华岩隧道穿越中梁山南矿巷道加固分析

邵保良

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042）

1 工程概况

重庆市九龙坡区华岩公路隧道是“主城西进”的重要通道，穿越中梁山公司南矿+280m南长兴大巷、+290m水平南长兴大巷和K7消火道，隧道与现有三条生产巷道之间呈“十字交叉、上下重叠”的立体关系。为保证中梁山南矿现有生产巷道的正常使用以及华岩公路隧道的顺利建成，在华岩隧道施工前，必须对中梁山南矿上述三条巷道进行加固，通过巷道加固与改造，最大程度减小巷道围岩变形，保证中梁山南矿现有生产巷道的正常使用以及上方华岩隧道的顺利建成，满足华岩隧道开挖及运营后的正常使用要求[1]。

2 设计方法及目的

根据业主单位提供的图纸资料：+290m南长兴大巷 （1巷）与+280m南长兴大巷（2巷）均为毛洞开挖，未施工衬砌。由于华岩隧道施工开挖和运营将影响巷道围岩应力分布，因此巷道会产生相应附加位移。

该加固工程旨在控制巷道围岩变形与沉降，以保证矿井正常生产，避免出现重大安全灾害。充分考虑了+290m南长兴大巷与+280m南长兴大巷的工程现状与数据模拟分析的结果，拟新建隧道衬砌对巷道与华岩隧道交叉区段进行加固。同时，拟采用锚杆作为加固体系的安全冗余设计更进一步稳固该区段围岩。

基于华岩隧道和290南长兴巷、280南长兴巷在平面关系上十字相交，空间组合关系复杂，无法用现有的理论公式进行计算分析，因此必须采用三维数值模型来进行计算。本次数值模拟分析采用国际通用的大型有限元程序Midas-Gts软件。通过Midas-Gts数值模拟计算，分析围岩的位移场、应力场及塑性区分布情况，评价三者之间的相互影响程度和安全性[2]。

3 三维有限元模拟分析及结论

3.1 衬砌形式选择

该加固工程拟采用模筑钢筋混凝土整体式衬砌，断面采用三心拱直墙形无底板设计。受业主委托，衬砌外轮廓与+290m南长兴大巷和+280m南长兴大巷现有毛洞断面内轮廓一致，采用衬砌厚度分布为300mm和350mm[3]。

3.2 计算方法、条件及分析方法

本次采用Midas-Gts数值模拟计算，计算采用摩尔-库仑等面积圆D-P屈服准则；并根据地勘单位提供的岩体物理力学计算参数进行计算[4]。计算区域内的岩土体采用实体单元来模拟，隧道衬砌采用板单元进行模拟，分析拟建的华岩隧道与压覆巷道的相互影响程度，通过围岩的位移场、应力场以及塑性区分布情况，得出华岩隧道的安全性以及对+280m南长兴巷、+290m南长兴巷的影响程度。然后，通过模拟拟建衬砌结构对巷道围岩的约束作用，验证衬砌厚度及配筋等设计信息。由于该加固工程以整体模筑钢混凝土衬砌结构为主要手段，故计算时不计算锚杆对围岩的锚固效应，而作为安全冗余考虑。

考虑隧道的有效影响范围，整个三维计算模型的计算区域取为200×200×173m3（长×宽×高），约华岩隧道两边5倍跨度的计算范围。有限元网格共有489808个单元，节点总数为82817个，三维有限元网格划分详见图1所示。计算区域水平位移被约束，底面沿竖直方向位移被约束，详见图2、图3所示。华岩隧道路面设计荷载：100kN。另外，由于华岩隧道尚未开挖，因此模拟时考虑超挖1m。

图1 岩土体三维有限元模型

图2 隧道与道三维实体模型

图3 隧道与巷道三维有限元模型

有限元模拟计算分步进行，以模拟原始地形地貌下的应力位移场、巷道支护、华岩隧道开挖、华岩隧道衬砌施工、及华岩隧道通车运营等过程。数值模拟按照以下步骤进行：

（1）模拟原始地形地貌下的初始地应力场、位移场；（2）模拟现有情况下的应力场、位移场（即巷道形成后的应力场、位移场）；（3）模拟巷道衬砌加固后，华岩隧道开挖；（4）模拟华岩隧道衬砌；（5）模拟华岩隧道的运营 （即模拟运营后路面荷载作用下三者间的相互影响）。

为分析方便，本报告除分析整个三维计算模型的位移、应力情况外，还选取两条典型不利剖面1－1’、2－2’进行分析。1－1’剖面沿压覆巷道轴线且近垂直于华岩隧道轴线，2－2’剖面沿华岩隧道轴线且近垂直于压覆巷道。

3.3 计算位移分析

表1、表2分别统计了华岩隧道开挖后，+290m南长兴大巷和+280m南长兴大巷拱顶位移情况。图4、图5展示了两个巷道衬砌在各主要荷载步下变形情况，图6至图9展示了两个剖面在各主要荷载步下岩体位移云图。

表1 +290m南长兴大巷拱顶位移曲线

表2 +280m南长兴大巷拱顶位移曲线

图4 隧道开挖后巷道衬砌Y方向位移云图

图5 隧道运营后巷道衬砌Y方向位移云图

图6 隧道开挖后Y方向位移云图（1－1剖面）

图7 隧道衬砌后Y方向位移云图（1－1剖面）

图8 隧道开挖后Y方向位移云图（2－2）

图9 隧道衬砌后Y方向位移云图（2－2剖面）

由表1、表2可以看出，华岩隧道开挖对+280m、+290m南长兴大巷拱顶位移产生了一定影响，+290m南长兴大巷与华岩隧道平面位置交叉处会产生6.0mm左右的回弹，与相邻顶板位移差为10mm左右，+280m南长兴大巷与华岩隧道平面位置交叉处会产生2.3mm左右的回弹，与相邻顶板位移差为5.5mm左右，两个巷道的拱顶不均匀沉降值均较小。通过对+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷的拱顶位移分析可以得出，由于在与华岩隧道平面位置交叉处设置了衬砌，进行加强处理，+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷在华岩隧道开挖以后，巷道拱顶的不均匀沉降值较小，其巷道稳定性、安全性均处于可控范围以内。同时，由于衬砌的存在，可以有效减弱原始裂隙及巷道爆破施工产生的震动裂缝发展。

3.4 围岩内力、应力及塑性区分析

根据读取的计算结果可知，在华岩隧道开挖后，+290m、+280m南长兴大巷衬砌内力最大，取该工况下巷道横断面对其配筋及裂缝进行验算，并对重点部位采取加强段衬砌设计，可以保证巷道在华岩隧道开挖及运营后的正常使用。

经过对华岩隧道开挖前、华岩隧道开挖后、华岩隧道运营后等阶段+290m、+280m南长兴大巷围岩大主应力及最小主应力分析，可以看出华岩隧道开挖对井下巷道围岩应力有一定影响，最大压应力为7.07×103kPa，较华岩隧道开挖前增加2%，最大拉应力为2.65×102 kPa，较华岩隧道开挖前增加0.3%，以上数据表明压应力及拉应力增长幅度小，且均未超过巷道围岩可承受的最大压应力和拉应力。因此，华岩隧道开挖对井下+290m、+280m南长兴大巷围岩应力变化影响相对较小。

根据华岩隧道开挖前、华岩隧道开挖后、华岩隧道运营后等阶段变形云图可以看出，塑性区主要产生在没有设置衬砌的围岩区域。随着华岩隧道的开挖与运营，靠近华岩隧道的+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷围岩塑性区范围无明显变化，因此，华岩隧道的开挖运营对+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷围岩塑性区影响小。

3.5 分析结论

（1）三维数值计算结果表明：华岩隧道开挖对+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷的变形影响较小，其巷道稳定性、安全性均处于可控范围以内。其中，+290m南长兴大巷最大不均匀沉降为10mm左右，+280m南长兴大巷最大不均匀沉降为5.5mm左右。

（2）对拟加固方案的配筋及裂缝进行验算，根据巷道衬砌内力计算结果，对+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷加固后，可以满足华岩隧道开挖及运营后的正常使用要求。

4 衬砌设计

根据三维有限元数据分析结果并结合实际情况，确定巷道加固范围为华岩隧道两侧外壁各50m内区段，其中巷道与华岩隧道交点隧道外壁两侧各10m范围内为加强支护段。巷道加固工程采用模筑钢筋混凝土整体式衬砌，衬砌直接布置于现有毛洞断面内不向外扩刷。巷道拟建衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度分别为350mm、300mm，经核算衬砌完成断面满足业主所提净空要求。衬砌断面为三心拱直墙形无底板设计，呈两铰拱构型。两侧直墙底部设置500mm宽扩展嵌岩基础，嵌岩深度500mm，加强段配筋示意见图10、图11。

图10 +280m南长兴大巷(加强段)配筋示意

图11 +290m南长兴大巷(加强段)配筋示意

+280m、+290m南长兴大巷巷道加固工程衬砌钢筋参照三维有限元分析结果设置并验算。巷道主筋选用Φ16二级钢，布置间距分别为160mm（1巷）、200mm（2巷）。其中，加强支护段钢筋主筋及纵向分布筋双层双向布置，一般加固区段主筋及纵向分布筋在衬砌内壁单侧单层双向布置，并采用梅花形拉结筋进行拉结。并根据三维模拟数据，用理正岩土软件对巷道衬砌复核验算，+280巷道拱顶变形为-0.38mm，+290巷道拱顶变形为-0.14mm，满足规范要求[5]。

5 结语

通过三维有限元模拟分析过程可知，华岩隧道开挖后，+290m南长兴大巷与华岩隧道平面位置交叉处会产生6.0mm左右的回弹，与相邻顶板位移差为10mm左右，+280m南长兴大巷与华岩隧道平面位置交叉处会产生2.3mm左右的回弹，与相邻顶板位移差为5.5mm左右，两个巷道的拱顶不均匀沉降值均较小。通过南长兴大巷的拱顶位移分析可以得出，由于在与华岩隧道平面位置交叉处设置了衬砌，进行加强处理，+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷在华岩隧道开挖以后，巷道拱顶的不均匀沉降值较小，其巷道稳定性、安全性均处于可控范围以内。

在华岩隧道建设及运营阶段，隧道开挖时南长兴大巷衬砌内力最大，应在隧道施工前对其重点部位提前采取加强段衬砌设计。根据巷道衬砌内力计算结果，对+290m南长兴大巷、+280m南长兴大巷加固后，能最大程度减少巷道围岩变形，同时由于衬砌的存在，可以有效减弱原始裂隙及巷道爆破施工产生的震动裂缝发展，保证了中梁山南矿现有生产巷道的正常使用，并保证了上方华岩隧道的顺利建成，能满足该隧道的开挖及今后营运的正常使用要求。

[1]中煤科工集团重庆设计研究院.华岩隧道穿越中梁山南矿+280m、+290m南长兴大巷和K7消火道加固方案咨询报告[R].2015．

[2]北京迈达斯技术有限公司.MIDAS GTS应用实例教程及疑难解答[K].2010．

[3]中煤科工集团重庆设计研究院.华岩隧道穿越中梁山南矿+280m、+290m南长兴大巷和K7消火道加固方案施工图设计报告[R].2015．

[4]重庆市市政设计研究院.华岩隧道工程地质详细勘察报告[R].2013.

[5]重庆交通科研设计院.JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.