姚宣成 高永濤 蘇建軍 王 賀

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006)

地下釆空區(qū)對地表穩(wěn)定性的影響是一項具有重要意義和應(yīng)用價值的研究課題。眾多學(xué)者對采空區(qū)穩(wěn)定性及治理效果的研究進行了大量研究，童立元［1］綜述了高速公路下伏采空區(qū)的國內(nèi)外研究成果;李曉紅等［2］總結(jié)了隧道下伏采空區(qū)處理的原則和方法;陳龍［3］通過相似材料模擬實驗，研究采動所引起的上覆巖體“三帶”的發(fā)展規(guī)律、裂隙演化規(guī)律并對地基穩(wěn)定性評價;張常明等［4］基于剛體極限平衡原理采用力學(xué)分析方法分析了采空區(qū)的位移場和破壞場變化特征;王生俊等［5］采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對高速公路下伏采空區(qū)剩余沉降量進行了計算。在采空區(qū)治理及數(shù)值模擬應(yīng)用等方面，也有大量相關(guān)研究［6-8］，但是在隧道下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性及治理效果數(shù)值模擬運用上，還缺乏相應(yīng)的工程實例。

1 工程背景

中煤平朔公司擬新建東露天煤礦專用線，連接?xùn)|露天礦裝車站與平朔支線。該地區(qū)由于早期民采無序，專用線沿線出現(xiàn)了大量的采空區(qū)。由于這些采空區(qū)的存在，導(dǎo)致沿線隧道建設(shè)存在很大的安全隱患。平朔東露天鐵路專用線涉及范圍大，服務(wù)年限長，對隧道的穩(wěn)定性和變形有較高的要求。為了最大限度地減少采空區(qū)的安全隱患，需要對采空區(qū)進行加固措施。

2 計算模型

根據(jù)平朔東露天礦鐵路專線設(shè)計方案及平朔鐵路專線采空區(qū)探測及治理工程實際，建立采空區(qū)FLAC3D原始地質(zhì)數(shù)值計算模型，模型尺寸大小為72 m(X軸)×100 m(Y軸)×100 m(Z軸)，模型中隧道尺寸為8 m(高)×8 m(寬)，采空區(qū)位于隧道下20～25 m，寬12 m。根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料，從上向下模型網(wǎng)格分為上覆山體，隧道層，黃黏土層，泥巖層及砂巖層5類，其模型如圖1所示。

圖1 有限差分網(wǎng)格劃分Fig.1 Partition graph of finite elementmeshes

計算模型左右及上下邊界均為雙向約束邊界，各地層可采用摩爾－庫倫準(zhǔn)則描述，各地層的物理力學(xué)參數(shù)均依據(jù)工程巖性室內(nèi)與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)Table1 Major physical-mechanical parameters ofmaterials

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道開挖后采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采空區(qū)原始應(yīng)力分布云圖見圖2。從圖2可以看出，煤層開采后，形成了一個地下空間，巖土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，在采空區(qū)頂板及底板采動影響范圍內(nèi)，由于頂板上方的一部分原始地層垂直應(yīng)力向采空區(qū)的兩側(cè)轉(zhuǎn)移，頂板各點的最大主應(yīng)力方向逐漸與采空區(qū)平行，且最小主應(yīng)力逐漸消失為零，采空區(qū)兩幫巖體基本處于單軸壓縮狀態(tài)，因此兩幫巖體將承受比開采前更高的載荷。同時，在頂板和底板拐角處形成了局部應(yīng)力集中區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.45 MPa，最大壓應(yīng)力為3.62 MPa。

圖2 采空區(qū)原始應(yīng)力分布云圖Fig.2 Original strain contour of goaf

圖3為隧道開挖后，巖體內(nèi)部破壞屈服情況。在隧道開挖過程中，隧道層，采空區(qū)頂、底板及上覆山體出現(xiàn)拉伸塑性區(qū)。隧道層及上方山體發(fā)生拉伸變形區(qū)域最大，且以拉伸破壞為主;采空區(qū)頂板和底板均產(chǎn)生不同程度的拉伸破壞，局部應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)剪切破壞。隧道周圍巖體由于開挖產(chǎn)生的應(yīng)力集中，拉伸破壞和剪切破壞同時存在，隧道底板尤為明顯。當(dāng)隧道開挖結(jié)束，巖體穩(wěn)定后，大部分巖土體離開屈服面，處于彈性范圍，但是在隧道開挖底板出現(xiàn)了屈服剪切破壞，隧道拱腰及拱頂出現(xiàn)了屈服拉伸破壞，這將對隧道產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。

圖3 隧道開挖后巖土體塑性區(qū)分布圖Fig.3 Plastic zone distribution after excavation

圖4為初始化隧道開挖后周圍巖土體沉降量云圖。由圖4可知，由于采空區(qū)的存在，當(dāng)在采空區(qū)上方開挖隧道后，隧道底板產(chǎn)生較大沉降，最大沉降值發(fā)生在仰拱中部，約為14.996 cm，底板兩端沉降值約為12.000 cm，不均勻沉降約為2.996 cm，在底板中部形成一個較明顯的“漏斗”區(qū)域。上述分析表明，若不在采空區(qū)上方地表巖土體中進行加固，路基將會產(chǎn)生較大不均勻沉降和位移量。

圖4 隧道開挖后沉降量云圖Fig.4 Z-Displacement distribution after excavation

3.2 采空區(qū)注漿加固后穩(wěn)定性分析

為保證采空區(qū)上方隧道在開挖之后不產(chǎn)生較大位移和不均勻沉降，要對采空區(qū)進行注漿加固，同時，對隧道底板澆筑仰拱。使用粉煤灰和水泥拌合漿作為注漿材料相比純水泥漿可大大節(jié)約水泥用量，在確保加固效果的情況下具有很強的經(jīng)濟作用。對采空區(qū)注漿加固使用粉煤灰與水泥拌合粉灰比為2∶1，選用普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號32.5，水固比為0.5∶1。仰拱澆筑厚度為0.5 m。模型中注漿材料選用彈性模型，仰拱選用殼結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)如表2所示。

表2 仰拱模型計算參數(shù)Table2 Calculation parameters of inverted arch

根據(jù)殼結(jié)構(gòu)仰拱的力學(xué)響應(yīng)，在其軸向及X徑向方向均受到拉力的作用，最大拉力位于軸線處，沿徑向向兩端減弱，這表明仰拱中部較大地承受了開挖所釋放的應(yīng)力。

而由圖5可以看出，在采取充填采空區(qū)及施做仰拱的加固措施之后，巖土體的應(yīng)力分布發(fā)生了明顯變化，由于注漿體很好地承擔(dān)了上部巖土體壓力，原采空區(qū)頂?shù)装逄幍膽?yīng)力集中得到釋放，采空區(qū)兩幫承受的高壓應(yīng)力向中間轉(zhuǎn)移，各巖土層注漿恢復(fù)到原始分層地應(yīng)力狀態(tài)，僅在隧道開挖周邊有局部應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為0.22 MPa，最大壓應(yīng)力為3.42 MPa。整個巖土體的穩(wěn)定性大大提高。

圖5 加固后應(yīng)力分布云圖Fig.5 Contour of strain after reinforcement

由加固后巖土體的沉降量云圖(圖6)可以看出:在采取加固措施之后，隧道底板處的沉降規(guī)律并未改變，從中向兩端沉降量逐漸減少，呈現(xiàn)漏斗狀，且沉降范圍略為增大，但是沉降量和未加固之前相比，大大降低，不均勻沉降量也隨之減少。加固后仰拱最大沉降量為6.239 cm，僅為之前的41.61%，兩端沉降量5.00 cm，不均勻沉降量為1.239 cm，僅為未加固時的41.36%?？梢姡{體承擔(dān)了上部巖體的部分垂直應(yīng)力，施做仰拱也提高了隧道底板巖土體的力學(xué)性能，這種加固方案提高了巖土體的整體性，從而大大降低了由于采空區(qū)的存在引起的隧道底板最大沉降及不均勻沉降。

圖6 加固后巖土體沉降量云圖Fig.6 Z-Displacement distribution after reinforcement

3.3 仰拱厚度敏感度分析

為研究仰拱厚度對采空區(qū)加固后巖土體穩(wěn)定性的影響，選取仰拱厚度為0.5、0.8、1.2 m，并選取距離隧道中線1.5，3 m處左右兩側(cè)監(jiān)測點，分別計算加固采空區(qū)后隧道底板的沉降量，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同仰拱厚度沉降分布曲線Fig.7 Disp lacement distribution curve of inverted arch in different thickness

由圖7可知，仰拱厚度分別為0.5、0.8、1.2 m時，隧道底板最大沉降量計算結(jié)果分別為10.13、6.24、5.65 cm，不均勻沉降量分別為2.13，1.24，1.05 cm。表明隨著仰拱厚度的增加，可以有效地提高加固效果，當(dāng)仰拱厚度達到0.8 m時，隧道底板最大沉降量及不均勻沉降量均大幅降低，加固效果明顯;當(dāng)仰拱厚度大于0.8 m時，隧道底板最大沉降量及不均勻沉降量降低效果明顯減少，加固效果明顯降低。

3.4 注漿強度敏感度分析

選取粉灰比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1的拌合漿及純水泥漿作為注漿材料，并選取距離隧道中線1.5，3 m處左右兩側(cè)監(jiān)測點，分別計算其加固采空區(qū)后隧道底板的沉降量，計算結(jié)果如圖8所示。由于隨著粉灰比的降低，拌合漿的強度將不斷提高，純水泥漿的強度最高，隧道底板的最大沉降及不均勻沉降都將逐步減少。拌合漿粉灰比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及純水泥漿時，隧道底板中部最大沉降量分別為5.91、6.24、8.92、11.03、5.58 cm，不均勻沉降為1.2、1.24、1.7、2.4、1.15 cm。其中粉灰比為4∶1時，隧道底板最大沉降量為11.03 cm，不均勻沉降達到2.4 cm，不符合工程實際需要。而當(dāng)拌合漿粉灰比大于2∶1時，降低粉灰比，隧道底板最大沉降及不均勻沉降量降低明顯;當(dāng)拌合漿粉灰比小于2∶1時，降低粉灰比，隧道底板最大沉降及不均勻沉降量降低甚微。因而選擇粉灰比為2∶1的拌合漿最為經(jīng)濟合理。

圖8 不同注漿材料仰拱沉降分布曲線Fig.8 Disp lacem ent distribution curve of inverted arch w ith different reinforcementmaterial

4 結(jié)論

(1)在未加固的采空區(qū)上開挖隧道，采空區(qū)兩幫巖土體受到較大的垂直載荷，隧道開挖底板出現(xiàn)了屈服剪切破壞，隧道拱腰及拱頂出現(xiàn)了屈服拉伸破壞，隧道底板最大沉降及不均勻沉降較大，將影響隧道的安全穩(wěn)定運行。

(2)在對采空區(qū)充填注漿及隧道底板澆筑仰拱的聯(lián)合加固措施下，原采空區(qū)附近的應(yīng)力集中區(qū)域得到很好釋放，恢復(fù)層狀垂直應(yīng)力狀態(tài)，隧道底板最大沉降及不均勻沉降量大幅降低，巖土體的整體穩(wěn)定性提高，加固工程效果明顯。

(3)仰拱厚度達到0.8 m時，隧道底板最大沉降量及不均勻沉降量均大幅降低，加固效果明顯;當(dāng)仰拱厚度大于0.8 m時，隧道底板最大沉降量及不均勻沉降量降低效果明顯減少，加固效果明顯降低。

(4)當(dāng)拌合漿粉灰比大于2∶1時，降低粉灰比，隧道底板最大沉降及不均勻沉降量降低明顯;當(dāng)拌合漿粉灰比小于2∶1時，降低粉灰比，隧道底板最大沉降及不均勻沉降量降低甚微。

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