采空区沉陷对运营隧道结构的影响

刘士洋，高 峰

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

随着公路工程建设的发展，公路隧道不断增多，穿越采空区的隧道也逐渐增多。采空区隧道不仅在施工中存在诸多风险，运营期间地层的变形也会对隧道产生不利影响；目前，尚缺少采空区地层变形对运营隧道结构影响的相关研究。方勇、崔戈等采用模型试验的方法，得出了隧道下穿煤层采空区开挖过程中地层的移动规律以及初期支护的受力特征[1-2]；文献[3]～[5]对采空区隧道结构的稳定性进行了分析；王少斌[6]对柏树底铁路隧道地下采空区的稳定性进行了分析；李晓红等[7-8]结合数值模拟对西山坪隧道穿煤及采空区围岩变形特性进行了研究，剖析了采空区对隧道稳定性的影响，论述了采空区的治理措施；文献[9]～[14]介绍了公路隧道穿越采空区的处治技术；廖沛源等[15]对采空区地层变形产生的隧道附加荷载进行了计算分析，得出了采空区地层容许弯曲变形和水平应变数值；梁建平等[16]通过双曲线预测模型和灰色预测模型，建立了穿越采空区公路隧道地表沉陷预测模型和分析方法。目前，对穿越采空区隧道运营时出现病害的相关研究成果较少，因此有必要结合现场工程实际对穿越采空区的运营隧道进行分析探讨。

本文依托巴岳山隧道工程，探讨采空区沉陷对运营隧道结构的影响，以期为隧道的维修加固提供指导建议。

1 巴岳山隧道变形概况

2014年9月4日，巴岳山隧道K35+162～K35+171段二次衬砌混凝土表面出现开裂，即隧道左线K35+168行车方向右侧(大足至重庆方向)水沟电缆槽盖板至拱腰处的衬砌边墙，出现宽约1 cm左右的开裂，延伸高度约4 m，如图1所示。现场随即开展监测工作。

图1 K35+168处衬砌开裂

2014年11月15日，隧道YK35+268处二次衬砌混凝土表面出现开裂，即隧道右线K35+268行车方向右侧(重庆至大足方向)水沟电缆槽盖板至拱腰处的衬砌边墙，出现宽约3 cm左右的开裂，高度约6 m，如图2所示。

图2 YK35+268处衬砌开裂

2015年6月29日，隧道右线(重庆至大足方向)YK35+268处(与2014年11月15日出现裂缝位置相同)经处理的裂缝继续扩展至隧道顶部，并且拱顶二衬混凝土表面出现开裂，衬砌拱顶、边墙混凝土掉块如图3所示。

图3 YK35+268处隧道裂缝扩展及二衬砌混凝土掉块

2016年7月7日，隧道左线(大足至重庆方向)ZK35+220处行车方向左侧二衬混凝土表面出现开裂，衬砌边墙混凝土掉块(图4)，裂缝贯通。致使正在该路段正常行驶的一辆小客车轮胎爆裂，车辆失控，所幸未造成人员伤亡，但车辆轮胎、悬挂均造成较重的损坏。

图4 ZK35+220处左洞二衬混凝土掉块

2016年7月15日，隧道右线(重庆至大足方向)YK35+268处左侧拱腰混凝土掉块，经处治的裂缝也发生变形，边墙混凝土掉块(图5)，裂缝(与2014年11月和2015年6月裂缝处于同一位置)贯通。由于存在安全隐患，为确保行车安全，执法大队对渝蓉高速全线进行了强制交通关闭，全线道路中断交通210 min。

图5 YK35+268处右洞二衬混凝土掉块

为了更好地分析巴岳山隧道变形产生的原因，下文对隧址区的工程地质及水文地质条件进行简要阐述。

2 隧道区工程地质条件

巴岳山隧道进洞口位处铜梁县围龙镇梅良寺，距公路约55 m，交通条件便利；出洞口位处于大足县万古镇花朝门，距公路约100 m，交通条件便利。

隧道所在区域位于扬子准地台(Ⅰ级)、重庆台坳(Ⅱ级)、重庆陷褶束(Ⅲ级)、华蓥山穹褶束(Ⅳ级)、西山背斜(Ⅴ级)。该背斜北起于铜梁县东南4 km，南止成渝铁路上的长河碥，南北端均倾没消失于红色地层之中，全长约52 km，宽4～5 km。背斜内出露的最老地层为三叠系嘉陵江组石灰岩，两翼依次为三叠系须家河组、侏罗系自流井组、沙溪庙组地层。地层走向为N20E～N50E，有较大的变化；背斜轴走向也有变化，使背斜南段略呈“弓”形弯曲，如图6所示。

图6 区域地质构造

隧道进、出洞口走向玫瑰花图见图7、8。区内未见大的断裂构造，西山背斜地质构造简单。

图7 进口段裂隙走向玫瑰花图

图8 出口段裂隙走向玫瑰花图

3 隧道区水文地质条件

隧道里程K33+142～K33+192、K34+250～K34+337段的页岩为隔水层，将嘉陵江组岩溶水封闭，使之成为一个独立、封闭的水文地质单元。地下水主要接受大气降雨补给，一部分沿斜坡自流斜地多以湿地的方式排泄，另一部分下渗形成地下水，在煤层采空区及巷道处排泄，汇集后经水泵或水沟排出地表，煤矿排水量见表1。

表1 煤矿排水量汇总

隧道施工和运行期间，隧道左洞K33+740～K33+820段岩溶槽谷内出现2个岩溶塌陷落水洞：一个位于K33+760处右侧10 m左右，在槽谷水沟附近，施工期间用水泥砂浆充填；另一个位于K33+820处右侧60 m左右，位于田地一侧，塌陷面积约2 m2，直径为1.5 m左右，表现为地面下沉0.5 m。据调查，遇大雨季节，田地积水沿塌陷处下渗，有可能影响隧道。

4 隧道变形原因分析

4.1 隧道施工质量

隧道施工过程中，施工单位严格按照设计要求进行施工，监理单位对原材料、施工工艺进行了严格的管控，隧道开挖成型较好，初期支护、二次衬砌质量均得到了很好的控制。根据揭露的围岩情况，业主、设计、监理、总承包、施工单位等各方通过工地会议的形式对原设计支护参数进行了适当的调整加强，质监局交工验收时采用雷达扫描未发现明显的缺陷。

2014年9月出现裂缝后，总承包部立即组织中铁五院对裂缝处的隧道左线K35+110～YK35+210段进行地质雷达扫描和隧底钻探，同时组织开展煤矿采空区调查工作，雷达扫描的结果为：除局部仰拱不密实外，侧壁未发现明显空洞，与施工记录基本一致。

总承包部于2015年7月3日委托中铁五院对巴岳山隧道右洞YK35+200～YK35+350段进行了地质雷达探测，扫描结果为：隧道右洞除个别地段围岩破碎富水外，未发现隧道二衬脱空和仰拱充填不密实现象。

2016年7月29日渝蓉公司再次委托广西交通科学研究院对隧道二衬、仰拱及仰拱填充情况进行专项检测。检测结果为：隧道二次衬砌未见明显异常，二次衬砌背后未见明显不密实或脱空情况，二次衬砌内部钢筋信号明显，与设计相符；局部仰拱充填不密实、有空洞，但仰拱充填的缺陷与隧道结构的病害没有直接的关系。

综上所述，隧道施工质量基本可靠，局部存在小缺陷，不至于造成二衬混凝土掉块的病害发生。

4.2 煤矿开采对地表沉陷的影响

4.2.1 地表移动盆地的形成

在地表移动盆地的形成过程中，逐渐改变了地表的原有形态，会引起地表标高、水平位置发生变化，从而导致位于影响范围的建(构)筑物、铁路、公路等的损坏。充分采动后，随着开采工作面的尺寸继续扩大，地表受影响的范围也相应扩大，但地表的最大下沉值却不再继续增加，此时地表移动盆地将出现平底。通常把地表移动盆地内只有一个点的下沉达到最大下沉值时，对应的采动状态称为刚好达到充分采动，与之相对应的开采称为临界开采，达到临界开采时地表移动盆地呈碗形。从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发，地表移动的状态可用垂直移动和水平移动进行描述。常用的定量指标有：下沉量、水平移动、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应变。

4.2.2 地表移动的影响因素

(1)覆岩组成及层位的影响。直接顶坚硬、老顶软弱，地表的下沉量小于直接顶软弱、老顶坚硬的地表下沉量；流沙层距采空区近比流砂层距采空区远的地表下沉量大。主要原因为，流砂层距采空区远，失水、失砂少，地表下沉量小。地表有软弱覆盖层比无软弱覆盖层时，移动更平缓、均匀，连续性更好。

(2)煤层倾角的影响。倾斜岩层与水平岩层相比，地表移动、变形，失去对称性和相似性，最大下沉点偏向下山方向，上山下沉曲线比下山陡，拐点偏向下山方向，上山方向水平位移增加，下山方向水平位移减少，最大拉伸变形在上山方向，最大压缩变形在下山方向。左线K35+168处出现裂缝，而洞口明显出现鼓胀压缩变形。

(3)开采厚度的影响。采厚越大，冒落带、导水裂缝带高度越大，地表移动变形值也越大，移动过程表现得越剧烈，岩层及地表移动变形值与采厚成正比，即

W0=qmcosα

式中：W0为充分采动时的最大下沉值(mm)；m为采厚(mm)；α为煤层倾角；q为下沉系数，与岩性相关，岩性越坚硬，q越小，岩性越软，q越大。

(4)开采深度的影响。随着开采深度的增加，地表各种移动变形值逐渐减小，地表移动范围逐渐扩大，移动盆地趋于平缓。各种变形值与采深成反比。

(5)采煤方法及顶板管理方法的影响。目前，在煤矿应用最广泛的管理方法有长壁垮落法、长壁充填法和条带法三种。采用垮落法进行长壁工作面开采时，顶板岩层一般都要发生冒落和开裂性破坏，地表沉陷量较大，下沉系数为0.7～0.9。充填法采煤时对覆岩的破坏较小，地表移动量也较小，水砂充填时地面下沉系数为0.1～0.3，风力充填时为0.3～0.4 。条带开采方法采煤时，地表下沉系数为0.06～0.16。

4.3 隧道病害的主要原因分析

根据以上分析，隧道病害主要是由昌荣煤矿地下开采造成地表沉陷和水平位移造成的，由于水平位移存在，K35+335～K35+500段路面随地层一起移动受到隧道结构的制约，使得路面在隧道出口处的起拱最大达15 cm，这也是隧道二次衬砌发生挤压变形破坏的主要原因。由于隧道病害有3次发生在雨季，1次发生在雨季结束后，说明地下水的变化对围岩的强度影响较大；地表沉陷后裂缝发育，加速雨水下渗，致使雨季围岩在饱水的情况下强度降低，地表变形加剧，雨季结束后围岩失水，一部分收缩性较大的围岩发生较大变形，也可能使地表变形增大。同时，地下水丰富时，会导致煤矿开采形成的裂隙带水流速度加快，带走部分裂隙充填物，使地表变形进一步扩大。

隧道病害主要表现在拉应力部位出现裂缝，在压应力部位出现二衬混凝土掉块，因而左线K35+168处出现裂缝病害，左线K35+222处和右线YK35+268处以及洞口为压应力部位，都出现二衬混凝土掉块、洞口鼓胀变形。

在分析了隧道变形的主要原因之后，本文将利用采动评估模型对采空区处于不同时期时隧道的结构变形进行分析，为隧道维护提供依据。

5 采动评估

5.1 采空区地表变形范围计算

根据现有高速公路与矿区的关系，昌荣矿业有限公司锅厂湾煤矿和新生煤矿均对高速公路或多或少存在一定程度的影响，本文分别对2个矿区的影响范围进行计算。根据相关规定，结合隧址区工程经验，上山移动角取γ=46°，下山移动角取β=53°，走向移动角取δ=53°，按剖面法圈定影响范围。

截止2016年，昌荣矿业有限公司锅厂湾煤矿从2010年以来开采高速公路以下下伏煤矿，K7、K9、K10均开采至+95 m标高。K5未开采，左线地表移动盆地范围为K35+042～K35+550段；右线地表移动盆地范围为YK35+085～YK35+506段。昌荣矿业有限公司锅厂湾煤矿目前采空的影响范围均位于隧道和路基的变形段。

如果开采至现有矿区设计标高，左线地表移动盆地范围为K35+042～K35+885段；右线地表移动盆地范围为YK35+085～YK35+822段。

新生煤业有限公司煤矿矿区范围是+150 m～-200 m，从2010年以来主要开采高速公路以下下伏0 m～-200 m标高煤矿，截止2016年，K11、K12均开采至-200 m标高，局部还出现超采现象。150 m～0 m标高为2010年以前采空区，150 m标高以上为已经关闭的小煤窑开采。综合考虑，计算按-200 m标高煤矿均采空计。左线地表移动盆地范围为K35+356～K36+322段；右线地表移动盆地范围为YK35+350～YK36+315段。新生煤业有限公司煤矿目前采空的影响范围主要是路基的变形段。

5.2 地表沉陷预测模型

巴岳山隧道下方历史开采均为小煤矿开采，开采时间跨度较大，目前大部分小煤矿已经整合或停止开采。当前在中国开采沉陷研究领域应用最广泛、最成熟的预计计算方法是概率积分模型，因此，本文研究的隧址区地表移动变形预测采用概率积分法预测模型。

采用概率积分法对开采地表及内部移动和变形进行计算，具体计算公式如下。

下沉

(1)

水平移动

(2)

W(x,y)cotθ0

(3)

水平变形

(4)

i(x,y)cotθ0

(5)

式中：W(x,y)为开采后引起的地表及内部下沉；Wcm为充分采动时地表最大下沉值；Ucm为充分采动时地表最大水平移动值；r为主要影响半径；θ0为主要影响传播角；D为开采区域；x,y为计算点的相对坐标(考虑了拐点偏移距)；η、ξ为采出后引起地表下沉矿体微元量；i(x,y)为开采后引起的地表及内部倾斜。

5.3 开采对隧道影响的分阶段计算

5.3.1 已有采空区开采影响隧道变形计算

渝蓉高速巴岳山隧道于2010年12月 31日开工建设，2011年4月23日YK35+268被损害段施工完毕。因此，本次计算对2011年之前的工作面考虑老采空区参与沉降，采用老采空区的参数进行计算。2011年、2012年、2013年、2014年和2015年的开采均采用常规的概率积分法参数计算。计算自2012年开始，分年度进行计算。巴岳山隧道地表最大变形值及出现的位置如表2、3所示。

表2 隧道右线各年度最大变形值统计

表3 隧道左线各年度最大变形值统计

由以上结果对隧道损害情况分析如下。

(1)受开采影响，隧道左线ZK35+168处2014年水平变形由2013年的2.06 mm·m-1增至2.61 mm·m-1，为隧道在该段的最大水平变形量。隧道在2012年、2013年均已经受到拉伸变形的影响，2014年开采后隧道水平变形继续增大，并在雨季造成隧道损害，损伤表现为混凝土表面的拉伸开裂。隧道损害情况为：2014年9月4日，隧道左线(大足至重庆方向)行车方向右侧ZK35+168处二衬混凝土表面出现开裂，裂缝高度约4 m，宽约1 cm左右。

(2)隧道右线YK35+268处受开采影响水平变形为负值，表现为挤压变形，变形大小在2013年为-1.12 mm·m-1，2014年为-2.58 mm·m-1。2014年地下开采造成隧道挤压变形值增大，并出现变形缝挤压混凝土发生崩落的现象。变形表现为：2014年11月15日，隧道右线(重庆至大足方向)YK35+268处，行车方向右侧二衬混凝土表面出现开裂，裂缝高度约6 m，宽约3 cm左右。

(3)计算结果表明，隧道在ZK35+350～ZK35+500区段表现为拉伸变形，并逐年增大。

(4)综合各项变形值，隧道左线变形较大的范围在ZK35+100～ZK35+300段；右线变形较大的区域位于YK35+150～YK35+300段；两者均包含拉伸和压缩2种变形形式。

5.3.2 矿区范围煤炭资源全部回采隧道变形预计

目前，昌荣煤矿、新生煤矿在该区域正常生产，且随着资源开采水平向深部延伸，开采对隧道的影响范围逐渐增大，因此有必要对资源全部回采后隧道的变形情况进行分析。按照未来两矿区煤炭资源全部回采对隧道变形进行计算，结果见表4和图9、10。

表4 煤炭资源全部回采后隧道变形情况

图9 煤炭资源全部开采左线地表变形曲线

图10 煤炭资源全部开采右线地表变形曲线

结果表明，隧道左线在ZK35+150至隧道出口、隧道右线YK35+150至隧道出口处的变形量随着昌荣煤矿、新生煤矿剩余煤炭资源的开采将进一步增大。挤压区域隧道会出现变形缝挤死造成混凝土脱落掉皮、拉伸区域出现衬砌裂缝等现象。

5.4 资源进一步开采的影响

根据开采沉陷计算结果和数值模拟结果可知，隧道变形及应力集中的路段为ZK35+150至隧道出口、YK35+150至隧道出口处。其中ZK35+150～ZK35+200、YK35+150～YK35+200段为拉伸变形；ZK35+200至隧道出口处、YK35+200至隧道出口处为压缩变形。参照相关规定，Ⅰ级采动损害的临界变形值为i=3 mm·m-1，k=0.2×10-3m，ε=2 mm·m-1，Ⅱ级采动损害的i=6 mm·m-1，k=0.4×10-3m，ε=4 mm·m-1。该段变形为Ⅱ级变形。因此，随着开采的影响可能会出现衬砌拉伸开裂、变形缝挤死、混凝土崩落、拱顶脱皮等对影响隧道安全的危害性变形。

6 结 语

根据地质勘察结果和采动评估的分析，结合煤矿开采现状，为保证隧道的安全正常运营，应做好如下工作。

(1)做好隧道变形和地表变形的监测工作。

(2)对于影响段的巴岳山隧道二次衬砌每间隔一定距离设置变形缝(沉降缝)，以利于吸收残余变形对巴岳山隧道的影响。

(3)对于有影响段的巴岳山隧道二次初衬未做配筋的部分适当配筋，未设仰拱地段补充仰拱，以利于抵抗残余变形对巴岳山隧道的影响。

(4)鉴于隧道以下采空区已经对隧道围岩造成一定程度的破坏，建议对隧底一定深度范围内冒落带和导水裂隙带围岩进行注浆加固，确保隧道的稳定和运营期间的安全。由于隧道变形可能对隧底仰拱和仰拱填充有一定破坏，建议注浆加固。