矿山隧道掘进围岩稳定性动态监测研究①

关祥宏

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063）

矿山隧道掘进包括隧道内的施工测量防线、洞身开挖、弃渣运输等工序［1］。 其中洞身开挖使用的机械设备会对矿山隧道围岩稳定性造成影响，若事先未进行岩石验证，会对后期矿山隧道带来一定的安全隐患［2］。 因此，对矿山隧道掘进围岩稳定性进行动态监测具有重要意义。

对矿山隧道掘进围岩稳定性进行动态监测，既可以确定矿山开采方式，又可以为矿山安全开采提供可靠参考。 近年来，我国学者针对矿山隧道掘进技术进行了优化研究［3-7］。 本文在考虑矿区隧道围岩级别的同时，以矿区地质力学特征为基础，采用对数螺线法对矿山隧道掘进围岩稳定性进行分析，以隧道围岩沉降、位移与埋深的关系为研究对象，进行了矿山隧道掘进围岩稳定性动态监测验证。

1 工况概述

此次研究对象为湖北省地下深部煤矿矿山隧道，该煤矿井田中含有一条地下800 m 轨道开拓巷道，巷道的主要作用是行人通行、通风以及资源运输。 巷道所在围岩为粉细砂岩，在隧道不断掘进过程中，由于巷道较深，受到明显的构造应力作用，导致隧道围岩严重变形形成破碎区，因此对该矿山隧道掘进围岩稳定性进行分析。

2 矿山隧道掘进围岩稳定性分析

2.1 隧道围岩关键块力学模型

隧道围岩在掘进过程中，掘进机产生的振动作用在周围围岩上，导致周围围岩形成裂痕严重时会出现破裂。 而相比近距离的掘进，较远处的围岩却处于弹性介质范围内［8］。 因此，一般矿区开发的隧道围岩应力场能够使用经典的弹性力学模型，即假设围岩岩体处于介质连续均匀状态，符合弹性范围，则矿区隧道围岩关键块受力情况如图1 所示。 图中r为隧道中心O到围岩裂痕的距离，m；a为圆形隧道半径，m。

图1 圆形隧道围岩应力状态示意

2.1.1 关键块侧面平均正应力

隧道围岩静态应力场中不同角度力的计算表达式分别为：

式中σx＝k0σz，σz为抗压强度，MPa。

在隧道顶部围岩处，θ＝90°，当r＝a时，σθ＝-σz＋3σx；当r＝2a时当围岩的有效水平应力和垂直应力比值k0不同时，隧道掘进过程中围岩顶部的环向正应力σθ可能为拉应力。 依据有关调查研究分析可知，在埋深400 m 左右处进行掘进时，不同种类的围岩具备不同的侧压系数，其中岩浆岩层侧压系数最大，变质岩层的侧压系数最小，沉积岩则处于此二者之间［9］。

一般情况下，设置隧道底部的围岩测压次数在0.8～6 之间，变质岩在0.7～4 之间，沉积岩在0.5～4 之间。 可见，k0＞1／3 时，则-σz＋3σx＞0，当隧道顶部围岩处于压应力状态，通过积分运算，得到关键围岩块体的侧面平均正应力σ计算式为：

式中h为关键块的高度，m。 由此可以看出，围岩关键块体侧向平均正应力的值与埋深、洞径及关键块体高度相关。

2.1.2 关键块体临界荷载

当围岩关键块是长方体时，设置其高度为h，底面长为b、宽为d，则在掘进过程中，当出现扰动荷载时，关键块受力如图2 所示。 图中G为块体自身重力；f1、f2为从不同面受到的冲击力。

图2 围岩顶部关键块体受力图

关键块体的自重：

式中γ为块体数量。

在弹性力学中，接触面正应力相等的条件下，能够获取关键块体上表面静态压力为：

式中η为接触面正应力，MPa。

此时忽略掘进机自身对块体侧向产生的振动作用，依据掘进速度导致的振动作用，得到关键块体上的荷载与竖向速度关系式为：

式中ρ为围岩密度，kN／m3；Cp为块体结构面的粘聚力，MPa；V为竖向振动速度，m／s。

关键体侧面阻滑力分为两部分，以x轴法向侧面阻滑力表达式为：

式中φ为结构面壁岩的内摩擦角，（°）；C为结构面壁岩的粘聚力，MPa；β为结构面抗剪力系数，与结构面中凸起体大小和数量有关。

假定矿区隧道掘进过程中两个水平方向的压力相等：σy＝σx［10］，以y轴法向侧面阻滑力的表达式为：那么联立两个方向的侧向阻力为：

依据刚体平衡原理，掘进过程中关键块遇到扰动荷载时，达到临界平衡条件为：

2.2 围岩剪切支护阻力矩分析

图3 围岩最大切应力区关键块体受力图

由弹性力学理论可以得到圆形隧道围岩的剪切应力解，取最大切应力区位于45°处的块体进行受力分析，如图3 所示。地应力场产生的剪应力在块体两侧呈径向平衡，导致块体发生剪切旋转［11］。 因此，依据推导结果和隧道的径向刚体平衡原理，能够得到剪应力区块体振动速度的计算公式为：其中：

在隧道掘进过程中围岩的掌子面存在不稳定因素，主要包括前方产生的滑动土块的自重Wf及滑动土块上部松动区域的松动土压Q，将以上力对O 点取力矩平衡，就可以得到开挖面的稳定系数：

式中Mz为约束措施产生的支护阻力矩，N·m；Mt为土体抗力矩，N·m；Mf为滑动土体自重力矩，N·m；MQ为松动土力矩，N·m。 在不加约束时，若要预测掌子面的稳定性，则掘进面的稳定系数为1，其力矩应满足平衡条件：

对数螺线的方程为：Mf计算公式为：

计算松动土压力矩MQ：

式中q为荷载，kN／m2；q0为地面荷载，kN／m2；K0为有效水平应力和垂直应力比值；H为隧道掘进的垂直影响范围。

围岩体抗剪强度为：

计算围岩体抗力矩Mt：

当Mt＜Mf＋MQ时，显然此时隧道掌子面处于危险状态，一般需要给予加固约束措施才能保证掘进过程中掌子面的稳定性。

支护阻力矩的计算公式为：

以上判定条件皆是基于掌子面无任何人工支护或支护阻力的情况下围岩的稳定性分析，而实际上在矿区隧道掘进过程中，一般要做到超前支护措施，而ADECO⁃RS 施工时更有超前预约束措施，其范围达到隧道开挖宽度的2～4 倍。

3 稳定性监测验证

矿区隧道掘进围岩稳定性的动态监测主要通过监测掘进过程中隧道围岩产生的振动位移来研究稳定性。 对此，在掘进之前埋设监测点，在掘进的同时采集位移值，其监测点布置如图4 所示。 每间隔5 min 监测1 次，持续监测3 d。

图4 测点分布图

实验建模过程中，需要考虑掘进对隧道围岩产生的边界效应，确定隧道模型的横断面两侧及下部分为3 倍洞径，上部为实际地表。 模型边界四周约束水平方向，底部约束竖直方向，上部为自由面，围岩模型如图5 所示。

图5 数值模拟模型

通过数值模拟得到矿区隧道掘进围岩位移的理想模型和实际得到位移模型如图6 所示。

图6 数值模拟模型

由图6 可以看出，在掘进过程中矿区隧道围岩发生破坏主要集中在侧面及底板处。 此外，隧道的拱腰处和拱肩处均产生了破损情况。 由以上分析可以看出，在掘进过程中应在侧壁及底板处加强支护，提高锚喷强度以提高围岩稳定性。

经3 d 持续监测的数据可直接将围岩级别、埋深位移值进行提取，绘制出矿区隧道围岩相对变形在不同级别及埋深下的关系图如图7 所示。 从图7 可以看出，共同规律是相对位移都随埋深增加而增加，随着围岩级别降低而减小。 且各围岩界别之间并没有明显的界限，也印证了各围岩级别的位移是在一定范围内。由此可知，隧道埋深在150 m 下，位移取100 ～200 m埋深段的中间值，则拱脚数量位移Ⅲ级为0.097 6%，Ⅳ级为0.169 6%，Ⅴ级为0.235 2%，此数据在此只作为定性论证。

图7 沉降与埋深关系散点图

不同围岩级别下的周边相对位移与隧道埋深的关系图如图8 所示。

图8 位移与埋深关系图

从图8 可以看出，位移的变化规律符合不同围岩级别与埋深的基本规律，侧壁位移及底部位移均随着埋深增加而增加，其中Ⅲ级围岩位移变化较为显著，且呈现规律性变化。 显然，各级围岩的周边位移量与埋深的相关性很强，可以根据回归的方式寻求这其中的关系。

4 结 论

利用对数螺线法可以有效地确定围岩的稳定性，同时可知：侧壁、底部沉降与埋深呈线性关系；侧壁、底部位移与埋深呈线性关系；矿区隧道掘进过程可通过降低沉降或减少位移来增加围岩稳定性。