山西靈芝隧道下穿采空區(qū)段應力分析

山西靈芝隧道下穿采空區(qū)段應力分析

1采空區(qū)圍巖治理方案近年來，隨著人井的增加，交通道路和鐵路建設的范圍不斷擴大，交通路線經(jīng)過的情況也逐漸改善。采空區(qū)上覆巖體的冒落塌陷往往會引起地面沉降塌陷,給隧道此類隱蔽工程的穩(wěn)定帶來了極大的安全隱患。數(shù)值模擬法在采空區(qū)隧道中的應用主要是有限單元法、邊界單元法、離散單元法以及有限差分法。其中采用有限單元法的情況較多,目前它已成為隧道工程圍巖穩(wěn)定性分析和支護強度計算的有力工具?；诓煽諈^(qū)圍巖在加固處理后實測數(shù)據(jù)反映出圍巖的應力應變基本屬于彈性變化,而在彈性工作階段,圍巖塊體間的位移很小,結構近似為連續(xù)結構,故本文也采用此方法。采空區(qū)的治理方案主要由地表變形特征、地質(zhì)與采礦特征等因素決定,采空區(qū)的規(guī)模和位置不同,其治理方案也不同。目前主要以注漿法為主,主要形式有注漿加固、支護補強、注漿回填等。有時也采用鋼筋混凝土筏基和大口徑樁基礎等,主要治理形式有跨越、回填、支撐等。因此,通過對隧道下穿采空區(qū)段的采空區(qū)應力,以及隧道洞室的拱頂沉降和周邊收斂進行監(jiān)測,從而對采空區(qū)隧道的穩(wěn)定性進行評價分析,采取合理的工程技術措施,為保證隧道穿越既有采空區(qū)的安全、快速施工和隧道建成后的安全運行提供可靠保證,并為以后類似工程提供借鑒。2采空區(qū)現(xiàn)有石礦安全隱患靈石隧道位于山西省靈石縣縣城西郊,起點位于靈石縣劉家村,終點位于橋西村,里程為K21+413.288~K23+776.902。左線為既有108國道改建,右線主要為新建靈石隧道工程。對隧道有影響的石膏礦采空區(qū)分布于K21+430~K22+455,采空區(qū)長度880m,其中運輸巷道影響隧道長度110m,其中K21+770~K21+810和K22+125~K22+195為石膏礦現(xiàn)有運輸巷道。采空區(qū)段的圍巖性質(zhì)及其對隧道的影響程度見表1,采空區(qū)與隧道的相對位置見示意圖1。3有限差分模擬3.1數(shù)值模擬的基本假設和參數(shù)選擇3.1.1隧道的受力和變形(1)計算采用彈塑性模型,假設巖體材料為應變硬化材料,認為支護體系的受力和變形均在彈性變化范圍內(nèi);(2)不考慮巖土體的各向非均質(zhì)性,認為巖體的變形是各向同性的;(3)隧道的受力和變形是平面應變問題;(4)巖體的初始應力場僅考慮其自重應力場,不考慮地層的結構應力場。3.1.2表2顯示了從模擬參數(shù)中選擇模擬單元的物理力學參數(shù)的情況3.2模擬過程和選定的區(qū)域3.2.1圍巖綜合判定選擇K21+730~K21+760段作為模擬區(qū)段,并重點在該區(qū)段埋設應力與應變量測裝置,以此驗證數(shù)值模擬的科學性。該區(qū)段圍巖由強到弱風化白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾石膏層、亞砂土夾碎石組成,裂隙發(fā)育,無地下水,呈松散到裂隙狀結構,圍巖綜合判定為Ⅴ級,圍巖穩(wěn)定性差。該段采空區(qū)斷面近似矩形,采空區(qū)與隧道平行。該段采空區(qū)底板平均厚度為7.4m,平均高度為5m,平均跨度為16m。采空區(qū)總長30m,采空區(qū)未塌落,無積水,地表未見裂縫,采空區(qū)段隧道開挖進度約3m/d,工期10d。3.2.2采空區(qū)開挖單元隧道開挖支護的模擬過程:(1)開挖洞室上部巖體通過殺死被開挖部分對應的單元來模擬;(2)對隧洞上部進行初期支護,通過激活支護單元并改變單元材料屬性來模擬;(3)開挖隧洞下部巖體;(4)對洞室下部進行支護;(5)做隧道仰拱。假定采空區(qū)一次開挖成型,不考慮采空區(qū)的多次采動過程。有限元模型所取的地層范圍:模型計算范圍水平方向取距隧道中心5倍洞徑,模型的邊界條件采用施加約束的方法,在模型的底面,左右兩側(cè)以及前后兩個側(cè)面均施加固定支座約束其自由度,上部為模擬地表的自由邊界,距離根據(jù)埋深確定,未受任何約束。3.3根據(jù)采空區(qū)和隧道塑性區(qū)的不同情況確定底板安全厚度在模擬計算過程中,通過改變模擬采空區(qū)底板厚度來模擬采空區(qū)與隧道不同位置時的情況,根據(jù)采空區(qū)和隧道塑性區(qū)是否貫通連接,確定隧道頂板(采空區(qū)底板)安全厚度。最終得到采空區(qū)底板的最小安全厚度為7m。采空區(qū)底板厚度小于安全厚度的區(qū)域為采空區(qū)對隧道影響嚴重的區(qū)域,需對該采空區(qū)段進行重點治理。3.4模擬結果研究里程段隧道的拱頂下沉和周邊收斂模擬值見表3。4塑性區(qū)范圍的確定隧道開挖引起隧道應力重新分布,當隧道圍巖應力大于該處巖體強度時,使隧道周邊向圍巖內(nèi)一定范圍的巖體產(chǎn)生松動破壞與塑性變形,形成塑性區(qū)。一般認為,隧道開挖引起的塑性擾動范圍為隧道開挖半徑的3~5倍,在3倍跨度處的應力變化一般在10%以下,在5倍跨度處一般在3%以下。為此,應對這一范圍內(nèi)的采空區(qū)加強支護以防止隧道產(chǎn)生大變形,避免破壞范圍的擴大。而塑性區(qū)范圍可以通過現(xiàn)場監(jiān)控量測得到,也可以通過下式計算塑性區(qū)的半徑R0的大小:R0=a[p+ccotφpi+ccotφ(1?sinφ)]1?sinφ2sinφ(1)R0=a[p+ccotφpi+ccotφ(1-sinφ)]1-sinφ2sinφ(1)式中:a為隧道的開挖面半徑;p為原巖應力;pi為支護對隧道圍巖的反力;c為擾動后隧道圍巖的內(nèi)聚力;φ為擾動后隧道圍巖的內(nèi)摩擦角。4.1采空區(qū)底板及錨桿設置根據(jù)采空區(qū)特征和隧道的關系,分別采用漿砌片石護拱、鋼架支撐、漿砌片石墩柱等多種方案對采空區(qū)進行處理。對于采空區(qū)位于隧道洞身段,采用M7.5水泥砂漿砌MU30片石,在隧道側(cè)壁15m范圍內(nèi)砌筑墩柱,從采空區(qū)底板砌筑至頂板,同時隧道進行砂漿片石護拱。墩柱采用未風化的堅硬砂石或灰?guī)r片石砌筑至采空區(qū)頂板,不留縫隙。其橫截面為正方形,邊長為2m,平均高度為6m。墩臺沿隧道中軸線兩側(cè)布設,橫向間距為4.5m,縱向間距為15m,梅花形布設。對于采空區(qū)位于隧道洞頂圍巖段。采空區(qū)底板位于隧道頂上0~7m范圍,除在隧道中線兩側(cè)15m進行砂漿片石砌筑墩柱外,還在隧道頂上增加鋼拱架進行支護,并在鋼拱架間填充輕型材料等。鋼拱架縱向間距80cm?？v橫向采用Φ22鋼筋連接,以增加鋼拱架的強度與穩(wěn)定性。輕型材料為聚乙烯輕型材料回填,阻止采空區(qū)變形和坍塌。由于本段采空區(qū)距隧道頂部較近,隧道設計中采用了加強支護措施。隧道頂部設置超前小導管,小導管支撐在鋼拱架上,小導管采用直徑為50mm長4.5m的鋼管,環(huán)向間距35cm,管內(nèi)壓注水泥—水玻璃雙液漿,管內(nèi)注漿參數(shù)水泥漿的水灰比為0.6∶1,水玻璃的波美度為35,其與水泥漿體積比為0.4∶1。同時設置長度為3.5mm,間距為80cm的φ25中空注漿錨桿,錨桿按梅花形布設。對于采空區(qū)底板位于隧道頂上10~17m。采用M7.5水泥砂漿砌MU30片石,在隧道側(cè)壁15m范圍內(nèi)砌筑墩柱,從采空區(qū)底板砌筑至采空區(qū)頂板。隧道不進行砌筑片石護拱和鋼拱架支撐。4.2應力儀器的選用在采空區(qū)底部選擇如下圖所示的位置砌筑12根100mm×100mm的混凝土方柱。在混凝土柱子接近采空區(qū)頂部位置埋置壓力盒。壓力盒型號為HXY,規(guī)格為0.6MPa。同時在采空區(qū)軸線部位樹立四個工字鋼,在工字鋼兩面腹板焊接軸力計。軸力計型號為HXG,規(guī)格為Φ25。工字鋼和方柱均要求與采空區(qū)頂部和底部充分接觸。應力儀器布置圖如圖2所示;其中矩形代表方柱,工字型代表工字鋼。采空區(qū)部分采用的數(shù)據(jù)采集儀器為MB-6T正弦式讀數(shù)儀。采空區(qū)檢測數(shù)據(jù)如圖3~5所示:4.3采空區(qū)應力應變的變化由各觀測點的數(shù)據(jù)變化可知,采空區(qū)經(jīng)處理后,各個觀測點的數(shù)值變化比較緩慢,且逐漸趨于穩(wěn)定。即采空區(qū)處理以后,采空區(qū)上下板的應力應變變化基本屬于彈性變化,沒有出現(xiàn)塑性變形。由此可見,采用本文提出的采空區(qū)治理方案是可靠有效的,采空區(qū)不會出現(xiàn)突然的大面積坍塌。5通過實驗和結果分析隧道拱坍塌和周圍彎曲5.1收斂位移-時間曲線實測法洞室拱頂下沉量測測點布置在開挖面下沉變化最大的地方。每10m設一個檢測斷面,每個斷面布設1條測線,在開挖后24h內(nèi)和下次開挖之前設點并讀取初始值,采用精密水準儀和鋼尺進行水準測量。根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制的收斂位移-時間曲線會起伏不定,需要進行相關處理,應用數(shù)學方法對測量數(shù)據(jù)進行回歸分析,找出隧道圍巖變形隨時間變化的規(guī)律。拱頂下沉實際累計量測值曲線與回歸曲線如圖6~8所示。5.2收斂測量方法隧道周邊位移是圍巖應力狀態(tài)變化的最直觀反映,量測周邊位移可為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供最直觀、可靠的信息。該隧道周邊位移量測主要量測兩側(cè)邊墻收斂值,沿隧道軸線方向與拱頂下沉測點在同一里程處每10m設一個斷面,每個斷面在墻腳以上1.5m處設一條水平收斂測線,采用JSS305A數(shù)顯式收斂計量測,設點及測試頻率同拱頂下沉。周邊收斂值曲線及其回歸曲線如圖9~11所示。5.3支護系統(tǒng)模擬分析結果根據(jù)位移—時間關系曲線可以對圍巖的穩(wěn)定性做出如下的判斷:d2u/dt2<0,說明變形速率下降,圍巖趨于穩(wěn)定;d2u/dt2=0,說明變形速率保持不變,應發(fā)出警告,及時加強支護系統(tǒng);d2u/dt2>0,說明變形速率加快,已進入危險狀態(tài),須立即停工采取應急措施。經(jīng)回歸計算后得知,各斷面量測數(shù)據(jù)的回歸函數(shù)d2u/dt2<0,說明圍巖在逐漸穩(wěn)定。模擬結果和現(xiàn)場實測結果大都基本保持一致,說明本文應用的假設和屈服準則建立的數(shù)值模擬分析結果準確可靠。其中有一部分模擬結果和實測結果不一致,且差別較大。主要是由于圍巖地質(zhì)條件復雜性和不完全確定性以及計算方法難以準確模擬巖體的實際情況,所以模擬結果必然會和實測結果存在一定的偏差。6.仿真型采空區(qū)隧道的施工模擬所選的方案通過對靈石隧道采空區(qū)的應力檢測,采空區(qū)段隧道的拱頂下沉和周邊收斂進行檢測,以及采空區(qū)段的有限元數(shù)值模擬得出了以下結論:(1)建立有限元模型所采用的基本假定,以及模擬的過程和模擬所選的范圍是適合此類采空區(qū)隧道的,可以為以后類似工程提供借鑒。(