公司乐丰煤矿，云南 宣威 655423；2.云南能源职业技术学院，云南 曲靖 655001； 3.云南省地方煤矿事业局，云南 昆明 650041)

0 引 言

宣威市瑞峰恒矿产品有限公司乐丰煤矿(以下简称“乐丰煤矿”)开采C3煤层1层可采煤层。C3煤层厚度为1.4～1.6 m，煤层倾角为8～12°，为缓倾斜中厚煤层，赋存较稳定；区内地质构造复杂程度、水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件均为中等类型。矿井为高瓦斯矿井、煤层自燃倾向性为Ⅲ类不易自燃煤层、煤尘无爆炸危害性。

沪昆铁路三联隧道为沪昆铁路六盘水至沾益段双层集装箱特长双线隧道，最大埋深280 m，属国家I级双线重型交通工程，设计速度为160 km/h。沪昆铁路三联隧道从乐丰煤矿东侧外围东侧703 m处的地下通过。

1 三联隧道工程概况

1.1 三联隧道与乐丰煤矿相对位置关系

1.1.1 平面位置关系

沪昆铁路从乐丰煤矿外围东侧的地下通过，三联隧道K2308+981～K2311+061最近点与乐丰煤矿3#拐点的最小水平距离为703 m。乐丰煤矿与三联隧道平面位置关系详见图1。

1.1.2 剖面位置关系

沪昆铁路线乐丰煤矿附近最高DK2309+000桩号点的高程为+1 926.000 m，该点与乐丰煤矿最低开采标高+1 752.000 m之间的高差为174.000 m。乐丰煤矿与沪昆铁路三联隧道的立面关系详见图2。

1.2 三联隧道工程概况

沪昆铁路乐丰煤矿附近的K2308+371～K2308+661线路段为P2β玄武岩、凝灰岩，以凝灰岩为主，节理发育，岩体破碎，属Ⅳ级围岩条件；K2308+661～K2308+731线路段为P2β玄武岩、凝灰岩与P2x含煤地层不整合接触带，接触面倾角较陡，含少量地下水，可见约1～2 m的软弱带。接触带左侧为强风化凝灰岩，右侧为砂岩平炭质页岩，薄层状发育，岩体极破碎，属Ⅴ级围岩条件。

三联隧道开挖断面面积约为125 m2，针对Ⅳ级围岩，采用Ⅳ级复合衬砌支护，拱墙采用格栅钢架，拱部采用φ22 mm砂浆锚杆加强支护，格栅钢架纵向间距为1.2 m；针对Ⅴ级围岩，开挖断面积约130 m2，采用Ⅴ级全封复合衬砌，全环采用I18工字钢架，且拱部采用φ42 mm超前小导管加强支护，工字钢架纵向间距0.8 m。初支护前喷射C25耐腐蚀混凝土支护，二衬支护前喷射C35耐腐蚀混凝土支护。

2 采动影响范围分析2.1 从煤矿开采的角度分析

C3煤层顶板为中硬岩，自然抗压强度为32.3～60.1 MPa，考虑乐丰煤矿区域内有断层构造等不利因素影响，为安全起见，按软弱岩层考虑。鉴于乐丰煤矿无上覆岩层地表移动参数的实际观测值，软弱覆岩类型各向移动角均取最大值来预测乐丰煤矿的采动影响范围。

沪昆铁路三联隧道属国家I级双线重型交通工程，按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规范》[1]的相关规定，其保护等级为I级，其两侧界线1 m外围护带的保护宽度必须≥20 m。乐丰煤矿最低开采标高与沪昆铁路线路最高桩号点标高之间的采动影响范围采用垂直剖面法计算，详见公式(1)。

(1)

式(1)中：L为采动影响范围，m；H为垂深，173.7 m；β为下山移动角，β=δ-(0.3～0.5)α(δ为走向移动角，取δ=60°；α为煤层倾角，α=8～12°，取α=10°)，β=55°～57°。通过计算L=112.802～121.626 m。

从计算结果可以看出：乐丰煤矿最低点+1 752.000 m标高处的C3煤层开采后，其至沪昆铁路线乐丰煤矿附近最高高程为+1 926.000 m的DK2309+000桩号点处的采动影响范围仅为121.626 m。乐丰煤矿矿界至沪昆铁路线最近的DK2309+000桩号的距离为703 m，采动影响边界线至沪昆铁路线最近的DK2309+000桩号尚余581.374 m。从宏观方面来看，乐丰煤矿开采后的采动变形带不会影响至沪昆铁路三联隧道的安全。

2.2 从铁路隧道运行安全的角度分析

乐丰煤矿开采过程中，受采动变形、地层损失和固结沉降等因素的影响，该矿附近既有的沪昆铁路三联隧道可能发生围岩沉降、衬砌移动或变形。因此，必须从微观方面准确预测乐丰煤矿开采后对三联隧道的影响程度及危害；隧道衬砌结构的竖向位移量、水平位移量和隧道安全性(衬砌结构内力分析)。

2.2.1 确定控制标准

1)位移控制标准。根据《铁路线路修理规划》(铁运〔2006〕146号部令发布)规定，保守确定乐丰煤矿采动变形后对沪昆铁路三联隧道变形控制的标准值确定如下：

①边墙水平位移控制值：2.0 mm；

②隧道拱顶、仰拱沉降累计值不得超过2.0 mm。

2)结构强度控制标准。根据铁路隧道施工指南的相关要求，从结构物稳定性角度出发，新建构筑物对既有隧道的影响以应力增加的容许值为基准：

①若既有隧道在不影响隧道功能的损伤时：拉应力的容许增加值为0.5 MPa，压应力的容许值为2.0 MPa；

②若既有隧道是健全的，拉应力的容许增加值为1.0 MPa，压应力的容许值为5.0 MPa。

3)安全系数控制标准。根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016、J449—2016)的相关要求，按照破损阶段检算截面强度，混凝土结构的强度安全系数见表1。

表1 混凝土和砌体结构的强度安全系数表

2.2.2 数值模型及参数选择

1)模型建立。计算模型采用有限元分析计算软件ANSYS R18进行，采用梁单元结构beam单元来模拟二次衬砌结构；初支和围岩采用实体单元进行模拟。计算建模时的模型尺寸横向为1 730.000 m，隧道中心到底部的距离为174 m，隧道中心至模型顶部自然地面标高为+2 050.000 m，采用隧道的内轮廓建模，如图3所示。

2)计算参数。隧址区属高原中低山剥蚀地貌，上覆坡残积粘土一般厚0～2 m，下伏玄武岩夹凝灰岩、玄武土，玄武岩软硬不均，多属较软岩-硬岩，所夹凝灰岩、玄武土风化不均，岩体完整性差，玄武岩与上覆砂岩接触地带2种岩性相互渗入，存在残余古风化壳，岩体破碎整体性差，工程性质差，以V级围岩考虑计算。围岩物理力学计算参数详见表2，衬砌物理力学计算参数详见表3。

表2 围岩物理力学计算参数表

表3 衬砌物理力学计算参数表

2.2.3 隧道左侧乐丰煤矿开采后的结构内力计算

乐丰煤矿在原有的三联隧道左侧进行采掘活动，煤矿开采围岩移动模型建模详见图4。本模型模拟煤层采高h1.60 m、开采长度1 000 m、距隧道底部埋深近174 m。

1)乐丰煤矿开采后的隧道结构应力。乐丰煤矿开采后，隧道围岩最大主应力详见图5，最小主应力详见图6；相应的衬砌弯矩详见图7，衬砌轴力详见图8，衬砌剪力详见图9，整体竖向位移云图详见图10，隧道衬砌安全系数分布详见表5。

从图5、6可以看出：乐丰煤矿开采后，隧道衬砌应力基本对称，边墙两侧最小主应力量值可以达到-8.62 MPa，最大主应力出现在左右墙脚处，其值可以达到-2.21 MPa。

2)乐丰煤矿开采后的隧道衬砌内力分析。从图7-9及表4可以看出，煤矿开采后的隧道衬砌内力趋势与煤矿开采之前一致：轴力从拱顶向两侧逐渐增大，且两侧基本对称；左右边墙出现最大轴力，其值为4 500 kN；衬砌结构弯矩均较小，在拱顶和仰拱范围内，衬砌内侧受拉值均较大，其最大值为13.0 kN·m，其他部位为外侧受拉，在左、右墙脚达最大值，为19.9 kN·m；隧道衬砌结构安全系数较大，边墙和墙脚安全系数偏小，最小值出现在左边墙部位，其值为2.6，大于规范规定的安全系数。

表4 乐丰煤矿开采后的隧道衬砌节点安全系数分布表

3)乐丰煤矿开采后对既有隧道衬砌的影响分析。

①采动后对隧道位移的影响分析。乐丰煤矿C3煤层开采后整体竖向位移的模型见图10。为便于分析C3煤层开采后围岩移动对既有隧道的影响，特别对C3煤层开采后隧道的位移进行了分析，详见图11、12。

从图10可以看出：C3煤层开采后，采空区上方产生了11.00 mm的竖向位移，采空区对右侧围岩位移产生一定的影响，距离隧道轴线750 m外的地面位移约为0.08 mm。此外，从图10可知：C3煤层开采后，土体挤压轴面，采空区右侧地面形成一定的竖向位移。

从图11中可以看出：乐丰煤矿C3煤层开采后，受采动影响，隧道衬砌结构发生一定的变形，隧道衬砌结构最大竖向位移量位于右拱腰处，最大竖向位移量为0.006 mm。

从图12中可以看出：乐丰煤矿C3煤层开采后，受采动影响，隧道衬砌结构发生一定的变形，隧道衬砌结构最大水平位移量位于左边墙处，最大水平位移量为0.170 mm。

综上所述：乐丰煤矿C3煤层开采后，受采动影响，对隧道影响最大的是位于左边墙处的最大水平位移量，为0.170 mm。

②对隧道结构弯矩的影响分析。为了便于分析煤矿开采后对既有隧道衬砌结构受力的影响，乐丰煤矿开采后，对隧道结构弯矩的影响分析详见表5。

表5 乐丰煤矿开采后对隧道衬砌结构弯矩影响分析表

从表5可以看出：既有隧道在煤矿开采作用下，衬砌结构的弯矩有一定的变化，但是变化很小，基本不产生影响。

③对隧道衬砌结构轴力影响分析。为了便于分析煤矿开采后对既有隧道衬砌结构受力的影响，乐丰煤矿开采后，对隧道衬砌结构轴力的影响分析详见表6。

表6 乐丰煤矿开采后对隧道衬砌结构轴力影响分析表

从表6可以看出：既有隧道在无其他施工扰动的情况下，衬砌结构的轴力呈现受压状态，煤矿开采后，衬砌轴力变化较小，煤矿开采对既有隧道轴力基本不产生影响。

④对隧道衬砌结构安全系数影响分析。乐丰煤矿开采后，对隧道衬砌结构安全系数的影响分析详见表7。

表7 乐丰煤矿开采对隧道衬砌结构安全系数影响分析表

从表7可以看出：乐丰煤矿开采后，对既有隧道衬砌结构安全系数影响较小，受到煤矿开采的影响，安全系数最小值为2.65，位于左右边墙处，大于规范要求的2.4，既有隧道是满足结构受力要求的。

3 结 论

通过有限元数值模拟计算，乐丰煤矿C3煤层开采后，受采动影响，隧道衬砌结构发生一定的变形，最大竖向位移量位于右拱腰处，为0.006 mm；最大水平位移量位于左边墙处，为0.170 mm，对隧道影响最大，但均小于《铁路线路修理规划》规定的边墙水平位移控制值2.0 mm,隧道拱顶、仰拱沉降累计值不得超过2.0 mm的要求。受采动影响，隧道衬砌结构安全系数最小值位于左右边墙处，为2.65，大于《铁路隧道设计规范》规定要求的2.4。从采矿学(宏观方面)和结构力学(微观方面)的角度进行分析，乐丰煤矿按设计正常开采后，三联隧道衬砌结构受采动影响的变形范围、位移量及安全系数均不会对沪昆铁路三联隧道的安全运行造成影响。