華巖隧道穿越中梁山南礦巷道加固分析

邵保良

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400042）

1 工程概況

重慶市九龍坡區(qū)華巖公路隧道是“主城西進(jìn)”的重要通道，穿越中梁山公司南礦+280m南長興大巷、+290m水平南長興大巷和K7消火道，隧道與現(xiàn)有三條生產(chǎn)巷道之間呈“十字交叉、上下重疊”的立體關(guān)系。為保證中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用以及華巖公路隧道的順利建成，在華巖隧道施工前，必須對(duì)中梁山南礦上述三條巷道進(jìn)行加固，通過巷道加固與改造，最大程度減小巷道圍巖變形，保證中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用以及上方華巖隧道的順利建成，滿足華巖隧道開挖及運(yùn)營后的正常使用要求[1]。

2 設(shè)計(jì)方法及目的

根據(jù)業(yè)主單位提供的圖紙資料：+290m南長興大巷 （1巷）與+280m南長興大巷（2巷）均為毛洞開挖，未施工襯砌。由于華巖隧道施工開挖和運(yùn)營將影響巷道圍巖應(yīng)力分布，因此巷道會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)附加位移。

該加固工程旨在控制巷道圍巖變形與沉降，以保證礦井正常生產(chǎn)，避免出現(xiàn)重大安全災(zāi)害。充分考慮了+290m南長興大巷與+280m南長興大巷的工程現(xiàn)狀與數(shù)據(jù)模擬分析的結(jié)果，擬新建隧道襯砌對(duì)巷道與華巖隧道交叉區(qū)段進(jìn)行加固。同時(shí)，擬采用錨桿作為加固體系的安全冗余設(shè)計(jì)更進(jìn)一步穩(wěn)固該區(qū)段圍巖。

基于華巖隧道和290南長興巷、280南長興巷在平面關(guān)系上十字相交，空間組合關(guān)系復(fù)雜，無法用現(xiàn)有的理論公式進(jìn)行計(jì)算分析，因此必須采用三維數(shù)值模型來進(jìn)行計(jì)算。本次數(shù)值模擬分析采用國際通用的大型有限元程序Midas-Gts軟件。通過Midas-Gts數(shù)值模擬計(jì)算，分析圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布情況，評(píng)價(jià)三者之間的相互影響程度和安全性[2]。

3 三維有限元模擬分析及結(jié)論

3.1 襯砌形式選擇

該加固工程擬采用模筑鋼筋混凝土整體式襯砌，斷面采用三心拱直墻形無底板設(shè)計(jì)。受業(yè)主委托，襯砌外輪廓與+290m南長興大巷和+280m南長興大巷現(xiàn)有毛洞斷面內(nèi)輪廓一致，采用襯砌厚度分布為300mm和350mm[3]。

3.2 計(jì)算方法、條件及分析方法

本次采用Midas-Gts數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算采用摩爾-庫侖等面積圓D-P屈服準(zhǔn)則；并根據(jù)地勘單位提供的巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[4]。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的巖土體采用實(shí)體單元來模擬，隧道襯砌采用板單元進(jìn)行模擬，分析擬建的華巖隧道與壓覆巷道的相互影響程度，通過圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及塑性區(qū)分布情況，得出華巖隧道的安全性以及對(duì)+280m南長興巷、+290m南長興巷的影響程度。然后，通過模擬擬建襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖的約束作用，驗(yàn)證襯砌厚度及配筋等設(shè)計(jì)信息。由于該加固工程以整體模筑鋼混凝土襯砌結(jié)構(gòu)為主要手段，故計(jì)算時(shí)不計(jì)算錨桿對(duì)圍巖的錨固效應(yīng)，而作為安全冗余考慮。

考慮隧道的有效影響范圍，整個(gè)三維計(jì)算模型的計(jì)算區(qū)域取為200×200×173m3（長×寬×高），約華巖隧道兩邊5倍跨度的計(jì)算范圍。有限元網(wǎng)格共有489808個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為82817個(gè)，三維有限元網(wǎng)格劃分詳見圖1所示。計(jì)算區(qū)域水平位移被約束，底面沿豎直方向位移被約束，詳見圖2、圖3所示。華巖隧道路面設(shè)計(jì)荷載：100kN。另外，由于華巖隧道尚未開挖，因此模擬時(shí)考慮超挖1m。

圖1 巖土體三維有限元模型

圖2 隧道與道三維實(shí)體模型

圖3 隧道與巷道三維有限元模型

有限元模擬計(jì)算分步進(jìn)行，以模擬原始地形地貌下的應(yīng)力位移場(chǎng)、巷道支護(hù)、華巖隧道開挖、華巖隧道襯砌施工、及華巖隧道通車運(yùn)營等過程。數(shù)值模擬按照以下步驟進(jìn)行：

（1）模擬原始地形地貌下的初始地應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)；（2）模擬現(xiàn)有情況下的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)（即巷道形成后的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)）；（3）模擬巷道襯砌加固后，華巖隧道開挖；（4）模擬華巖隧道襯砌；（5）模擬華巖隧道的運(yùn)營 （即模擬運(yùn)營后路面荷載作用下三者間的相互影響）。

為分析方便，本報(bào)告除分析整個(gè)三維計(jì)算模型的位移、應(yīng)力情況外，還選取兩條典型不利剖面1－1’、2－2’進(jìn)行分析。1－1’剖面沿壓覆巷道軸線且近垂直于華巖隧道軸線，2－2’剖面沿華巖隧道軸線且近垂直于壓覆巷道。

3.3 計(jì)算位移分析

表1、表2分別統(tǒng)計(jì)了華巖隧道開挖后，+290m南長興大巷和+280m南長興大巷拱頂位移情況。圖4、圖5展示了兩個(gè)巷道襯砌在各主要荷載步下變形情況，圖6至圖9展示了兩個(gè)剖面在各主要荷載步下巖體位移云圖。

表1 +290m南長興大巷拱頂位移曲線

表2 +280m南長興大巷拱頂位移曲線

圖4 隧道開挖后巷道襯砌Y方向位移云圖

圖5 隧道運(yùn)營后巷道襯砌Y方向位移云圖

圖6 隧道開挖后Y方向位移云圖（1－1剖面）

圖7 隧道襯砌后Y方向位移云圖（1－1剖面）

圖8 隧道開挖后Y方向位移云圖（2－2）

圖9 隧道襯砌后Y方向位移云圖（2－2剖面）

由表1、表2可以看出，華巖隧道開挖對(duì)+280m、+290m南長興大巷拱頂位移產(chǎn)生了一定影響，+290m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會(huì)產(chǎn)生6.0mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為10mm左右，+280m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會(huì)產(chǎn)生2.3mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為5.5mm左右，兩個(gè)巷道的拱頂不均勻沉降值均較小。通過對(duì)+290m南長興大巷、+280m南長興大巷的拱頂位移分析可以得出，由于在與華巖隧道平面位置交叉處設(shè)置了襯砌，進(jìn)行加強(qiáng)處理，+290m南長興大巷、+280m南長興大巷在華巖隧道開挖以后，巷道拱頂?shù)牟痪鶆虺两抵递^小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內(nèi)。同時(shí)，由于襯砌的存在，可以有效減弱原始裂隙及巷道爆破施工產(chǎn)生的震動(dòng)裂縫發(fā)展。

3.4 圍巖內(nèi)力、應(yīng)力及塑性區(qū)分析

根據(jù)讀取的計(jì)算結(jié)果可知，在華巖隧道開挖后，+290m、+280m南長興大巷襯砌內(nèi)力最大，取該工況下巷道橫斷面對(duì)其配筋及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)重點(diǎn)部位采取加強(qiáng)段襯砌設(shè)計(jì)，可以保證巷道在華巖隧道開挖及運(yùn)營后的正常使用。

經(jīng)過對(duì)華巖隧道開挖前、華巖隧道開挖后、華巖隧道運(yùn)營后等階段+290m、+280m南長興大巷圍巖大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力分析，可以看出華巖隧道開挖對(duì)井下巷道圍巖應(yīng)力有一定影響，最大壓應(yīng)力為7.07×103kPa，較華巖隧道開挖前增加2%，最大拉應(yīng)力為2.65×102 kPa，較華巖隧道開挖前增加0.3%，以上數(shù)據(jù)表明壓應(yīng)力及拉應(yīng)力增長幅度小，且均未超過巷道圍巖可承受的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。因此，華巖隧道開挖對(duì)井下+290m、+280m南長興大巷圍巖應(yīng)力變化影響相對(duì)較小。

根據(jù)華巖隧道開挖前、華巖隧道開挖后、華巖隧道運(yùn)營后等階段變形云圖可以看出，塑性區(qū)主要產(chǎn)生在沒有設(shè)置襯砌的圍巖區(qū)域。隨著華巖隧道的開挖與運(yùn)營，靠近華巖隧道的+290m南長興大巷、+280m南長興大巷圍巖塑性區(qū)范圍無明顯變化，因此，華巖隧道的開挖運(yùn)營對(duì)+290m南長興大巷、+280m南長興大巷圍巖塑性區(qū)影響小。

3.5 分析結(jié)論

（1）三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：華巖隧道開挖對(duì)+290m南長興大巷、+280m南長興大巷的變形影響較小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內(nèi)。其中，+290m南長興大巷最大不均勻沉降為10mm左右，+280m南長興大巷最大不均勻沉降為5.5mm左右。

（2）對(duì)擬加固方案的配筋及裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)巷道襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)+290m南長興大巷、+280m南長興大巷加固后，可以滿足華巖隧道開挖及運(yùn)營后的正常使用要求。

4 襯砌設(shè)計(jì)

根據(jù)三維有限元數(shù)據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況，確定巷道加固范圍為華巖隧道兩側(cè)外壁各50m內(nèi)區(qū)段，其中巷道與華巖隧道交點(diǎn)隧道外壁兩側(cè)各10m范圍內(nèi)為加強(qiáng)支護(hù)段。巷道加固工程采用模筑鋼筋混凝土整體式襯砌，襯砌直接布置于現(xiàn)有毛洞斷面內(nèi)不向外擴(kuò)刷。巷道擬建襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度分別為350mm、300mm，經(jīng)核算襯砌完成斷面滿足業(yè)主所提凈空要求。襯砌斷面為三心拱直墻形無底板設(shè)計(jì)，呈兩鉸拱構(gòu)型。兩側(cè)直墻底部設(shè)置500mm寬擴(kuò)展嵌巖基礎(chǔ)，嵌巖深度500mm，加強(qiáng)段配筋示意見圖10、圖11。

圖10 +280m南長興大巷(加強(qiáng)段)配筋示意

圖11 +290m南長興大巷(加強(qiáng)段)配筋示意

+280m、+290m南長興大巷巷道加固工程襯砌鋼筋參照三維有限元分析結(jié)果設(shè)置并驗(yàn)算。巷道主筋選用Φ16二級(jí)鋼，布置間距分別為160mm（1巷）、200mm（2巷）。其中，加強(qiáng)支護(hù)段鋼筋主筋及縱向分布筋雙層雙向布置，一般加固區(qū)段主筋及縱向分布筋在襯砌內(nèi)壁單側(cè)單層雙向布置，并采用梅花形拉結(jié)筋進(jìn)行拉結(jié)。并根據(jù)三維模擬數(shù)據(jù)，用理正巖土軟件對(duì)巷道襯砌復(fù)核驗(yàn)算，+280巷道拱頂變形為-0.38mm，+290巷道拱頂變形為-0.14mm，滿足規(guī)范要求[5]。

5 結(jié)語

通過三維有限元模擬分析過程可知，華巖隧道開挖后，+290m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會(huì)產(chǎn)生6.0mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為10mm左右，+280m南長興大巷與華巖隧道平面位置交叉處會(huì)產(chǎn)生2.3mm左右的回彈，與相鄰頂板位移差為5.5mm左右，兩個(gè)巷道的拱頂不均勻沉降值均較小。通過南長興大巷的拱頂位移分析可以得出，由于在與華巖隧道平面位置交叉處設(shè)置了襯砌，進(jìn)行加強(qiáng)處理，+290m南長興大巷、+280m南長興大巷在華巖隧道開挖以后，巷道拱頂?shù)牟痪鶆虺两抵递^小，其巷道穩(wěn)定性、安全性均處于可控范圍以內(nèi)。

在華巖隧道建設(shè)及運(yùn)營階段，隧道開挖時(shí)南長興大巷襯砌內(nèi)力最大，應(yīng)在隧道施工前對(duì)其重點(diǎn)部位提前采取加強(qiáng)段襯砌設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)+290m南長興大巷、+280m南長興大巷加固后，能最大程度減少巷道圍巖變形，同時(shí)由于襯砌的存在，可以有效減弱原始裂隙及巷道爆破施工產(chǎn)生的震動(dòng)裂縫發(fā)展，保證了中梁山南礦現(xiàn)有生產(chǎn)巷道的正常使用，并保證了上方華巖隧道的順利建成，能滿足該隧道的開挖及今后營運(yùn)的正常使用要求。

[1]中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院.華巖隧道穿越中梁山南礦+280m、+290m南長興大巷和K7消火道加固方案咨詢報(bào)告[R].2015．

[2]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS GTS應(yīng)用實(shí)例教程及疑難解答[K].2010．

[3]中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院.華巖隧道穿越中梁山南礦+280m、+290m南長興大巷和K7消火道加固方案施工圖設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2015．

[4]重慶市市政設(shè)計(jì)研究院.華巖隧道工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告[R].2013.

[5]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTGD70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.