山西灵芝隧道下穿采空区段应力分析

山西灵芝隧道下穿采空区段应力分析

1采空区围岩治理方案近年来，随着人井的增加，交通道路和铁路建设的范围不断扩大，交通路线经过的情况也逐渐改善。采空区上覆岩体的冒落塌陷往往会引起地面沉降塌陷,给隧道此类隐蔽工程的稳定带来了极大的安全隐患。数值模拟法在采空区隧道中的应用主要是有限单元法、边界单元法、离散单元法以及有限差分法。其中采用有限单元法的情况较多,目前它已成为隧道工程围岩稳定性分析和支护强度计算的有力工具。基于采空区围岩在加固处理后实测数据反映出围岩的应力应变基本属于弹性变化,而在弹性工作阶段,围岩块体间的位移很小,结构近似为连续结构,故本文也采用此方法。采空区的治理方案主要由地表变形特征、地质与采矿特征等因素决定,采空区的规模和位置不同,其治理方案也不同。目前主要以注浆法为主,主要形式有注浆加固、支护补强、注浆回填等。有时也采用钢筋混凝土筏基和大口径桩基础等,主要治理形式有跨越、回填、支撑等。因此,通过对隧道下穿采空区段的采空区应力,以及隧道洞室的拱顶沉降和周边收敛进行监测,从而对采空区隧道的稳定性进行评价分析,采取合理的工程技术措施,为保证隧道穿越既有采空区的安全、快速施工和隧道建成后的安全运行提供可靠保证,并为以后类似工程提供借鉴。2采空区现有石矿安全隐患灵石隧道位于山西省灵石县县城西郊,起点位于灵石县刘家村,终点位于桥西村,里程为K21+413.288~K23+776.902。左线为既有108国道改建,右线主要为新建灵石隧道工程。对隧道有影响的石膏矿采空区分布于K21+430~K22+455,采空区长度880m,其中运输巷道影响隧道长度110m,其中K21+770~K21+810和K22+125~K22+195为石膏矿现有运输巷道。采空区段的围岩性质及其对隧道的影响程度见表1,采空区与隧道的相对位置见示意图1。3有限差分模拟3.1数值模拟的基本假设和参数选择3.1.1隧道的受力和变形(1)计算采用弹塑性模型,假设岩体材料为应变硬化材料,认为支护体系的受力和变形均在弹性变化范围内;(2)不考虑岩土体的各向非均质性,认为岩体的变形是各向同性的;(3)隧道的受力和变形是平面应变问题;(4)岩体的初始应力场仅考虑其自重应力场,不考虑地层的结构应力场。3.1.2表2显示了从模拟参数中选择模拟单元的物理力学参数的情况3.2模拟过程和选定的区域3.2.1围岩综合判定选择K21+730~K21+760段作为模拟区段,并重点在该区段埋设应力与应变量测装置,以此验证数值模拟的科学性。该区段围岩由强到弱风化白云质灰岩、泥灰岩夹石膏层、亚砂土夹碎石组成,裂隙发育,无地下水,呈松散到裂隙状结构,围岩综合判定为Ⅴ级,围岩稳定性差。该段采空区断面近似矩形,采空区与隧道平行。该段采空区底板平均厚度为7.4m,平均高度为5m,平均跨度为16m。采空区总长30m,采空区未塌落,无积水,地表未见裂缝,采空区段隧道开挖进度约3m/d,工期10d。3.2.2采空区开挖单元隧道开挖支护的模拟过程:(1)开挖洞室上部岩体通过杀死被开挖部分对应的单元来模拟;(2)对隧洞上部进行初期支护,通过激活支护单元并改变单元材料属性来模拟;(3)开挖隧洞下部岩体;(4)对洞室下部进行支护;(5)做隧道仰拱。假定采空区一次开挖成型,不考虑采空区的多次采动过程。有限元模型所取的地层范围:模型计算范围水平方向取距隧道中心5倍洞径,模型的边界条件采用施加约束的方法,在模型的底面,左右两侧以及前后两个侧面均施加固定支座约束其自由度,上部为模拟地表的自由边界,距离根据埋深确定,未受任何约束。3.3根据采空区和隧道塑性区的不同情况确定底板安全厚度在模拟计算过程中,通过改变模拟采空区底板厚度来模拟采空区与隧道不同位置时的情况,根据采空区和隧道塑性区是否贯通连接,确定隧道顶板(采空区底板)安全厚度。最终得到采空区底板的最小安全厚度为7m。采空区底板厚度小于安全厚度的区域为采空区对隧道影响严重的区域,需对该采空区段进行重点治理。3.4模拟结果研究里程段隧道的拱顶下沉和周边收敛模拟值见表3。4塑性区范围的确定隧道开挖引起隧道应力重新分布,当隧道围岩应力大于该处岩体强度时,使隧道周边向围岩内一定范围的岩体产生松动破坏与塑性变形,形成塑性区。一般认为,隧道开挖引起的塑性扰动范围为隧道开挖半径的3~5倍,在3倍跨度处的应力变化一般在10%以下,在5倍跨度处一般在3%以下。为此,应对这一范围内的采空区加强支护以防止隧道产生大变形,避免破坏范围的扩大。而塑性区范围可以通过现场监控量测得到,也可以通过下式计算塑性区的半径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为隧道的开挖面半径;p为原岩应力;pi为支护对隧道围岩的反力;c为扰动后隧道围岩的内聚力;φ为扰动后隧道围岩的内摩擦角。4.1采空区底板及锚杆设置根据采空区特征和隧道的关系,分别采用浆砌片石护拱、钢架支撑、浆砌片石墩柱等多种方案对采空区进行处理。对于采空区位于隧道洞身段,采用M7.5水泥砂浆砌MU30片石,在隧道侧壁15m范围内砌筑墩柱,从采空区底板砌筑至顶板,同时隧道进行砂浆片石护拱。墩柱采用未风化的坚硬砂石或灰岩片石砌筑至采空区顶板,不留缝隙。其横截面为正方形,边长为2m,平均高度为6m。墩台沿隧道中轴线两侧布设,横向间距为4.5m,纵向间距为15m,梅花形布设。对于采空区位于隧道洞顶围岩段。采空区底板位于隧道顶上0~7m范围,除在隧道中线两侧15m进行砂浆片石砌筑墩柱外,还在隧道顶上增加钢拱架进行支护,并在钢拱架间填充轻型材料等。钢拱架纵向间距80cm。纵横向采用Φ22钢筋连接,以增加钢拱架的强度与稳定性。轻型材料为聚乙烯轻型材料回填,阻止采空区变形和坍塌。由于本段采空区距隧道顶部较近,隧道设计中采用了加强支护措施。隧道顶部设置超前小导管,小导管支撑在钢拱架上,小导管采用直径为50mm长4.5m的钢管,环向间距35cm,管内压注水泥—水玻璃双液浆,管内注浆参数水泥浆的水灰比为0.6∶1,水玻璃的波美度为35,其与水泥浆体积比为0.4∶1。同时设置长度为3.5mm,间距为80cm的φ25中空注浆锚杆,锚杆按梅花形布设。对于采空区底板位于隧道顶上10~17m。采用M7.5水泥砂浆砌MU30片石,在隧道侧壁15m范围内砌筑墩柱,从采空区底板砌筑至采空区顶板。隧道不进行砌筑片石护拱和钢拱架支撑。4.2应力仪器的选用在采空区底部选择如下图所示的位置砌筑12根100mm×100mm的混凝土方柱。在混凝土柱子接近采空区顶部位置埋置压力盒。压力盒型号为HXY,规格为0.6MPa。同时在采空区轴线部位树立四个工字钢,在工字钢两面腹板焊接轴力计。轴力计型号为HXG,规格为Φ25。工字钢和方柱均要求与采空区顶部和底部充分接触。应力仪器布置图如图2所示;其中矩形代表方柱,工字型代表工字钢。采空区部分采用的数据采集仪器为MB-6T正弦式读数仪。采空区检测数据如图3~5所示:4.3采空区应力应变的变化由各观测点的数据变化可知,采空区经处理后,各个观测点的数值变化比较缓慢,且逐渐趋于稳定。即采空区处理以后,采空区上下板的应力应变变化基本属于弹性变化,没有出现塑性变形。由此可见,采用本文提出的采空区治理方案是可靠有效的,采空区不会出现突然的大面积坍塌。5通过实验和结果分析隧道拱坍塌和周围弯曲5.1收敛位移-时间曲线实测法洞室拱顶下沉量测测点布置在开挖面下沉变化最大的地方。每10m设一个检测断面,每个断面布设1条测线,在开挖后24h内和下次开挖之前设点并读取初始值,采用精密水准仪和钢尺进行水准测量。根据实测数据绘制的收敛位移-时间曲线会起伏不定,需要进行相关处理,应用数学方法对测量数据进行回归分析,找出隧道围岩变形随时间变化的规律。拱顶下沉实际累计量测值曲线与回归曲线如图6~8所示。5.2收敛测量方法隧道周边位移是围岩应力状态变化的最直观反映,量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供最直观、可靠的信息。该隧道周边位移量测主要量测两侧边墙收敛值,沿隧道轴线方向与拱顶下沉测点在同一里程处每10m设一个断面,每个断面在墙脚以上1.5m处设一条水平收敛测线,采用JSS305A数显式收敛计量测,设点及测试频率同拱顶下沉。周边收敛值曲线及其回归曲线如图9~11所示。5.3支护系统模拟分析结果根据位移—时间关系曲线可以对围岩的稳定性做出如下的判断:d2u/dt2<0,说明变形速率下降,围岩趋于稳定;d2u/dt2=0,说明变形速率保持不变,应发出警告,及时加强支护系统;d2u/dt2>0,说明变形速率加快,已进入危险状态,须立即停工采取应急措施。经回归计算后得知,各断面量测数据的回归函数d2u/dt2<0,说明围岩在逐渐稳定。模拟结果和现场实测结果大都基本保持一致,说明本文应用的假设和屈服准则建立的数值模拟分析结果准确可靠。其中有一部分模拟结果和实测结果不一致,且差别较大。主要是由于围岩地质条件复杂性和不完全确定性以及计算方法难以准确模拟岩体的实际情况,所以模拟结果必然会和实测结果存在一定的偏差。6.仿真型采空区隧道的施工模拟所选的方案通过对灵石隧道采空区的应力检测,采空区段隧道的拱顶下沉和周边收敛进行检测,以及采空区段的有限元数值模拟得出了以下结论:(1)建立有限元模型所采用的基本假定,以及模拟的过程和模拟所选的范围是适合此类采空区隧道的,可以为以后类似工程提供借鉴。(