采空区极破碎围岩隧道的施工力学行为分析

陈向利

（中铁九局集团第七工程有限公司，辽宁沈阳110000）

摘要：本文结合太原西北二环辛庄上隧道实际围岩情况，重点研究了采空区极破碎围岩状态下施工过程中各项力学行为变化，主要使用有限元手段结合现场实测数据修正，建立了力学分析模型，根据分析结果进而优化了各项施工措施。理论计算与实践结果表明，此项目中采用的有限元分析模型符合实际，施工工艺选择合理，值得在类似工程项目中推广使用。

关键词：采空区；极破碎围岩；隧道开挖力学分析；隧道施工工艺

1 项目背景

辛庄上隧道位于山西省太原市古交市，穿越剥蚀构造基岩低中山区，全长1950m，属于长隧道，隧道最大埋深约183.1m。隧址区范围不良地质主要为采空区和地裂缝。地裂缝由煤矿采空而引发，地面已经产生不均匀沉降，对洞身围岩及洞顶稳定性有较大影响。由于隧址区范围内小煤窑随处可见，私采现象普遍，时间跨度大，地下开采对山体应力调整作用显著，围岩受到极大破坏，呈极破碎状态，因此易导致隧道产生“悬臂效应”或“顶板冒落”。设计时对采空区予以考虑，采取注浆加固处治后进行拟建工程施工，但注浆加固往往不能有效填充已冒落巷道，进而造成隧道施工过程中应力变化复杂，单一的施工工艺难以适应多变的应力场，根据围岩实际情况对施工过程的力学行为进行分析进而优化工艺就显得十分必要。

图1隧址采空区示意图

2 有限元模型的建立

选用商用有限元软件MidasGTS对已处置的隧道采空区开挖范围进行建模分析。根据现场实测值分别对各项材料予以定义。

图2隧址采空区有限元模型

假设隧道左侧采空区治理完成，以砂浆材料模拟，无地应力；隧道右侧为自然状态下围岩，建立模型如图2所示。对建立的材料，赋予属性，其中围岩及水泥注浆采用2D平面应变属性进行模拟，锚杆采用1D植入式桁架单元模拟，初支采用1D梁单元进行模拟，截面尺寸根据现场实际情况进行设置。具体材料赋值情况见表1。

表1材料参数表

参数 材料名称	弹性模量 （kN/m²）	泊松比	容重 （kN/m³）
围岩	1.50E+06	0.4	25
锚杆	2.10E+08	0.2	78
初支	3.00E+07	0.3	23
水泥浆	3.60E+07	0.1	18

材料建立完成后，根据图纸尺寸，使用几何功能下的隧道截面功能建立隧道及围岩模型，使用直线工具对隧道和围岩进行划分，模拟台阶法开挖工序和采空区注浆处理。

在保证计算速度的同时，为防止模型解算过程中不收敛，提前进行网格尺寸重划分，隧道附近区域网格尺寸设置为1m，其余部分尺寸设置为5m。

采用1D、2D网格分别生成锚杆、桁架、上台阶、下台阶、仰拱、围岩、水泥注浆网格模型。

网格建立完成后，对建立的模型赋予约束和自重，其中约束采用自动约束模式，自重由程序自动加载。

完成所有建模工作后，添加应力施工阶段组，进行施工阶段模拟，共设置7个施工阶段：①未开挖阶段、②上台阶开挖阶段、③上台阶支护阶段、④下台阶开挖阶段、⑤下台阶支护阶段、⑥仰拱开挖节段、⑦仰拱支护阶段。针对不同施工阶段，对隧道结构进行相应的激活和钝化，最后对施工阶段进行分析。

3 施工过程力学行为分析

   模型的建立以垂直隧道的水平轴为X轴，以垂直隧道的竖直轴为Y轴，分析各施工阶段的岩体受力及变形情况。

（1）未开挖阶段

未开挖节段，岩体整体稳定性未遭到破坏，总体位移为0，X轴方向的总应力最大值在注浆加固处，为-2006.99kN/m²，如图3所示。Y轴方向的总应力最大值在注浆加固处，为-4868.80kN/m²，如图4所示。

图3X轴方向的总应力最大处

图4  Y轴方向的总应力最大处

（2）上台阶开挖阶段

上台阶开挖阶段，岩体最大位移为11.929mm，位于原围岩拱脚处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-1795.58kN/m²,Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-7852.98kN/m²。

（3）上台阶支护阶段

上台阶支护阶段，岩体最大位移为11.924mm，位于原围岩拱脚处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-1796.73kN/m²，Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-7870.91kN/m²,初支及锚杆的最大轴力均出现在未注浆加固的一侧，分别为-8.05kN、1.24kN。

（4）下台阶开挖阶段

下台阶开挖阶段，岩体最大位移为14.107mm，位于原围岩拱墙处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-2052.02kN/m²，Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-8152.39kN/m²,初支及锚杆的最大轴力均出现在未注浆加固的一侧。分别为-274.20kN、45.08kN。

（5）下台阶支护阶段

下台阶支护阶段，岩体最大位移为14.114mm，位于原围岩拱墙处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-2053.28kN/m²，Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-8152.91kN/m²,初支及锚杆的最大轴力均出现在未注浆加固的一侧。分别为-273.83kN、45.27kN。

（6）仰拱开挖阶段

仰拱阶开挖阶段，岩体最大位移为14.294mm，位于原围岩拱墙处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-2842.02kN/m²，Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-8112.40 kN/m²,初支及锚杆的最大轴力均出现在未注浆加固的一侧。分别为-347.34kN、44.52kN。

（7）仰拱支护阶段

仰拱支护阶段，岩体最大位移为14.295mm，位于原围岩拱墙处，X轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-2835.81kN/m²，Y轴方向的总应力最大值在开挖面左侧，为-8100.409kN/m²,初支及锚杆的最大轴力均出现在未注浆加固的一侧。分别为-347.34kN、44.53kN。

4 现场试验观测

根据辛庄上隧道施工进展情况，取右洞Tk6+060至Tk6+160作为实验段，每5m布设一个监测断面，主要对拱顶下沉、周边位移、围岩应力、锚杆和钢架的工作状态进行监测。其中拱顶下沉与周边位移采用全站仪观测，位移监测点布置如图5所示。

图5位移监测点布置图

观测数据如表2：

表2 位移监测表

序号	断面桩号	量测项目	围岩级别	本周累计变形量（mm）	平均下沉速率（mm/d）
1	右洞 Tk6+060上台阶	拱顶沉降	V	0.3	0.0
		A
		周边位移	V	0.4	0.1
		B
		周边位移	V	8.6	1.2
		C
2	右洞 Tk6+060下台阶	周边位移	V	2.5	0.4
		D
		周边位移	V	4.8	0.7
		E
3	右洞 Tk6+060仰拱	周边位移	V	1.5	0.2
		F
		周边位移	V	4.0	0.6
		G

围岩应力采用锚杆测力计进行观测，观测点布置如上图5。

观测数据见下表3：

表3 应力监测表

断面桩号	传感器编号	深度（m）	起始围岩应力（MPa）	当前围岩应力（MPa）	增加值（MPa）
右洞 Tk6+060	1	8	1.82	1.98	0.17
	2	8	1.90	2.03	0.13
	3	8	0.78	0.94	0.16
	4	8	1.50	1.62	0.12
	5	8	0.68	0.88	0.20
	6	8	2.23	2.37	0.15
	7	8	1.71	1.81	0.10
右洞 Tk6+065	8	8	1.30	1.47	0.17
	9	8	1.39	1.51	0.11
	10	8	0.64	0.82	0.18
	11	8	1.25	1.43	0.18
	12	8	0.50	0.63	0.13
	13	8	2.37	2.49	0.12
	14	8	1.46	1.64	0.18

5 数值分析与观测数据结果对比分析

通过第三章隧道开挖力学行为建模计算，对比第四章现场监控量测数据，得到隧道开挖理论数据和实测数据对比图如图6、7。

图6 变形对比图

图7 应力对比图

通过现场实际观测数据与有限元模拟结果进行对比可得，现场实际位移及应力变化与模拟结果基本符合。其中变形值在观测点BDF处差异最小，且变形数值最小，反应出隧道开挖对已处理的采空区影响较小，有限元模拟时采取的采空区无地应力假设正确。应力值在观测点BE处较大，反应出原围岩在开挖支护完成后，对采空区结石体产生较大的侧压力，在施工时需要对相应位置加强观测，做好预防措施，防止倾出。

6 结论

根据隧道开挖前围岩的应力状态，从力学角度分析隧道采空区施工过程中可能发生的力学行为破坏，借助模型及实际现场试验观测数据，提前做好对应施工预防方案，保证施工安全。

通过现场实际观测数据与有限元模拟结果，原围岩在开挖支护完成后，对采空区结石体产生较大的侧压力，在施工时需要对相应位置加强观测，做好预防措施，防止倾出。

参考文献：

[1]《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010), 本文简称《混凝土规范》.

[2]《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012), 本文简称《荷载规范》.

[3]《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010), 本文简称《抗震规范》.

[4]《地铁设计规范》(GB 50157-2013),本文简称《地铁规范》.

[5]《公路隧道设计规范》(JTG D70-2-2014),本文简称《隧道规范》