公路隧道穿越陡倾煤层采空区力学特性分析*

刘晓勇 田 娇 龚建伍

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

随着基础设施建设的投入不断增大，高速公路建设迅速发展，不可避免地需要经过煤矿采空区[1]。急倾斜采空区极易失稳冒落，使地表剧烈变形，产生陷坑等，严重威胁隧道的安全施工[2]。近年来学者们针对采空区开展了系列研究工作[3-5]，但多针对某采空区的稳定性或处治措施进行分析，且煤层与隧道的交角相对较平缓，陡倾煤层采空区极少涉及，而陡倾煤层采空区上覆地层的移动和变形规律明显有别于缓倾斜煤层采空区。因此，对高速公路穿越陡倾煤层采空区稳定性分析及处治技术研究具有重要的意义。

基于此，本文针对陡倾煤层，开展隧道垂直穿越陡倾采空区的三维数值分析，并建立对应无采空区的分析模型，对比有无采空区情况下，隧道施工对围岩的变形和应力影响规律，分析陡倾采空区对隧道结构的影响程度和规律，为采空区隧道处治方案的决策提供参考。

1 计算模型及方案

以两车道公路隧道为例进行分析，按公路隧道设计规范推荐形式选取隧道断面，横向开挖最大跨度约12 m，竖向开挖高度约10 m。计算模型范围：X方向取200 m，左右距隧道外边侧均超过90 m，Y方向取150 m，距隧道上下边侧约70 m，沿隧道轴向即Z方向取99 m。

选取隧道垂直穿越煤层采空区这种工况进行分析，考虑到当前开采中厚煤层多采用全部垮落法，采空区顶板围岩充分垮落，采空区被垮落围岩填充，特别对于薄煤层采空区，由于垮落围岩有一定的碎胀性，填充物几乎可以充满采空空间，采空区可视为没有空洞，数值计算中可采用降低力学参数来模拟。……