隧道下伏采空区加固范围优化及安全评估*

张成良 闫 祥 李明健 王亚宁 王 超

(昆明理工大学国土资源工程学院 昆明 650093)

公路隧道下伏采空区是一类特殊的岩体工程，隧道与下伏采空区相互作用给采空区段隧道施工带来困难，国内外学者针对隧道下伏采空区地段开展了一系列的研究工作。童立元等[1]通过对大量下伏采空区处置方案归纳分析，研究采空区注浆理论、注浆材料及其设计、施工、检测方法；李鹏等[2]依托隧道过采空区破碎带，设计大比例劈裂注浆模型试验装置，分析注浆过程关键参数的变化规律；田娇等[3]建立不同的下伏采空区模型，分析隧道洞周位移变化，得出安全距离，分析不同围岩情况下，采空区对隧道影响的敏感尺寸；国外J.H.Shin等学者对隧道加固技术做了相关研究，也取得一些成果。

本文以隧道穿越下伏采空区为研究对象，分析不同方向不同加固范围围岩的改善效果，进而对采空区的加固范围进行优化，确定隧道下伏采空区的注浆加固范围。

1 工程概况

隧道为分离式隧道，左幅隧道起点桩号K8+420，止点桩号K9+655，长1 235 m，最大埋深116.5 m；右幅隧道起点桩号K8+410，止点桩号K9+643，长1 233 m，最大埋深119.2 m。隧道净宽14.5 m、净高5 m，左、右幅间距24 m。隧址区岩性为砂岩、页岩、玄武岩、灰岩和煤，地下水以第四系孔隙水类型及基岩裂隙水为主。区内主要含4层可采或局部可采煤层，总厚度为7.93 m。由于煤层开采，隧址区存在形态不一的煤层采空区。为控制隧道施工和运营过程中围岩的变形和移动，需对采空区的稳定性进行分析，进而进行处治[4]。隧道与采空区空间位置关系见图1。

图1 隧道与采空区空间位置关系

经过前期综合探测，查明隧址区存在2个对隧道稳定性影响较大的采空区，1号采空区位于隧道K9+068-K9+094段，沿隧道走向方向长25.30 m，距隧道底板0～15 m，2号采空区位于隧道K9+098-K9+119段，沿隧道走向方向长20.10 m，距隧道底板5～17 m。采空区横向贯穿隧道左右幅，围岩稳定性较差，易发生变形失稳，需对采空区进行加固。

2 下伏采空区处治方案

目前对于公路穿越采空区的处置方案主要有充填法、注浆法、崩落法三大类[5-6]。注浆法通过注浆胶结作用，形成岩板结构，有效抵抗采空区移动变形向上发展，且施工扰动较小[7]。结合采空区实际赋存状况，采用注浆法对隧道穿越采空区段围岩进行加固。

3 采空区加固及优化

3.1 模拟方案

采空区对隧道稳定性影响大，在保证采空区加固效果的前提下，需对采空区加固范围进行优化。运用midas GTS模拟软件建立三维实体模型[8]，模型所采用的力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

选取左幅隧道及2号采空区为研究对象，根据圣维南原理，模型水平(X)方向取80 m，竖直(Y)方向向下取采空区底板下30 m，向上取隧道拱顶上25 m，纵向(Z)取60 m，计算模型见图2。

图2 数值计算模型

由于采空区走向、纵向、深度范围较大，将隧道下伏采空区加固分为垂直隧道走向、沿隧道走向、加固深度3种工况进行模拟，分析垂直隧道走向加固范围为1A、1.5A、2A(A为仰拱宽度)，沿隧道走向加固范围为1.2B、1.5B、2B(B为采空区在隧道上垂直投影长度)，加固深度至采空区顶板、底板、底板下2 m、底板下5 m。

3.2 垂直隧道走向加固宽度分析

为研究垂直隧道走向加固效果，在模拟时，沿隧道走向加固长度固定为采空区在隧道上垂直投影长度，加固深度固定为仰拱至采空区底板高度。不同加固宽度实体模型见图3，竖向位移云图见图4。通过在纵向Z=30 m处隧道断面提取不同加固范围的拱底、拱腰、拱顶监测点位移进行分析，不同加固宽度位移曲线见图5。

图3 不同加固宽度实体模型

图4 不同加固宽度竖向位移云图(单位：mm)

图5 不同加固宽度位移变化曲线

由图4、图5可知，当采空区无加固措施时，拱顶、拱腰及拱底均产生较大的位移，其中拱顶最大、拱腰次之、拱底处最小，随着采空区加固宽度的增加，围岩的位移在逐渐减小，加固宽度增加对位移控制具有明显的改善作用，如不考虑经济成本，加固宽度越宽越好，为保证经济合理，确定垂直隧道走向加固宽度为1.5A。

3.3 沿隧道走向加固长度分析

为研究沿隧道走向加固效果，在模拟时，垂直隧道走向加固宽度固定为仰拱宽度，加固深度固定为仰拱至采空区底板高度。不同加固长度实体模型见图6，竖向位移云图见图7。通过在纵向Z=30 m处隧道断面提取不同加固范围的拱底、拱腰、拱顶监测点位移进行分析，不同加固长度位移曲线见图8。

图6 不同加固长度实体模型

图7 不同加固长度竖向位移云图(单位：m)

图8 不同加固长度位移变化曲线

由图7、图8可知，当采空区无加固措施时，拱顶、拱腰及拱底均产生较大的位移，其中拱顶最大、拱腰次之、拱底处最小，随着采空区加固长度的增加，围岩的位移在逐渐减小，加固长度增加对位移控制具有明显的改善作用，当加固长度增加到1.2B后，位移的改善作用不再明显，为保证经济合理确定沿隧道走向加固长度为1.2B。

3.4 加固深度分析

为研究加固深度不同的效果，在模拟时，垂直隧道走向加固宽度固定为仰拱宽度，沿隧道走向加固长度固定为采空区在隧道上垂直投影长度。不同加固深度实体模型见图9，竖向位移云图见图10。

图9 不同加固深度实体模型

图10 不同加固深度竖向位移云图(单位：m)

对纵向Z=30 m处隧道断面提取不同加固范围的拱底、拱腰、拱顶监测点位移进行分析，不同加固长度位移曲线见图11。

图11 不同加固深度位移变形曲线

由图10、图11可知，当采空区无加固措施时，拱顶、拱腰及拱底都产生较大的位移，其中拱顶最大、拱腰次之、拱底处最小，随着采空区加固深度的增加，围岩位移在逐渐减小，加固深度增加对位移控制具有明显改善作用，当加固深度持续增加到底板下2 m时，位移的改善作用减弱，为保证经济合理，确定加固深度至采空区底板下2 m。

通过对比垂直隧道走向加固宽度、沿隧道走向加固长度及加固深度，发现采空区注浆加固对改善围岩力学特性和控制岩体变形有明显效果，加固的宽度越宽、加固的长度越长、加固的深度越深，围岩的力学特性改善及控制围岩变形越明显。经过单因素加固范围分析，并考虑保证效果的前提下，做到经济合理。确定采空区加固的范围为垂直隧道走向加固宽度为1.5A、沿隧道走向加固长度为1.2B，加固深度至采空区底板下2 m。

4 采空区加固模拟研究

4.1 数值模型建立

根据采空区单因素加固范围效果分析，建立采空区加固的三维实体模型，注浆加固区与隧道位置关系见图12。

图12 注浆加固区与隧道位置关系

如图12所示，1号采空区距离隧道较近，对隧道稳定性影响大，充分考虑注浆加固优势段，1号采空区垂直隧道走向加固宽度为80 m，左右幅隧道之间下伏围岩全部注浆加固，沿隧道走向加固长度为30 m，加固深度至采空区底板下2 m处。2号采空区小于1号采空区且距隧道较远，垂直隧道走向加固宽度为70 m，左右幅隧道之间下伏围岩全部注浆加固，沿隧道走向加固长度为24 m，加固深度至采空区底板下2 m处。

4.2 模拟结果分析

采空区加固后隧道围岩应力云图见图13，隧道围岩位移云图见图14。

由图13可知，在隧道开挖附近拱顶、仰拱、拱脚及采空区边缘部位产生了较小应力集中现象，应力以压应力为主，最小主应力为-0.14 MPa，位于左幅拱底处，最大主应力为4.1 MPa，位于隧道右幅与煤层的交界处，根据支护结构安全判断标准，可知公路钢筋混凝土为C30时，抗拉强度ftd为1.39 MPa，抗压强度fcd规定为13.8 MPa，隧道支护满足设计规范。

图13 加固后围岩应力云图(单位：kPa)

图14 隧道围岩位移云图(单位：mm)

由图14可知，注浆加固完成后，隧道整体竖向位移以拱顶沉降、拱底隆起为主，水平位移最大值出现在隧道左右幅拱腰、拱脚处，呈对称分布，拱底最大位移位于煤层与隧道交界处，最大隆起值为18.5 mm，拱顶沉降最大值为27.7 mm。对采空区加固后，围岩的应力和位移均较小，采空区加固效果明显。

5 安全评估

在隧道施工到采空区段时，对隧道现场监控量测，以评估采空区的加固效果[9]。采用高精度全站仪、反光膜片及收敛仪，实时监测围岩变形，选择隧道左幅ZK9+080、ZK9+100进行监测分析，变形-时间曲线见图15、图16。

图15 隧道拱顶沉降曲线

图16 隧道周边收敛曲线

由图15可知，ZK9+080断面拱顶累计位移为47 mm、ZK9+100断面累计位移为44 mm，变形最大速率为7 mm/d。由图16可知，2个监测断面周边收敛累计变形量同隧道拱顶沉降位移量一样变化不大，分别为34，32 mm。综合发现，随着注浆达到一定强度后，围岩变形速率逐渐减小，累计位移趋于稳定。现场实测结果大于模拟结果，但通过模拟的变形曲线及变形趋势可知，模拟结果能基本反映隧道采空区围岩的变形规律，采空区段实施注浆加固后，隧道初支累计变形量均未超过设计的要求的15 cm预留变形量，说明隧道采空区注浆加固可以有效抑制隧道围岩变形，侧面验证了数值模拟的可靠性。

6 结语

本文以白兆隧道穿越下伏采空区为研究对象， 采用数值分析方法对采空区的加固范围即垂直隧道走向加固宽度、沿隧道走向加固长度、垂直深度的加固效果进行单因素分析，通过对比不同加固范围的位移变化规律，确定优化的围岩加固范围。

对优化后的围岩加固范围，建立三维实体模型，分析围岩加固后应力及位移分布规律，并应用于工程现场，保证了隧道穿越下伏采空区的安全施工，实践证明了该方法的可行性。