拱墙采空区对隧道整体稳定性的影响分析

拱墙采空区对隧道整体稳定性的影响分析
邱帅华
【摘要】在资源丰富的山岭地区修建隧道工程时,隧道穿越既有采空区施工将成为必然.采空区段的隧道安全施工往往决定着整条隧道能否顺利贯通,也是全线路工程建设的重中之重.依托某高速公路隧道工程,采用MIDAS构建三维数值模型,探讨了拱墙采空区对隧道整体稳定性的影响规律.结果表明:①拱墙存在采空区时相比不存在采空区的情况,隧道拱顶沉降、隧底隆起、侧墙收敛增长幅度分别为26.7％、20.4％、66.9％,初衬最大拉、压应力增长幅度分别为49.6％、28.1％.可见,拱墙采空区的存在对隧道结构稳定性造成极其不利的影响,严重威胁着隧道的施工及运营安全.②采空区通过采用C20混凝土回填后,隧道拱顶沉降、隧底隆起、侧墙收敛、衬砌应力及地层沉降值均较大程度降低,说明C20混凝土回填措施能够有效地减小采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响.
【期刊名称】《湖南交通科技》
【年(卷),期】2018(044)004
【总页数】5页(P155-159)
【关键词】隧道工程;拱墙;采空区;数值模拟;稳定性;注浆回填
【作者】邱帅华
【作者单位】长沙华南土木工程监理有限公司,湖南长沙410017
【正文语种】中文
【中图分类】U452.2
0 引言
采空区的存在常导致隧道洞周围岩稳定性降低，围岩应力状态重分布，若采空区设计施工处治不当，将会引起隧道路面不均匀沉降、衬砌结构变形、开裂甚至整体坍塌等病害，严重威胁着隧道的施工及运营安全[1,2]。

目前，国内外许多学者通过采用理论分析、数值模拟、室内相似模型试验等手段对穿越采空区隧道稳定性问题开展了系列有益的研究。

赵晨[3]在分析隧道开挖围岩
二次应力场分布规律、采空区承压水对隧道安全防水岩柱的影响机理及釆空区工作面矿压显现规律的基础之上，提出了采空区下铁路隧道安全岩柱稳定性的计算方法。

Zhang[4]依托祁临高速公路常家山隧道工程，采用三维数值模拟手段，深入研究
了隧道开挖对采空区位移变化特征的影响规律，得到了采空区地层稳定性与隧道间距之间的关系。

崔志盛等[5]采用有限元数值方法研究了隧道下伏煤层采空区不同
间距条件下对隧道结构的影响规律，得出了下伏煤层采空区对隧道结构影响的临界距离约为40 m。

当采空区与隧道间距小于临界距离40 m时，施工中必须考虑采空区的存在对隧道及围岩稳定性造成的不利影响；而当两者距离小于10 m时，其不利影响会相当明显，施工中必须采取相应的预加固措施。

方勇等[6,7]依托天坪
寨隧道工程，采用室内相似模型试验，探讨了公路隧道近距下穿煤层采空区施工时围岩变形特性及初期支护内力分布规律，结果表明，当隧道与煤层采空区间距小于1倍洞径时，采空区地层大致处于隧道开挖引起的松动范围以内，并使松动范围进一步扩大，从而增大初期支护上的荷载。

本文通过对某隧道出口端(左洞ZK173+123)拱墙采空区及其实际工况展开三维数
值模拟研究，对比分析不存在采空区、存在采空区但未采用C20混凝土回填及存
在采空区且采用C20混凝土回填3种工况下的数值模拟结果，以期获得采空区对
隧道结构整体稳定性的影响规律，为指导隧道施工、衬砌结构形式和支护参数的设
计提供参考。

1 工程概况与采空区分布规律
1.1 工程概况
某公路隧道左右洞净距约7.1 m，隧道设计速度100 km/h，净高5.0 m。

左洞起止桩号ZK172+793～ZK173+155，长362 m，III级围岩22 m，IV级围岩124 m，V级围岩138 m，明洞18 m；右洞起止桩号YK172+776～YK173+166，
长390 m，III级围岩15 m，IV级围岩120 m，V级围岩240 m，明洞15 m。

左洞为2车道(净宽10.75 m)，右洞为3车道(净宽14.50 m)。

隧道穿越采空区段地层为V级围岩，左洞最大开挖宽度13.2 m，最大开挖高度10.53 m，采用三台阶法施工；右洞最大开挖宽度17.7 m，最大开挖高度11.65 m，采用三台阶法施工。

隧道初期支护采用C25喷锚加工字钢支撑，二衬采用
C30模筑钢筋混凝土。

隧道具体支护设计参数如图1所示。

图1 V级围岩段支护结构设计图(单位： mm)
1.2 采空区统计分布规律
隧道出口端细砂岩和炭质泥岩中采空区形态凌乱，无规则，单个采空区延伸长度短，规模小，据施工记录，揭露的采空区共有8处，其分布位置如图2所示。

采空区
断面尺寸多为5 m×3 m，未见大量采煤迹象，洞壁总体稳定性较好，在隧道右洞洞口揭露的采空区见有支撑，隧道洞内揭露的采空区多无支撑。

采空区中部分为空洞，部分有积水。

据对当地群众的调查，隧道洞口石煤仅发生过个人开挖，未有集体性大规模开挖，未有大型机械设施开挖，持续时间较短，后因挖煤时发生事故停止开采。

1#采空区2#采空区
3#采空区图2 隧道出口端采空区分布位置现场照片
2 拱墙采空区对隧道稳定性的影响
2.1 计算模型与工况
采用有限元软件MIDAS进行分析，考虑圣维南原理，模型边界到隧洞边界的距离应超过5倍洞径，最终计算模型取拱墙采空区对隧道稳定性的有效影响范围130
m×60 m×125 m的土体作为考察范围，计算模型划分21020个单元，23163个节点。

其中，地层采用实体单元模拟，符合摩尔—库仑准则；初期支护采用实体单元模拟，锚杆采用Cable单元模拟，力学模型均采用各向同性弹性模型。

计算
模型四周边界采用滚轴约束，下表面采用固定约束，上表面采用自由约束。

根据研究目的，数值计算通过设置不存在采空区、存在采空区但未采用C20混凝土回填
及存在采空区且采用C20混凝土回填等3种工况，模拟拱墙采空区对隧道结构稳
定性的影响。

其中，采空区位于左线隧道拱墙处，与隧道的净距为3 m，大小尺
寸为5 m×3 m。

围岩和初期支护及锚杆模型网格划分如图3所示。

图3 围岩模型网格划分
2.2 材料参数的选取
计算围岩物理力学参数参考地质勘察报告中试验结果及同类工程经验选取，初期支护力学参数按设计文件及规范选取，模型材料基本力学参数见表1。

其中，初期支护钢筋网、钢拱架和喷射混凝土结合在一起考虑，钢筋网简化为初期支护参数的提高，钢拱架采用复合模量法间接模拟，将其弹性模量换算于喷射混凝土，见式(1)。

二衬作为安全储备不予考虑。

(1)
式中: E为折算后喷射混凝土的弹性模量；E0为原喷射混凝土的弹性模量；Sg为
钢拱架等效面积；Eg为钢拱架的弹性模量；Sc为支护断面截面积。

表1 数值模型基本材料参数材料类型密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/GPa泊松比ν内
摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPaV级围岩2 00010.4 25120钢拱架喷混凝土2 40028.40.25Φ25×5注浆锚杆7 8002000.3
2.3 施工过程模拟
左、右线隧道均采用三台阶法施工，其中右洞施工至9 m时，左洞再开始施工。

计算模型纵向取60 m，隧道开挖进尺为3 m，共模拟20个完整的施工循环。

双
线上、中、下台阶法的开挖步骤为：上台阶开挖1个进尺→上台阶钢拱架喷射混
凝土支护→上、中台阶各开挖1个进尺→上、中台阶钢拱架喷射混凝土支护→上、中、下台阶各开挖1个进尺→上、中、下台阶钢拱架喷射混凝土支护→中、下台
阶各开挖1个进尺→中、下台阶钢拱架喷射混凝土支护→下台阶开挖1个进尺→
下台阶钢拱架喷射混凝土支护。

其中，锚杆均在开挖体移除前一步施作。

3 数值模拟结果分析
3.1 各工况下隧道洞周特征位移分析
隧道洞周特征位移选取拱顶沉降、隧底隆起，以及侧墙收敛进行分析。

不同工况下隧道开挖引起的衬砌结构竖向位移、水平位移云图如图4～图6所示。

不同工况下左洞拱顶沉降、隧底隆起及侧墙收敛的计算值见表2。

a) 左洞竖向位移云图b) 左洞水平位移云图图4 工况1隧道洞周特征点位移云图
a)左洞竖向位移云图b) 左洞水平位移云图图5 工况2隧道洞周特征点位移云图
a) 左洞竖向位移云图b) 左洞水平位移云图图6 工况3隧道洞周特征点位移云图
表2 各工况下隧道洞周特征点位移工况左洞/mm右洞/mm拱顶沉降隧底隆起侧
墙收敛拱顶沉降隧底隆起侧墙收敛工况116.0515.809.5317.4417.559.19工况220.3319.0215.9117.9317.859.82工况316.0315.779.4217.4317.549.18
从表2可以看出，当不存在采空区时，左洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别
为16.05、15.80和9.53 mm，右洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别为17.44、17.55和9.19 mm。

当存在采空区但不采用C20混凝土回填时，左洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别为20.33、19.02和15.91 mm，右洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别为17.93、17.85和9.82 mm。

当存在采空区且采用C20混凝
土回填时，左洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别为16.03、15.77和9.42 mm，右洞拱顶沉降、隧底隆起和侧墙收敛分别为17.43、17.54和9.18 mm。

从计算结果可以看出：①左洞拱墙存在采空区对右洞洞周位移的变化影响相当小，可忽略不计。

②左洞拱墙存在采空区对左洞洞周位移的变化影响较大，存在采空区情况下左洞拱顶沉降比不存在采空区情况下增长幅度为26.7%，左洞隧底隆起增长
幅度为20.4%，左洞侧墙收敛增长幅度为66.9%。

可见当隧道拱墙存在采空区时，采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响相当明显，尤其是侧墙收敛。

采空区通过采用C20混凝土回填后，隧道拱顶沉降、隧底隆起及侧墙收敛均大大降低，此时隧
道洞周位移值比不存在采空区情况下还要略小，说明采用C20混凝土回填能够有
效地控制采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响。

3.2 各工况下隧道衬砌应力分析
隧道衬砌应力选取最大主应力和最小主应力进行分析。

不同工况下隧道开挖引起的衬砌结构最大主应力和最小主应力云图如图7～图9所示。

不同工况下左洞衬砌最大拉应力、最大压应力的计算结果见表3。

从表3可以看出，当不存在采空区时，左洞衬砌最大拉应力和最大压应力分别为1.21和21.93 MPa，右洞衬砌最大拉应力和最大压应力分别为1.71和20.91 MPa。

当存在采空区但不采用C20混凝土回填时，左洞衬砌最大拉应力和最大压
应力分别为1.81和28.10 MPa，右洞衬砌最大拉应力和最大压应力分别为1.80
和21.68 MPa。

当存在采空区且采用C20混凝土回填时，左洞衬砌最大拉应力和
最大压应力分别为1.20和21.80 MPa，右洞衬砌最大拉应力和最大压应力分别为1.71和20.89 MPa。

从衬砌应力计算结果同样可以看出：①左洞拱墙存在采空区对右洞衬砌应力的变化影响相当小，同样可忽略不计。

②左洞拱墙存在采空区对左洞衬砌应力的变化影响较大，存在采空区情况下左洞衬砌最大拉应力比不存在采空区情况下增长幅度为49.6%，左洞衬砌最大压应力增长幅度为28.1%，说明了拱墙采空区的存在对隧道结构稳定性造成极其不利的影响，严重威胁着隧道的施工及运营安全。

采空区通过采用C20混凝土回填后，左洞衬砌最大拉应力和最大压应力均大幅度降低，充分说明了混凝土注浆加固措施能够有效地控制采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响。

a) 左洞衬砌最大主应力云图b)左洞衬砌最小主应力云图图7 工况1隧道衬砌应力云图
a)左洞衬砌最大主应力云图b) 左洞衬砌最小主应力云图图8 工况2隧道衬砌应力云图
a)左洞衬砌最大主应力云图b)左洞衬砌最小主应力云图图9 工况3隧道衬砌应力云图
表3 各工况下隧道衬砌应力工况左洞/MPa右洞/MPa最大拉应力最大压应力最大拉应力最大压应力工况11.2121.931.7120.91工况21.8128.101.8021.68工况31.2021.801.7120.89
3.3 各工况下隧道顶板地层沉降分析
为了深入探讨采空区对隧道周边围岩稳定性的影响，从数值模型中选取隧道顶板上部5 m左右的地层进行分析，提取平面上所有节点的沉降值，绘制出不同工况下
的地层三维沉降曲面，如图10～图12所示。

图10 工况1隧道顶板地层三维沉降曲面
图11 工况2隧道顶板地层三维沉降曲面
图12 工况3隧道顶板地层三维沉降曲面
从图10～图12中可以看出，各工况下的隧道顶板上部5 m左右地层三维沉降曲面均存在2个极值点，分别位于左、右洞正上方。

存在采空区情况下的地层最大沉降值为16.35 mm，不存在采空区情况下的地层最大沉降值为13.70 mm，相比增长幅度为19.3%，且沉降范围也相应增大。

可见，采空区对围岩稳定性的影响也相当明显，当采空区通过采用C20混凝土回填后，地层沉降值及沉降范围与不存在采空区情况下的相接近，再次说明了采用C20混凝土回填能够有效地控制采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响。

4 结论
1) 左洞拱墙存在采空区时相比不存在采空区的情况，左洞拱顶沉降、隧底隆起、侧墙收敛分别从16.0、15.80、9.53 mm增长到20.33、19.02、15.91 mm，增长幅度分别为26.7%、20.4%、66.9%，左洞初衬最大拉、压应力分别从1.21、21.93 MPa增长到1.81和28.93 MPa，增长幅度分别为49.6%、28.1%，说明拱墙采空区的存在对隧道结构稳定性造成极其不利的影响，严重威胁着隧道的施工及运营安全。

2) 采空区通过采用C20混凝土回填后，隧道拱顶沉降、隧底隆起、侧墙收敛、衬砌应力及地层沉降值均较大程度降低，说明了C20混凝土回填措施能够有效地减小采空区对隧道结构及围岩稳定性的影响。

参考文献：
【相关文献】
[1] 陈素侠.采空区隧道稳定性研究——以山西离军高速公路师婆沟隧道为例[D].北京:中国地质大学,2009.
[2] 邵勇.釆空区多灾耦合作用下的隧道稳定性分析[D].南京:南京大学,2012.
[3] 赵晨.采空区下铁路隧道安全岩柱稳定性分析[J].山西煤炭.2011,31(2):31-33.
[4] ZHANG Z P.Numerical simulation on deformation character of surrounding rock masses of Changjiashan tunnel through the mined-out of coal mine[J].Journal of Coal Science and Engineering,2006,12(2):11-15.
[5] 崔志盛，赵凯，龚建伍.公路隧道下伏采空区施工影响数值模拟分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2011,38(7):76-79.
[6] 方勇，符亚鹏，杨志浩，等.公路隧道下穿煤层采空区开挖过程相似模型试验[J].土木工程学报,2015,48(2):125-134.
[7] 方勇，周超月，刘书斌，等.上覆薄煤层采空区公路隧道开挖稳定性试验研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2015,42(7):100-107.
[8] 周光裕.考虑参数相关性的隧道围岩稳定性分析[J].公路工路，2017，42(6)：283-286.
[9] 何杰，苏伟，唐举一.通平高速公路峨公岩隧道洞面采空区处治[J].公路工程，2011，36(4)：153-154.。