下伏采空区对公路隧道影响的敏感性分析*

田 娇 刘晓勇 春军伟 曾仲毅 龚建伍

(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.武汉科技大学城市建设学院 武汉 430081)

随着高速公路的不断建设，隧道难免穿越采空区，当隧道上跨采空区时，采空区的沉降变形可能会导致上方隧道路面产生不均匀沉降，引发行车交通事故，导致隧道结构变形、开裂，以及路面低洼积水、腐蚀破坏等，给高速公路隧道埋下严重的安全隐患[1]。

在隧道下伏采空区方面，国内已有不少专家学者进行了相关研究工作。张彩亮等[2]对目前隧道下伏煤矿采空区病害的研究进展进行了综合评述，对既有隧道下伏采空区病害的探测手段、产生机理和治理方法进行了技术展望。黄永鹏[3]研究了不同形态的下伏采空区对新建公路隧道施工安全稳定性的影响，拟合了评判采空区段隧道安全稳定性的预测方程式并进行了采空区影响分区。周超月等[4]分析了采空区与隧道不同间距对隧道洞周位移和支护内力的影响，认为下伏水平采空区对隧道施工安全性影响的临界距离可定为2倍隧道洞径。符亚鹏等[5]计算研究了下伏采空区倾角对隧道洞周位移、初期支护内力和塑性区的影响规律，指出应采取有效措施提高下伏采空区的处治强度。张志沛等[6]针对隧道穿越倾斜煤层采空区段，分析了采空区围岩施工力学特征的动态变化过程及隧道支护结构的受力特征。魏家俊[7]与王玉标[8]分别总结了我国现有公路下伏采空区治理技术及高速公路下伏采空区处治方法。

虽然国内外学者针对隧道下伏采空区持续开展了一系列的研究工作，但多以针对具体采空区隧道的稳定性分析或施工处治为主，尚未形成系统性的理论，尤其下伏采空区对隧道结构影响的规律性探讨较少[9]。基于此，本文着重考虑下伏采空区与隧道不同距离，以及采空区不同规模等因素，通过有限元数值方法动态模拟，深入探讨不同条件下采空区对隧道结构的影响，根据采空区与隧道结构的相互影响程度和规律，提出隧道保护范围及其与采空区的临界距离，给出下伏采空区水平尺寸不敏感临界值。

1 计算参数选取

隧道断面选取公路隧道设计规范推荐的标准断面形式，单洞最大开挖跨度约12.8 m，最大开挖高度含仰拱约10.3 m。参考相关工程实践，并结合公路隧道设计规范提供的围岩力学参数，选取III、IV、V级围岩进行计算分析，支护结构和围岩力学参数见表1和表2。

表1 隧道支护结构参数

表2 围岩物理力学参数

2 采空区施工对围岩影响规律分析

为分析不同大小采空区施工对围岩的影响范围，选取采空区大小分别为3 m×3 m、3 m×9 m、5 m×9 m和5 m×30 m等4种工况进行分析，以采空区大小3 m×9 m为例，模型有限元划分示意见图1。

图1 计算模型有限元网格划分示意图

选取与隧道呈0°、±30°、±60°和±90°等角度的7条测线，以确定不同大小采空区对周边围岩的主要影响范围。不同大小采空区主要影响范围示意图见图2。

图2 不同大小采空区主要影响范围示意图(单位：m)

由图2可见，随着采空区大小变化，其周边围岩主要影响范围也发生较大变化，随着采空区增大，其影响范围逐渐增大。从采空区跨度和采高影响看，一定范围内，采空区跨度增大，其影响范围显著增大，而采空区高度的影响则相对较小。如采空区大小从3 m×3 m增大到3 m×9 m及从5 m×9 m增大到5 m×30 m时，其主要影响范围均有较明显的增大，而采空区大小从3 m×9 m增大到5 m×9 m时，其主要影响范围略有增大，但变化不显著。另外，从主要影响范围分布看，随采空区尺寸增大，其在采空区上下围岩内产生的影响范围逐渐增大，而在采空区水平向两侧影响范围变化不大，这也在一定程度上表明，公路隧道并行穿越采空区时，其影响相对较弱，而上覆和下伏采空区影响则较显著，设计和施工过程中应引起高度重视，并采取相应处治对策。

3 下伏采空区对隧道影响的安全距离分析

设定采空区位于隧道正下方，以3 m×33 m尺寸的采空区为例，选取采空区与隧道的距离分别为5，10，20，30，40和60 m等工况进行分析。不同围岩条件下隧道洞周收敛值随下伏采空区不同距离的变化曲线图见图3。

图3 隧道洞周收敛值随下伏采空区

由图3可知，V级围岩条件下，当下伏采空区与隧道的距离小于10 m左右时，距离的变化对隧道洞周特征位移影响相当显著，在下伏采空区与隧道的距离从10 m增加到40 m的过程中，隧道洞周特征位移与此距离基本呈线性增长关系，而当下伏采空区与隧道的距离超过40 m后，采空区对隧道洞周特征位移的影响显著减小，洞周收敛位移变化基本保持稳定，表明下伏采空区与隧道结构影响的安全距离可取40 m左右。

同理，可以分析出IV级围岩及III级围岩条件下，下伏采空区与隧道结构影响的安全距离可分别取30 m及20 m。

4 下伏采空区水平宽度不敏感影响范围分析

根据本文研究目的，并结合前述分析成果，针对下伏采空区与隧道不同净距，取采空区高度为3 m，采空区水平分布宽度为3，9，15，21，27，33，39，45 m等8种尺寸，分别在III、IV、V级围岩中进行相关模拟分析，据此共建立72个数值分析模型。数值模拟分析方案汇总表见表3。

表3 数值模拟分析方案汇总表 m

以隧道下伏采空区与隧道净距30 m为例，下伏采空区计算模型见图4。

图4 下伏采空区计算模型图

V级围岩条件下，隧道洞周收敛值随下伏采空区不同尺寸的变化曲线图见图5。

图5 隧道洞周收敛值随下伏采空区

由图5可知，当净距为40 m，下伏采空区水平宽度小于约33 m时，采空区尺寸的变化对隧道洞周特征位移影响相对较小，整体位移值也较小，采空区水平宽度超过33 m后，隧道洞周特征位移显著增长，表明采空区尺寸对隧道结构的影响是有一定范围的。当净距为30 m及20 m时，下伏采空区水平宽度变化对隧道洞周位移的影响规律与净距为40 m时是基本一致的，但采空区尺寸对隧道的影响范围有所减小，当隧道与采空区距离为30 m时，采空区不敏感影响水平宽度约为27 m，当隧道与采空区距离20 m时，采空区不敏感影响水平宽度约为21 m。

不同净距下伏采空区水平宽度不敏感影响范围示意图见图6。

图6 不同净距下伏采空区水平宽度

由图6a)可知，V级围岩条件下，随下伏采空区与隧道的距离增大，采空区水平宽度不敏感影响范围逐渐增大，且近似呈直线扩展。在确定净距情况下，一定范围内下伏采空区大小的变化对隧道结构的影响程度变化相对不大，采空区尺寸超出该范围则二者相互影响的程度显著扩大，宜结合采空区实际尺寸再具体分析。

由图6b)及图6c)可知，围岩质量从差到好，即从V级、IV级到III级围岩，采空区对隧道影响的相对不敏感尺寸逐渐增大，隧道结构的相对稳定性增强，对工程有利。比如，净距同为20 m时，V级、IV级及III级围岩条件下的不敏感尺寸分别为21,27,33 m。实际工程中，针对特定净距的采空区，通过勘探查明采空区的尺寸后，对大于敏感尺寸的采空区需要相应的处理措施，如加固围岩等。

V级、IV级及III级围岩条件下，下伏采空区与隧道结构影响的安全距离可分别为40,30及20 m，即采空区与隧道显著影响净距依次约为3.0D(D为隧道开挖跨度、2.5D及1.5D)，此时采空区水平宽度不敏感影响范围均为33 m，2.5D。可知下伏采空区水平尺寸不敏感临界值为33 m左右，约为2.5D，即采空区尺寸在该范围内时，其尺寸变化对隧道的影响相对不敏感。各级围岩下，下伏采空区对隧道结构的主要影响范围见表4。

表4 下伏采空区对公路隧道的主要影响范围 m

5 结论

本文通过有限元数值模拟，对采空区公路隧道建设过程中不同采空区条件对隧道结构的影响进行了分析，从采空区与隧道的不同距离及采空区不同规模等方面探讨了其主要影响因素和规律，得到如下主要结论。

1) 随着采空区尺寸增大，其对隧道的影响范围逐渐增大。从采空区跨度和采高影响看，一定范围内，随着采空区跨度增大，其对隧道的影响范围显著增大，而采空区高度变化对隧道的影响则相对较小。

2) 公路隧道并行穿越采空区时，采空区对隧道的影响相对较弱，而上覆和下伏采空区对隧道的影响则较显著，设计和施工过程中应引起高度重视，并采取相应处治对策。

3) V级、IV级及III级围岩条件下，下伏采空区与隧道结构影响的安全距离可分别为40,30及20 m，即采空区与隧道显著影响净距依次约为3.0D、2.5D及1.5D。

4) 下伏采空区水平尺寸不敏感临界值为33 m左右，约为2.5D，即采空区尺寸在该范围内时，其尺寸变化对隧道的影响相对不敏感，超过该范围时，对隧道的影响显著增加。

5) 在相同的净距下，围岩质量从差到好，采空区对隧道影响的相对不敏感尺寸逐渐增大，隧道结构的相对稳定性增强，对工程有利。对于采空区隧道，通过加固围岩是一种较常用处理手段。