劉曉勇 田 嬌 龔建伍
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)
隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷增大,高速公路建設(shè)迅速發(fā)展,不可避免地需要經(jīng)過(guò)煤礦采空區(qū)[1]。急傾斜采空區(qū)極易失穩(wěn)冒落,使地表劇烈變形,產(chǎn)生陷坑等,嚴(yán)重威脅隧道的安全施工[2]。近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)采空區(qū)開(kāi)展了系列研究工作[3-5],但多針對(duì)某采空區(qū)的穩(wěn)定性或處治措施進(jìn)行分析,且煤層與隧道的交角相對(duì)較平緩,陡傾煤層采空區(qū)極少涉及,而陡傾煤層采空區(qū)上覆地層的移動(dòng)和變形規(guī)律明顯有別于緩傾斜煤層采空區(qū)。因此,對(duì)高速公路穿越陡傾煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處治技術(shù)研究具有重要的意義。
基于此,本文針對(duì)陡傾煤層,開(kāi)展隧道垂直穿越陡傾采空區(qū)的三維數(shù)值分析,并建立對(duì)應(yīng)無(wú)采空區(qū)的分析模型,對(duì)比有無(wú)采空區(qū)情況下,隧道施工對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力影響規(guī)律,分析陡傾采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律,為采空區(qū)隧道處治方案的決策提供參考。
以?xún)绍?chē)道公路隧道為例進(jìn)行分析,按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦形式選取隧道斷面,橫向開(kāi)挖最大跨度約12 m,豎向開(kāi)挖高度約10 m。計(jì)算模型范圍:X方向取200 m,左右距隧道外邊側(cè)均超過(guò)90 m,Y方向取150 m,距隧道上下邊側(cè)約70 m,沿隧道軸向即Z方向取99 m。
選取隧道垂直穿越煤層采空區(qū)這種工況進(jìn)行分析,考慮到當(dāng)前開(kāi)采中厚煤層多采用全部垮落法,采空區(qū)頂板圍巖充分垮落,采空區(qū)被垮落圍巖填充,特別對(duì)于薄煤層采空區(qū),由于垮落圍巖有一定的碎脹性,填充物幾乎可以充滿(mǎn)采空空間,采空區(qū)可視為沒(méi)有空洞,數(shù)值計(jì)算中可采用降低力學(xué)參數(shù)來(lái)模擬。本節(jié)數(shù)值分析過(guò)程中,即采取弱化圍巖來(lái)模擬,弱化煤層采區(qū)尺寸選取5 m×40 m×200 m(高×寬×長(zhǎng)),采空區(qū)的弱化力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型
本次數(shù)值模擬采用midas GTS進(jìn)行計(jì)算,模型共劃分27 416個(gè)單元,23 352個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型位移邊界條件:對(duì)于左右兩側(cè)給定X向位移約束;對(duì)于底面給定Y向位移約束;對(duì)于隧道縱向邊界面,施加Z向位移約束。模型坐標(biāo)與半模型有限元網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖1。隧道和采空區(qū)開(kāi)挖局部網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖2,隧道與采空區(qū)單元相對(duì)位置關(guān)系圖見(jiàn)圖3。
圖1 模型坐標(biāo)及有限元網(wǎng)格劃分圖
圖2 隧道與采空區(qū)局部有限元網(wǎng)格劃分圖
圖3 隧道與采空區(qū)垂直穿越位置示意圖
為突出研究目的,重點(diǎn)分析公路隧道垂直穿越采空區(qū)施工的相互影響,建立對(duì)應(yīng)無(wú)采空區(qū)分析模型,分別對(duì)比有無(wú)采空區(qū)情況下,隧道施工對(duì)圍巖變形和應(yīng)力的影響規(guī)律。進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),將施工過(guò)程簡(jiǎn)化為施工工況表見(jiàn)表2。
表2 計(jì)算模型施工工況表 m
續(xù)表2
模擬隧道施工工法為全斷面法,距離采空區(qū)相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)開(kāi)挖步長(zhǎng)取10 m,距離采空區(qū)較近時(shí)開(kāi)挖步長(zhǎng)減小為5 m,隧道模型范圍及開(kāi)挖步長(zhǎng)平面示意圖見(jiàn)圖4。
圖4 隧道模型范圍及開(kāi)挖步長(zhǎng)平面示意圖(單位:m)
隧道施工引起采空區(qū)位置隧道拱頂下沉值變化曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。
圖5 隧道施工引起采空區(qū)位置隧道拱頂下沉值變化曲線(xiàn)圖
由圖5可見(jiàn),以目標(biāo)分析斷面拱頂下沉為例,當(dāng)隧道開(kāi)挖到距離目標(biāo)開(kāi)挖斷面前后一定范圍時(shí),其對(duì)隧道拱頂位移影響顯著,超出這個(gè)范圍,其施工影響顯著減小,并基本趨于穩(wěn)定。
由圖5還可見(jiàn),無(wú)采空區(qū)時(shí)隧道施工對(duì)目標(biāo)分析斷面主要影響范圍在其前后10 m左右,而有采空區(qū)時(shí),該影響范圍有所增加,在穿越采空區(qū)前后15 m左右,當(dāng)然,該影響范圍與圍巖條件、采空區(qū)規(guī)模等密切相關(guān)。但這說(shuō)明采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍增大,該區(qū)域應(yīng)該成為隧道施工過(guò)程中加強(qiáng)初期支護(hù)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。整體而言,由于采空區(qū)圍巖破碎軟弱,隧道穿采空區(qū)段時(shí),圍巖變形明顯增大,且影響范圍也有一定程度的增大,對(duì)隧道穩(wěn)定性有不利影響。
隧道施工穿越采空區(qū)(L11)和隧道施工結(jié)束(L16)2個(gè)典型施工步對(duì)應(yīng)的隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6~圖9。同時(shí)也列出了無(wú)采空區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)工況下隧道圍巖最大、最小主應(yīng)力云圖以作對(duì)比分析。
圖6 第11施工步圍巖最大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
圖7 第11施工步圍巖最小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
圖8 第16施工步圍巖最大主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
圖9 第16施工步圍巖最小主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
從圖6~圖9中可以看出,對(duì)于圍巖最大、最小主應(yīng)力,沿隧道軸線(xiàn)方向同一埋深處,未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布無(wú)明顯變化,而對(duì)受采空區(qū)影響的范圍,圍巖應(yīng)力明顯大于無(wú)采空區(qū)條件下的圍巖應(yīng)力。
以隧道穿越采空區(qū)施工工況為例,無(wú)采空區(qū)情況下,圍巖最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)約為11 MPa,而對(duì)應(yīng)有采空區(qū)情況下,圍巖最小主應(yīng)力約為16 MPa,變化相對(duì)較大。這表明由于采空區(qū)段圍巖破碎及采空區(qū)上覆巖層下移,隧道穿采空區(qū)段的圍巖應(yīng)力向下部巖層進(jìn)行了應(yīng)力傳遞,受采空區(qū)影響段的隧道圍巖應(yīng)力分布與未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律差異明顯。
有采空區(qū)情況下隧道施工穿越采空區(qū)(L11)和隧道施工結(jié)束(L16)時(shí)2個(gè)典型施工步對(duì)應(yīng)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖10及圖11。同時(shí)也列出了無(wú)采空區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)工況下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布圖。
圖10 第11施工步二襯主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
圖11 第16施工步二襯主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)
由圖10及圖11可知,有無(wú)采空區(qū)情況下,隧道施工引起支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律基本一致,隧道施工穿越采空區(qū)和貫通后二襯結(jié)構(gòu)外側(cè)(接近圍巖一側(cè))主要承受壓應(yīng)力,二襯內(nèi)側(cè)表面也基本承受壓應(yīng)力,但在拱頂和仰拱底部局部位置承受拉應(yīng)力,襯砌遠(yuǎn)離拱頂?shù)膬蓚?cè)從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力逐漸過(guò)渡,到拱腳位置則主要承受壓應(yīng)力。從隧道二襯結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值分析可知,有采空區(qū)時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比無(wú)采空區(qū)時(shí)均有明顯增大,不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的增幅略有不同,在當(dāng)前計(jì)算工況下,采空區(qū)的存在使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值增大15%~20%。拱腳位置壓應(yīng)力最大,經(jīng)計(jì)算得該處無(wú)采空區(qū)時(shí)襯砌的安全系數(shù)為2.29;有采空區(qū)時(shí),襯砌安全系數(shù)降為1.98,已經(jīng)不滿(mǎn)足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于2的要求。
綜上所述,采空區(qū)的存在,無(wú)論是從圍巖變形,還是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有不利影響,施工中宜采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施,在穿越采空區(qū)前后約15 m范圍應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)并加強(qiáng)圍巖和結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè),結(jié)合實(shí)際圍巖條件,可選擇加固圍巖或加強(qiáng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu),確保隧道施工安全。
本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬,開(kāi)展隧道垂直穿越陡傾采空區(qū)的三維數(shù)值模擬,分析隧道施工對(duì)圍巖的變形和應(yīng)力影響規(guī)律,以及陡傾采空區(qū)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和規(guī)律,得到如下主要結(jié)論。
1) 隧道穿越采空區(qū)段時(shí),圍巖變形明顯增大,且影響范圍也有一定程度的增大,對(duì)隧道穩(wěn)定性有不利影響,該區(qū)域是隧道施工過(guò)程中加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。
2) 由于采空區(qū)段圍巖破碎及采空區(qū)上覆巖層下移,隧道穿越采空區(qū)段的圍巖應(yīng)力向下部巖層進(jìn)行了應(yīng)力傳遞,受采空區(qū)影響段的隧道圍巖應(yīng)力分布與未受采空區(qū)影響的隧道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律差異明顯。
3) 有采空區(qū)時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比無(wú)采空區(qū)時(shí)均有明顯增大,不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的增幅略有不同,采空區(qū)的存在使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力最大值增大15%~20%,襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降低。
4) 陡傾采空區(qū)的存在,無(wú)論是從圍巖變形,還是支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布,對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有不利影響,施工中宜采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施,確保隧道施工安全。