下伏煤层采空区对公路隧道影响的数值分析

刘朝跃 汪育庆 吕冠颖 刘发林

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081； 2.长沙矿山研究院有限责任公司 长沙 410012)

高速公路建设受路线走向、地形地质等诸多条件控制，路线穿采空区常常不可避免[1]。采空区覆岩不均变形，很容易造成路面错落起伏、衬砌结构变形、开裂等破坏现象[2]，同时对隧道施工及运营亦带来安全风险与潜在危害[3]。

在采空区隧道勘察过程中，除了详细清查采空区特征外，还应着重评价地下采空区岩移特征及变形机理。而地下煤矿开采区对公路隧道影响主要取决于地质条件和采矿等因素，如煤层倾角、开采深度、采高、采矿工艺、地质结构及围岩特性等[4]。为探究公路下伏采空区的稳定性及对公路的影响程度，本文通过数值模拟方法，对现有采空区垮塌后引起的地表移动及变形等进行分析预测，以总结受力及变形规律，判断其工程安全性。

1 工程背景

某拟建公路隧道采用双向4车道，设计车速80 km/h。隧道K15+255-K15+742路段上跨云安煤矿采空区，煤矿开采标高+740-+850 m，隧道底板设计标高为908 m。隧道东侧50 m处为鼎兴煤矿矿界，煤矿开采标高为580～900 m。

2处煤矿设计生产能力均为9万t/年，均采用走向长壁后退式采煤法，陷落法管理顶板，炮采落煤，工作面采用伪倾斜柔性掩护支架支护。2处煤矿分别于2013年3月、2012年2月正式停采，历经8～9年的开采时间。云安煤矿段+745～+850 m标高范围C5、C7煤层及鼎兴煤矿段矿井保安煤柱东侧+750～+870 m标高范围C5、C7、C12煤层已基本采完，回采率均达到80%以上，井下已形成了一定规模的采空区，采空区顶板长时间受到地下水浸蚀、岩层蠕变和采动的影响，大部分已垮塌，地表可见大量塌陷、裂缝及岩体拉裂现象。隧址区煤系地层为二迭统上统龙潭组地层，由砂岩、页岩及少量灰岩和煤层组成，层厚70～80 m，平均74 m，可采煤层3层，平均总厚11.1 m。煤层总体呈单斜，倾向340°～10°，倾角38°～48°，平均46°。煤层直接顶板为粉砂质泥岩。

2 采空区稳定性数值分析

2.1 数值模型的建立

数值模型的建立是通过midas GTS建模后再导入FLAC3D，并对模型网格组赋值而成。FLAC3D计算模型见图1。

图1 三维数值计算模型及网格划分

模型两侧约束水平位移，底部约束垂直位移，顶部地表为自由边界。依据隧道勘察报告及工程经验，综合确定岩体物理力学参数，见表1。计算时，岩体材料本构模型选取Mohr-Coulomb模型。

表1 岩体力学参数

2.2 模型计算及分析方案

煤矿终采时间大于730 d，因此主要考虑采空区垮塌引起的覆岩剩余变形。计算过程中，首先对模型初始平衡，再模拟煤矿开挖C5、C7煤层，直到应力重新平衡，记录地表、隧道底板累积变形量，然后清除应力、位移数据，计算采空区顶板完全垮塌后的地表、隧道底板剩余变形量，最后分析累积变形、剩余变形量，得出采空区对隧道的影响程度。

数值模拟分2个部分进行分析：①在隧道洞身地表代表部位，布置4个监测点(见图2)，分别监测各点的X、Y、Z轴向位移值；②确定采空区冒落的计算时间点，计算各项剩余变形数值。

图2 监测点布置

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1位移分析

FLAC3D数值计算结果表明，计算至7 300步时，各监测点X、Y、Z方向的位移基本趋于稳定，采空区刚好被顶板冒落岩体基本充填，其竖向位移云图见图3。

图3 竖向位移云图(单位：m)

提取各监测点X、Y、Z方向及各时期的位移变化曲线，其变化趋势及规律如下。

1)X方向位移规律。1～4号监测点X方向位移见图4。由图4可见，1，2，3，4号监测点主要表现为负向位移，2号点位移较大，最大位移值5.1 mm，1，3，4号点最大位移值分别为2.4，1.0，2.6 mm。

图4 X方向位移监测曲线

2)Y方向位移规律。1～4号监测点Y方向位移见图5。由图5可见，2号监测点为正向位移，1，3，4号监测点主要表现为负向位移，其中2号点位移较大，最大位移值6.4 cm，1，3，4号点最大位移值分别为1.0，0.6，1.80 cm。

图5 Y方向位移监测曲线

3)Z方向位移规律。1～4号监测点Z方向位移见图6。由图6可见，4个监测点主要表现为负向位移。4号监测点位移值最大41 cm，1，2，3号监测点最大位移值分别为1，5，1 cm。

图6 Z方向位移监测曲线

2.3.2地表塑性区分析

地表塑性区分布图见图7。由图7可知，隧道位于山体塑性破坏区域范围内。随着C5、C7煤层开挖，山体产生了明显塑性破坏，主要破坏区域位于云安煤矿矿井保安煤柱东翼采空区及鼎兴煤矿矿井保安煤柱西翼采空区上方山体，破坏类型主要为剪切破坏，与现场调查时地表产生裂缝及塌陷的位置基本相符，岩体稳定性较差。

图7 地表塑性区分布图

2.3.3应力分析

穿过2个主要采空区剖面的最大应力云图见图8。由图8可见，隧道顶底板范围内受拉应力影响较大，最大拉应力0.4 MPa，岩体受拉易产生拉伸破坏，隧道施工对岩体产生扰动，易诱发山体滑动。

图8 最大主应力云图(单位：Pa)

2.3.4累积变形影响分析

据隧道底板移动变形等值线表明，隧道底板在云安煤矿矿界范围内产生的X向水平变形最大值为1.0 mm/m，未超过隧道容许变形值2.0 mm/m；Y向水平变形值为2～3.5 mm/m，超过容许变形值；倾斜值为3～5 mm/m，超过容许变形值3.0 mm/m；部分路段曲率值为0.28～0.43 mm/m2，超过容许变形值0.2 mm/m2。

2.3.5剩余变形影响分析

倾斜变形等值线表明，云安煤矿矿界范围内隧道底板倾斜变形值为0.1～1.1 mm/m之间，曲率值小于0.1 mm/m2，均小于容许变形值；隧道底板X方向水平变形值为1.15～1.5 mm/m，未超过规程容许值，但隧道底板K15+600桩号附近Y方向水平变形达到2～3.5 mm/m，超过规程容许变形值。

3 结论

1) 通过矿区C5、C7煤层开挖数值模拟计算，以及对采空区形成后的隧道底板位移变化、塑性区、应力分布进行分析，随着煤层的逐步开挖，空区上覆岩层至地表均产生了一定程度塑性变形。

2) 从隧道底板、地表位移监测数据可以看出，采空区覆岩变形产生的水平位移量及下沉量大，剪切、拉伸破坏区域主要分布在采空区上方山体范围内；据最大主应力分布云图显示，隧道顶底板岩层处于受拉影响范围，易产生拉伸破坏。

3) 根据隧道底板水平变形、倾斜及曲率计算，可以得出云安煤矿矿界范围内隧道路段水平变形、倾斜变形、曲率值均超过隧道容许变形值。由采空区覆岩剩余变形影响分析，ZK15+520-ZK15+730路段的水平变形值超过容许变形值。

4) 通过隧道下伏采空区数值分析，采空区对拟建隧道影响大，需采取工程措施或线位避让处理。