隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

收稿日期：2015-09-22 基金项目：国家自然科学基金（No. 51278422） ； “十二五”国家科技支撑计划课题（No. 2012BAG05B03） ；四川省青年科技基金（No. 2012JQ0021） 。 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51278422), the Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period (2012BAG05B03) and the Sichuan Province Science Foundation for Youths (2012JQ0021). 第一作者简介：符亚鹏，男，1990 年生，硕士，助理工程师，主要从事隧道施工力学研究。E-mail: fyp19900328@foxmail.com 通讯作者：方勇，男，1981 年生，博士，副教授，主要从事隧道施工力学研究。E-mail: fy980220@swjtu.cn
பைடு நூலகம்
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岩
土
力
学
2016 年
1
引
言
2
离散元颗粒流数值计算
本文依托于天坪寨隧道，总长 3 676 m，拟开
煤层采空区指煤系地层煤层开采后遗留下的 空间区域，根据隧道开挖断面与采空区冒落带的相 对空间位置关系，采空区位于隧道下方的是下伏采 空区。下伏采空区给隧道工程带来的危害，即降低 了隧道下方围岩承载能力，改变了隧道洞周围岩应 力分布形态，若设计施工处治不当，会引起隧道路 面不均匀沉降，造成隧道衬砌结构开裂破坏，甚至 造成隧道衬砌结构整体沉陷，构成隧道施工及后期 营运安全等方面的潜在隐患[1]。 从现有规范可以看出，下伏采空区给隧道带来 的危害远远高于上覆采空区[2]，设计施工中关于下 伏采空区地层的处治已取得了可靠的成果[36]， 且下 伏采空区地层隧道开挖稳定性也取得了丰硕的成 果。杨斌[7]采用弱化围岩参数的手段近似模拟了煤 层采空区“三带”的承载能力，针对下伏单煤层采 空区隧道开挖稳定性及施工安全间距进行了相应研 究。王树仁等[8]从下伏采空区地层的沉陷特征和易 产生沉陷的关键部位着手开展了研究，为下伏采空 区地层注浆孔的设计提供合理依据。李晓宏等[9]运 用有限元数值模拟手段完成了穿煤采空区段隧道初 期支护系统动态模拟，并与现场施工检测数据相互 印证，优化了后期支护方案。张志祥等[10]采用相似 模型试验手段，研究了交通荷载作用下下伏采空区 地层覆岩移动特征。严广艺[11]以下伏煤层采空区地 层官牌隧道建设为工程背景，归纳了下伏煤层采空 区地层的处治对策和隧道设计原则。廖沛源[12]采用 理论计算，研究了煤层采空区引起的隧道附加荷载 问题。方勇等[1314]采用室内模型试验手段，研究了 上覆单层和双层煤层采空区地层隧道初支背后接 触压力及内力分布特征。然而关于下伏采空区地 层隧道衬砌背后土压力和衬砌内力特征等方面鲜 见报道。 综上所述，煤层采空区地层公路隧道开挖稳定 性及处治对策方面已有大量有价值的研究成果，但 少有对煤层采空区地层隧道设计荷载及受荷特性等 方面研究。以往的研究中大多是以“空洞”形式的 采空区为研究对象，本文是以煤矿开采放顶后形成 的充满破碎岩石的老采空区（由冒落带、裂隙带、 弯曲带构成）为研究对象，采用离散元颗粒流软件和 室内模型试验完成了煤层采空区地层承载能力和构 造形态的近似模拟， 获得了下伏近水平薄煤层采空区 地层隧道开挖细观破坏特性和衬砌结构受荷特性。
增刊 1
符亚鹏等：隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征
2.1 依托工程概况 挖跨度约 12.74 m，高约 10 m，隧道断面如图 1 所 示。采空区段围岩级别为Ⅳ级，对隧道施工运营影 响最大煤层厚约 0.3～0.6 m。
图 1 隧道衬砌断面图(单位：cm) Fig.1 Tunnel lining section(unit: cm)
2.2 离散元颗粒流模型 与以往连续介质模型不同，离散元颗粒流计算 软 件 将 岩 体介 质 离 散成 圆 饼 （ PFC2D ） 或 圆球 （PFC3D） ，通过赋予一定的本构关系和颗粒细观 参数来完成宏观物理力学性能的模拟，实现大变形 和离散体等特性的较精确模拟，也可以实现采空区 “三带”的承载能力和构造形态的相似模拟。 采空区地层隧道施工是一个三维空间问题，当 采空区分布方向与隧道纵向开挖方向一致时，隧道 三维开挖问题可以划分为无数个二维问题分析，如 图 2 所示，隧道与采空区的空间位置关系主要体现 在改变其分布间距上。
Abstract: In order to study ground disturbance induced by tunnel construction and characteristics of lining structure under load in underlying horizontal thin coal mined-out area, numerical analysis software is used to simulate the vibration of ground stress from meso-level; meanwhile, indoor tests of similarity model is carried out to measure earth pressure acting on tunnel lining and structure internal force of secondary lining(axial force and bending moment) in the strata beneath thin seam mined-out area to analyze the influences of pitch on the earth pressure and internal forces of secondary lining under confining pressure. The test results demonstrate that the loosening zone of surrounding rock induced by tunnel excavation takes on O-shape in underlying horizontal thin coal mined-out area; and the particle contact force of the underlying wall rocks of the tunnel is less than that of the overlaying rock of the tunnel. The greater the convergence of tunnel inner perimeter, the greater the particle contact force of discontinuity region. The smaller the pitch, the larger the particle contact force discontinuity region, when the pitch is larger than 2.0D, the impact of underlying mined-out area to particle contact force fade away. The subgrade reaction is reduced by underlying mined-out area; the smaller the pitch, the higher the degree of reduction. Internal force of secondary lining is discrete distributed. As the weak part of main structure of tunnel, the first crack appeared in invert of secondary lining. Keywords: tunnel excavation; underlying mined-out area; PFC; soil disturbance; model test; loading characteristics
(1. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an, Shaanxi 710043, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China; 3. Sichuan Road & Bridge Construction Company, Chengdu, Sichuan 610041, China)
Soil disturbance caused by tunnel excavation and lining loading characteristics in underlying horizontal thin coal mined-out area
FU Ya-peng1, 2, YAO Zhi-gang2, FANG Yong2, CHEN Xian-guo3
图 2 隧道与采空区空间位置示意图 Fig.2 Space position sketch of tunnel and mined-out area
根据隧道力学经验[15]以及圣维南原理，选取计 算模型的高×宽为 110 m×100 m， 如图 3 所示。 模拟 隧道埋深为 65 m，计算中选取开采厚度为 1.0 m 开
（1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031； 3. 四川路桥建设股份有限公司，四川 成都 610041）
摘 要：为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性，采用离散元颗粒流软件，从细观角 度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析， 同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后 土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩） ，分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明，下伏煤 层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布，隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩；洞周允许位移 越大，颗粒接触力链间断区域越大；间距越小，颗粒接触力链间断区域越大，当间距大于 2.0D（D 为隧道跨度）时，下伏 采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失，降低了地基反力，间距越小，降低程度越高；二次衬砌内力分布有一定的离散 性，二次衬砌裂缝最先出现在拱底，是隧道主体结构的薄弱环节。 关 键 词：隧道开挖；下伏薄煤层采空区地层；离散元颗粒流；地层扰动；模型试验；受荷特性 中图分类号：U 452 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2016) 增 1－0117－09
第 37 卷增刊 1 2016 年 6 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2016.S1.015
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.1 Jun. 2016
隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的 扰动及衬砌受荷特征
符亚鹏 1, 2，姚志刚 2，方 勇 2，陈先国 3