劉勝華，李鵬程，李樹清，黃 飛，王榮榮

(1.浙江交工宏途交通建設有限公司，浙江 杭州 310000； 2.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展需求，隧道也在大量、快速地修建，特別是穿越煤系地層的隧道，由于開挖斷面大、應力擾動影響強的特點，容易導致煤與瓦斯突出災難發(fā)生。所以，合理的安全距離是提高隧道揭煤安全性和施工進度的重要保障。

目前國內(nèi)專家學者進行了一定的研究，如祝俊奇[1]建立隧道煤與瓦斯突出數(shù)值模型，分析了隧道揭煤前的力學狀態(tài)以及石門揭煤的安全性。吳建平[2]模擬多種開挖面積、開挖方式下的工作面附近圍巖應力場和塑性區(qū)發(fā)展情況，得出瓦斯隧道開挖后工作面前方應力場以垂向應力為主，影響范圍主要與開挖斷面大小相關(guān)。陳凌云等[3-4]在穿煤隧道揭煤施工過程中，采用尖點突變理論模型，分析了巖柱的幾何尺寸、力學參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。謝銜光等[5]運用巖土理論并結(jié)合施工實踐進一步研究，提出了防突安全巖盤最小厚度的簡便計算辦法。胡家玲[6]分析了公路隧道揭穿煤層、穿越采空區(qū)和過遺留煤柱 3 種不同情況下應力、位移演化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征，得出了隧道揭穿煤層拱頂沉降量>過遺留煤柱拱頂沉降量>穿越采空區(qū)拱頂沉降量等。龔兵文等[7-9]結(jié)合工程案例，采用理論分析、數(shù)值模確定了大斷面揭煤的安全距離。謝先當[10]對玉京山隧道C5煤層的揭煤方法進行研究，模擬分析隧道在上下臺階法開挖、上中下三臺階法開挖、上下斷面四部開挖法(CD法)開挖揭煤過程中圍巖位移和應力變化，總結(jié)預留巖柱厚度對圍巖穩(wěn)定性的影響。趙宇松等[11-12]結(jié)合理論，通過現(xiàn)場或者實驗室平臺進行了相關(guān)的監(jiān)測等工作，確定了各自的合理的安全巖柱。李集等[13-15]通過多元回歸、正交試驗方法，對巖溶隧道提出了相應的安全厚度預測模型。還有一些學者[16-18]分別針對小凈距隧道問題，通過數(shù)值模擬塑性破壞情況確定其安全保護距離。鑒于公路隧道所穿越地層的復雜性，目前針對復雜地質(zhì)情況下隧道揭煤的合理安全距離的研究依然較少。

本文以重慶至遵義的松坎隧道為工程背景，結(jié)合相關(guān)的隧道應力分布和演化規(guī)律的理論分析，采用數(shù)值模擬研究了開挖斷面積和煤層傾角大小對安全巖柱的影響。

1 工程概括

松坎隧道地處黔北高原北部，屬桐梓縣堯龍山鎮(zhèn)及松坎鎮(zhèn)所轄，為溶蝕—構(gòu)造型中低山地貌。該隧道為分離式隧道，雙向六車道高速公路，長3 115 m，隧道左右兩線相距15～17 m，其中右幅起止樁號為 YK4+930～YK8+025，進出口底板標高分別為+593.77、+522.75 m，最大埋深 569 m。隧道開挖采用臺階法開挖，整個斷面積寬度約16 m，開挖高度約 10 m。

根據(jù)設計資料和鉆探結(jié)果地質(zhì)復雜，隧道總體走向344°，從YK6+548開始穿越4層煤層(K1—K4)，煤層傾角約 74°，為急傾斜高瓦斯突出煤層群，煤層走向29°，煤巖結(jié)構(gòu)破壞類型為Ⅲ類(強烈破壞煤)。隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，全線圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

2 安全巖柱理論分析

2.1 基于突變理論安全巖柱的影響因素

根據(jù)相關(guān)的研究成果[3]，巖柱的總勢能由彎曲應變能和荷載在相應的位移上所做的功組成，因此巖柱的勢函數(shù)可寫成：

(1)

則根據(jù)突變理論分歧點應滿足的方程式：

(2)

當控制點跨越分歧點時才會產(chǎn)生突變，故系統(tǒng)發(fā)生突變的必要條件為：

(3)

式中，X為隧道工作面與煤層的平距；H為隧道工作面實際高度；N為巖柱頂面和底面受到的垂直地應力，可簡化為均布荷載；P為煤層與巖柱的交界面處瓦斯壓力和水平構(gòu)造應力，以均布荷載的形式作用在巖柱體上；E為巖柱體的彈性模量；L為安全巖柱的厚度。

綜上所述，安全巖柱L與巖柱的彈性模量E、煤層傾角θ、隧道開挖等效高度H、安全巖柱厚度L等有關(guān)。鑒于隧道實際施工斷面積和煤層傾角對安全巖柱有較大影響，本文采用數(shù)值模擬來研究開挖斷面積和煤層傾角對安全巖柱的影響規(guī)律。

2.2 隧道連續(xù)開挖的應力演變

隧道在開挖的過程中會引起一定范圍內(nèi)圍巖應力分布，但由于擾動影響范圍有限，工作面前方依次會形成3個應力分布區(qū)域。離工作面最近的是卸壓區(qū)，受開挖擾動影響最大，巖石塑性變形導致裂隙最多，瓦斯被大量釋放，應力也遠低于原始應力值。其次是應力集中區(qū)，在開挖擾動和地應力的雙重作用下，該區(qū)域的煤巖應力會明顯增大且高于原始應力，若位于該區(qū)域的煤巖體容易導致突出造成傷亡，所以最好避免煤層進入到該區(qū)域[6-7]。最后是原始應力區(qū)，因為受到擾動的影響很小，煤巖幾乎保持原始水平不變。

相較于隧道開挖前圍巖的初始應力狀態(tài)，新的應力場稱為圍巖的二次應力場。由于隧道開挖是一個動態(tài)連續(xù)過程，因此二次應力場也會隨隧道開挖動態(tài)變化[19-20]。所以原先形成的應力集中區(qū)會被卸壓區(qū)替代，同理也會在原始應力區(qū)產(chǎn)生新的應力集中區(qū)，3個區(qū)域會伴隨著工作面移動呈重復動態(tài)交替前進。

3 模型的建立與簡化

根據(jù)現(xiàn)場資料，左右洞開挖進度不同，相對距離較遠，所以選取有代表性的 K4 煤層為例，首先建立一個長、寬、高分別是308.2、162、160 m的隧道單洞開挖網(wǎng)格計算模型，取隧道開挖空間洞跨16 m、高10 m，建立模型如圖1 所示。隧道與煤層夾角45°，煤層傾角74°，由于煤系地層的巖性組成復雜，煤巖體簡化為泥巖、煤、砂3大類。隧道埋深500 m，模型頂部施加10.25 MPa，其余采用滾支邊界，摩爾—庫侖破壞準則研究。隧道反向臺階開挖且盡量位于模型中間，減少邊界影響。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

簡化認為應力擾動的影響主要集中在工作面正前方軸線垂直方向，結(jié)合煤層與隧道關(guān)系，在上臺階靠左斷面中心線對應煤層距隧道輪廓線不同垂距處設計應力模擬監(jiān)測點，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點的布置Fig.2 Layout of monitoring points

根據(jù)松坎隧道地質(zhì)條件，模擬煤巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 隧道煤巖力學模型參數(shù)Tab.1 Mechanical model parameters of tunnel coal and rock

4 隧道揭煤安全巖柱的影響分析

4.1 開挖斷面大小對安全巖柱的影響分析

為了比較開挖斷面對圍巖擾動范圍影響，另建立洞跨8m、高5m 的小斷面開挖模型，如圖3所示，模擬不同開挖斷面條件下對安全距離的影響，計算模型大小、約束及應力邊界條件設置等與第3節(jié)相同。且均按照5 m的開挖進度，從距離揭煤點100 m處開始，同時分別監(jiān)測位于對應煤層的垂直應力值變化情況。

圖3 不同斷面大小計算模型Fig.3 Calculation model of different section sizes

小斷面和大斷面開挖相同距離的垂直應力情況如圖4所示。

通過圖4可知：斷面大小對工作面前方的應力擾動范圍有著一定的影響，大斷面比小斷面造成的應力集中區(qū)域較大。

圖4 垂直應力情況Fig.4 Vertical stress

為了更準確地反映斷面積對煤層的擾動影響，提取對應的煤層隨著開挖距離的應力值變化情況，如圖5所示。

由圖5可以看出：①在距離煤層較遠時，隧道斷面積的大小對煤層的影響均較小，各監(jiān)測點的應力基本保持原始應力水平；②隨著隧道進一步掘進至揭煤點，煤層受到擾動影響變大，其中距工作面較近的監(jiān)測點如-3 m處的應力呈逐漸先增大后減小的趨勢，反之距工作面較遠的如垂距為9 m的監(jiān)測點應力呈增大趨勢，說明靠近工作面煤層應力經(jīng)歷了增壓、卸壓區(qū)，遠處的煤層監(jiān)測點還處于應力集中區(qū)；③分別在距離揭煤點30、20 m左右處應力開始出現(xiàn)明顯的增大，說明工作面距離煤層平距30、20 m分別為大斷面和小斷面開挖的應力集中區(qū)的邊界，根據(jù)煤層與隧道的傾角關(guān)系，二者的安全距離L分別約為29、19 m，說明開挖斷面積越大，其安全巖柱的厚度越大，反之越小。

圖5 應力監(jiān)測點變化情況Fig.5 Changes of stress monitoring points

4.2 傾角大小對安全巖柱的影響

隧道揭煤過程中煤層的傾斜程度可能相差較大，現(xiàn)模擬計算隧道不同煤層傾角的大斷面隧道開挖，分析其傾角對安全距離的影響。因此另建2個煤層傾角分別為34°、54°的計算模型，邊界條件設置等相同，如圖6所示。

圖6 不同傾角計算模型Fig.6 Calculation models of different inclinations

取3個模型開挖過程中距揭煤點相同距離的垂直應力云圖和應力檢測點變化情況，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：隧道在開挖過程中工作面前方均存在卸壓、應力集中區(qū)和原始應力的情況，但是擾動影響不一樣，與煤層傾角有一定關(guān)系，煤層傾角越大，越容易受到擾動影響，即傾角大越容易發(fā)生突出。

圖7 垂直應力分布云圖和應力檢測點變化情況Fig.7 Vertical stress distribution nephogram and change of stress detection points

通過對比3種傾角煤層的應力隨著開挖距離的變化情況發(fā)現(xiàn)：在距離煤層較遠時，不同傾角的煤層受到的開挖應力擾動影響均有限，基本都保持原始應力水平，隨著進一步開挖，不同傾斜程度的煤層受到擾動的影響距離不同。傾角分別為34°、54°、74°煤層分別在上臺階輪廓線距離揭煤點40、35、30 m左右各自對應的應力監(jiān)測值開始增大，根據(jù)煤層與隧道的傾角關(guān)系，其安全距離L分別約為22、28、29 m。

綜上所述，傾角越大的煤層，其安全巖柱厚度越大，反之越小。

5 結(jié)語

結(jié)合松坎隧道的地質(zhì)情況，建立了高速公路隧道揭煤開挖的多個對比模型，模擬分析了隧道在不同的開挖斷面積和煤層傾角對安全距離的影響。

(1)煤層傾角相同時，隧道開挖斷面面積越大，對煤層的擾動影響距離越大，其需要的安全巖柱的厚度越大；反之斷面面積越小，擾動影響距離越小，對應的安全巖柱厚度越小。

(2)在開挖斷面面積相同時，不同傾斜程度的煤層受到掘進應力擾動的影響最小距離不同，煤層傾角越大，所需要的安全巖柱厚度越大，反之厚度越小。