公路隧道穿越陡倾煤层采空区力学特性分析*

2021-04-29刘晓勇龚建伍

交通科技 2021年2期

刘晓勇田娇龚建伍

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081)

随着基础设施建设的投入不断增大，高速公路建设迅速发展，不可避免地需要经过煤矿采空区[1]。急倾斜采空区极易失稳冒落，使地表剧烈变形，产生陷坑等，严重威胁隧道的安全施工[2]。近年来学者们针对采空区开展了系列研究工作[3-5]，但多针对某采空区的稳定性或处治措施进行分析，且煤层与隧道的交角相对较平缓，陡倾煤层采空区极少涉及，而陡倾煤层采空区上覆地层的移动和变形规律明显有别于缓倾斜煤层采空区。因此，对高速公路穿越陡倾煤层采空区稳定性分析及处治技术研究具有重要的意义。

基于此，本文针对陡倾煤层，开展隧道垂直穿越陡倾采空区的三维数值分析，并建立对应无采空区的分析模型，对比有无采空区情况下，隧道施工对围岩的变形和应力影响规律，分析陡倾采空区对隧道结构的影响程度和规律，为采空区隧道处治方案的决策提供参考。

1 计算模型及方案

以两车道公路隧道为例进行分析，按公路隧道设计规范推荐形式选取隧道断面，横向开挖最大跨度约12 m，竖向开挖高度约10 m。计算模型范围：X方向取200 m，左右距隧道外边侧均超过90 m，Y方向取150 m，距隧道上下边侧约70 m，沿隧道轴向即Z方向取99 m。

选取隧道垂直穿越煤层采空区这种工况进行分析，考虑到当前开采中厚煤层多采用全部垮落法，采空区顶板围岩充分垮落，采空区被垮落围岩填充，特别对于薄煤层采空区，由于垮落围岩有一定的碎胀性，填充物几乎可以充满采空空间，采空区可视为没有空洞，数值计算中可采用降低力学参数来模拟。本节数值分析过程中，即采取弱化围岩来模拟，弱化煤层采区尺寸选取5 m×40 m×200 m(高×宽×长)，采空区的弱化力学参数见表1。

表1 围岩和支护结构的物理力学参数及本构模型

本次数值模拟采用midas GTS进行计算，模型共划分27 416个单元，23 352个节点。模型位移边界条件：对于左右两侧给定X向位移约束；对于底面给定Y向位移约束；对于隧道纵向边界面，施加Z向位移约束。模型坐标与半模型有限元网格划分图见图1。隧道和采空区开挖局部网格划分图见图2，隧道与采空区单元相对位置关系图见图3。

图1 模型坐标及有限元网格划分图

图2 隧道与采空区局部有限元网格划分图

图3 隧道与采空区垂直穿越位置示意图

为突出研究目的，重点分析公路隧道垂直穿越采空区施工的相互影响，建立对应无采空区分析模型，分别对比有无采空区情况下，隧道施工对围岩变形和应力的影响规律。进行有限元计算时，将施工过程简化为施工工况表见表2。

表2 计算模型施工工况表 m

续表2

模拟隧道施工工法为全断面法，距离采空区相对较远时开挖步长取10 m，距离采空区较近时开挖步长减小为5 m，隧道模型范围及开挖步长平面示意图见图4。

图4 隧道模型范围及开挖步长平面示意图(单位：m)

2 计算结果与分析

2.1 隧道施工过程中围岩位移分析

隧道施工引起采空区位置隧道拱顶下沉值变化曲线图见图5。

图5 隧道施工引起采空区位置隧道拱顶下沉值变化曲线图

由图5可见，以目标分析断面拱顶下沉为例，当隧道开挖到距离目标开挖断面前后一定范围时，其对隧道拱顶位移影响显著，超出这个范围，其施工影响显著减小，并基本趋于稳定。

由图5还可见，无采空区时隧道施工对目标分析断面主要影响范围在其前后10 m左右，而有采空区时，该影响范围有所增加，在穿越采空区前后15 m左右，当然，该影响范围与围岩条件、采空区规模等密切相关。但这说明采空区对隧道结构的影响范围增大，该区域应该成为隧道施工过程中加强初期支护和监测的重点区域。整体而言，由于采空区围岩破碎软弱，隧道穿采空区段时，围岩变形明显增大，且影响范围也有一定程度的增大，对隧道稳定性有不利影响。

2.2 隧道施工过程中围岩应力分析

隧道施工穿越采空区(L11)和隧道施工结束(L16)2个典型施工步对应的隧道围岩最大、最小主应力云图见图6～图9。同时也列出了无采空区时对应工况下隧道围岩最大、最小主应力云图以作对比分析。

图6 第11施工步围岩最大主应力分布图(单位：Pa)

图7 第11施工步围岩最小主应力分布图(单位：Pa)

图8 第16施工步围岩最大主应力分布图(单位：Pa)

图9 第16施工步围岩最小主应力分布图(单位：Pa)

从图6～图9中可以看出，对于围岩最大、最小主应力，沿隧道轴线方向同一埋深处，未受采空区影响的隧道围岩应力分布无明显变化，而对受采空区影响的范围，围岩应力明显大于无采空区条件下的围岩应力。

以隧道穿越采空区施工工况为例，无采空区情况下，围岩最小主应力(压应力)约为11 MPa，而对应有采空区情况下，围岩最小主应力约为16 MPa，变化相对较大。这表明由于采空区段围岩破碎及采空区上覆岩层下移，隧道穿采空区段的围岩应力向下部岩层进行了应力传递，受采空区影响段的隧道围岩应力分布与未受采空区影响的隧道围岩应力分布规律差异明显。

2.3 隧道施工过程中支护结构应力分析

有采空区情况下隧道施工穿越采空区(L11)和隧道施工结束(L16)时2个典型施工步对应的隧道支护结构主应力分布图见图10及图11。同时也列出了无采空区时对应工况下隧道支护结构主应力分布图。

图10 第11施工步二衬主应力分布图(单位：Pa)

图11 第16施工步二衬主应力分布图(单位：Pa)

由图10及图11可知，有无采空区情况下，隧道施工引起支护结构受力规律基本一致，隧道施工穿越采空区和贯通后二衬结构外侧(接近围岩一侧)主要承受压应力，二衬内侧表面也基本承受压应力，但在拱顶和仰拱底部局部位置承受拉应力，衬砌远离拱顶的两侧从拉应力向压应力逐渐过渡，到拱脚位置则主要承受压应力。从隧道二衬结构主应力最大值分析可知，有采空区时，支护结构最大应力相比无采空区时均有明显增大，不同开挖步对应的增幅略有不同，在当前计算工况下，采空区的存在使得隧道支护结构主应力最大值增大15%～20%。拱脚位置压应力最大，经计算得该处无采空区时衬砌的安全系数为2.29；有采空区时，衬砌安全系数降为1.98，已经不满足《公路隧道设计规范》对钢筋混凝土结构安全系数不小于2的要求。

综上所述，采空区的存在，无论是从围岩变形，还是支护结构内力分布，对隧道整体结构的稳定性均有不利影响，施工中宜采取相关应对措施，在穿越采空区前后约15 m范围应加强超前支护并加强围岩和结构受力监测，结合实际围岩条件，可选择加固围岩或加强隧道支护结构，确保隧道施工安全。