铁路隧道穿越煤系地层围岩变形规律研究

臧世华,刘晓凤,何丹,孙修展

(1.合肥城市学院土木工程学院,安徽 合肥 230071; 2.中铁建设集团有限公司,北京 100043)

0 引言

当前,我国西北地区经济正处于高速健康发展的时期,隧道施工在铁路建设领域所涵盖的范围不断增多。西北地区地下矿藏丰富,地质条件复杂,开挖隧道时常遭遇煤层,而且煤系地层深埋地下。穿越煤层施工对围岩的扰动将会打破现有的平衡状态,导致煤层内腔变形,煤与瓦斯外泄。尤其是采用台阶法开挖隧道的断面整体处于煤层时,岩体松散而破碎,围岩承载力低可能会造成隧道支护结构的变形和开裂,甚至隧道塌方[1-4],如何在台阶法开挖时保证围岩系统穿越煤层段的结构稳定性成为新的难点。

国内学者对穿越煤层的隧道开展了大量研究。冉楗等[5]以城开高速鸡鸣隧道为研究对象,基于数值模拟方法,研究了瓦斯隧道开挖过程中通风设备布置对通风效果的影响机制。吴波等[6]针对含瓦斯地层隧道施工难度大、安全风险高等特点,提出了采用熵值法和模糊理论相结合的方法进行铁路瓦斯隧道施工安全风险评估。王栋[7]以渝黔铁路天坪隧道为研究对象,通过在施工过程中实施非防爆无轨运输技术,有效降低了高瓦斯隧道的瓦斯含量和涌出量。王海洋等[8]采用灰色关联法分析了多个隧道里发生的不同等级事故产生的影响因素,得出影响隧道事故的主要原因包括围岩瓦斯含量、地质构造、隧道埋深等。黎俊麟等[9]以成都轨道交通19号线新红区段为例,重点论述了盾构始发前和掘进过程中两个阶段的盾构施工工艺流程,为非煤高瓦斯隧道盾构施工提供重要借鉴。肖乔等[10]以成都地铁11号线暗挖段高瓦斯隧道为切入点,通过建立人工监测和电脑系统监测相结合的隧道瓦斯监测体系,分析隧道瓦斯防控效果,并给出了瓦斯超限处理措施。

前人的研究促进了瓦斯隧道施工安全与技术的发展,但是主要针对的是施工工艺流程和安全风险评估,关于单线铁路隧道穿越煤系地层围岩稳定性的研究相对较少。本文在前人研究的基础上,以重庆市涪陵区新涪陵隧道为工程背景,通过选取处于煤系地层不同高度的典型断面,采用现场监测、数值模拟等方法对隧道穿越煤系地层围岩进行变形分析,得出处于煤层中隧道不同断面围岩变形位移受力规律,以期为类似工程条件下隧道穿越煤系地层掘进提供借鉴。

1 工程概况

新涪陵隧道位于重庆市涪陵区白涛镇境内,中心里程ZDK123+516.5,全长4 545 m,最大埋深352 m。分进、出口两个作业面组织施工,其中,进口工区承担1 605 m施工任务,出口工区承担2 940 m施工任务。隧道穿越二迭系上统须家河组为含煤地层,砂岩、页岩中夹劣质煤。受影响线路里程为YDK122+160～YDK122+500。隧道施工现场图如图1、2所示。

图1 新涪陵隧道出口

图2 隧道三台阶现场图

2 监测方案与设计

根据左右两煤系地层穿越隧道距离的不同和距离出(入)口的距离不同,选取右边进口工区Ⅳ级围岩段断层进行研究,处于该断层的整个隧道截面都穿越煤系地层。围岩支护采用的锚杆形式为拱墙砂浆锚杆(3.2 m),间距为1.35 m×1.35 m(环×纵),钢筋网为直径6 mm的钢筋网(20 mm×20 mm),钢拱架形式为I18型钢(1 m/榀)。监测内容具体包括隧道开挖对两个典型断面DK122+200与DK122+400处的隧道拱顶沉降以及收敛变形造成的影响。隧道监测点布置如图3所示。在隧道断面处选取4个监测点,分别为拱顶、拱肩、拱腰、拱底,编号分别为SL-1、SL-2、SL-3、SL-4,测量频率为1次/d,监测周期为60 d。

图3 围岩监测点布置示意图

3 监测结果与分析

采用台阶法开挖隧道后围岩的变形主要发生在拱顶上方和开挖台阶平面的下方,每一开挖步呈现的围岩变形规律整体基本一致,在隧道施工的过程中围岩最大变形位置出现在拱顶。通过观察隧道断面的监测数据发现,开挖产生的围岩变形不是均匀的,出现这一现象的原因是隧道采用台阶法穿过含煤地层,开挖过程中影响了土体的均匀性,对围岩土体造成了应力偏心效果。因此,隧道施工过程中应考虑掌子面开挖对围岩初始应力造成的破坏,以及对隧道内部稳定性的影响。隧道拱顶处土体呈沉降状态,隧道开挖台阶面土体隆起,这表明若没有对隧道采取任何具体的支护手段就贸然施工开挖,会直接导致该隧道在拱顶处产生塌陷,隧道施工的台阶面底部土体凸起。对断面拱顶、拱肩、拱腰、拱底监测点的数据进行整理分析,可得到隧道采用台阶法开挖过程中对围岩土体造成累计变形量的一般规律。DK122+200、DK122+400两处断面的围岩位移情况如图4、5所示。

图4 DK122+200断面围岩位移情况

结合图4和图5所示的监测数据与实际现场情况进行研究分析可知:

图5 DK122+400断面围岩位移情况

1)穿越煤系地层台阶法开挖隧道断面选取的4个典型监测点处的拱顶下沉和水平收敛变化趋势基本一致,各断面拱顶的累计变形量均大于水平收敛量,由于煤系地层分布的不均匀产生的偏心挤压使隧道断面拱顶受到最大的剪切力,隧道断面两侧拱腰处承受着最大弯矩,上台阶开挖和中台阶开挖时拱顶到拱腰范围的围岩稳定性影响着整个隧道施工的进展,因此,在台阶法施工过程中应增加对拱顶到拱腰部位的土体位移变化和水平收敛情况的监测频率,并通过仰拱底部加设锚杆和临时仰拱等措施来预防事故的发生。

2)对进口不远处的整个隧道处于煤系地层的典型断面土体位移数据进行分析,随着隧道断面穿越煤系地层占比变多,相比处于其他地层的隧道断面围岩变形较大,由于煤系地层土体松散,围岩条件差,因此隧道断面在施工过程中产生的围岩变形大小受到所处煤系地层的影响。DK122+400处整个隧道断面位于煤系地层中。结合图5,分析台阶法开挖断面DK122+400处的围岩土体累计变形数据:隧道顶部土体沉降量最大,其中上台阶开挖时拱顶沉降量达到10.8 mm,中台阶开挖时拱顶沉降量达到13.9 mm,下台阶开挖时拱顶沉降量达到17.8 mm;拱肩累计沉降量为13.8 mm,其中中台阶开挖时拱肩沉降量达到7.6 mm,下台阶开挖后拱肩沉降量达到12.9 mm;拱腰处的土体累计沉降量为7.6 mm,其中上台阶开挖时未对拱腰处土体造成影响,中台阶开挖后周围围岩土体开始发生变形,下台阶开挖后拱腰沉降量达到6.7 mm;拱底处的土体累计沉降量为4.1 mm,其中上台阶与中台阶开挖时未对拱底处土体造成影响,直至下台阶开挖后周围围岩土体才开始发生变形。因此可以看出,隧道处于煤系地层中,围岩土体受到台阶法开挖和煤层土体扰动影响越大,隧道周围围岩土体累计变形相对越大,台阶法的施工顺序会对隧道周边围岩土体造成不同时段不同程度的影响。

3)通过对现场监测数据的分析,隧道穿越煤系地层施工时,上台阶开挖对隧道顶部土体变形扰动较明显。在实际工程中,上台阶开挖造成的土体累计变形占比超过50%,变化区间为50.9%～62.4%。结合图4,以DK122+200处隧道断面监测数据为例,上台阶开挖完成后隧道顶部土体累计变形量约占隧道断面施工完成后顶部土体最终变形量的53.9%,说明造成隧道断面顶部土体累计变形量的主要阶段存在于上台阶开挖。

4 数值模拟

4.1 模型建立

模型中围岩体为3D实体单元,本构模型为莫尔-库伦模型,本次运用MIDAS/GTX NS有限差分法分析穿越煤系地层段围岩结构的稳定性。根据新涪陵隧道新建隧道数值模型,为减少模型边界效应的影响,在模型中心设置隧道的开挖面。选取新涪陵隧道模型的主要材料计算参数如表1所示,以设计院提供的设计断面和支护设计为依据,建立围岩体数值模型。

表1 材料力学参数

为了节约计算资源,提高效率,模型单元不宜过多,经综合考虑后,所建模型如图6所示。

图6 模型中围岩结构类型

模型尺寸大小宽度为90 m(坐标轴x轴,隧道横截面方向),高度为30 m(坐标轴y轴,隧道竖直方向),长度(坐标轴z轴,隧道开挖方向)为100 m。最终的模型尺寸为(长×宽×高)100 m×90 m×30 m,模型共划分162 898个单元。该模型边界条件为:将模型侧面的4个边界设置为水平位移约束,并将下边界设置为模型的三向位移约束;上边界设为自由边界,模型简化后留取一定范围土体进行分析。

4.2 参数取值

根据地质勘探结果,在隧道开挖面下方存在大量淤泥质土,需要用级配碎石换填,在回土时,上方用灰土回填。初期支护采取锚杆和喷射混凝土相结合的支护方式,其中,锚杆直径为0.03 m、长5 m,横截面设置锚杆数量为15根,锚杆的布置弧长为2 m,喷射混凝土厚度为0.25 m,喷射混凝土为2D板单元,锚杆为1D植入式桁架,本构模型均为弹性模型。为了便于三维模型的建立,假设围岩体模拟参数取值如表1所示。根据隧道实际施工方案,隧道施工时开挖断面长度为30 m,其中1个开挖断面的长度为3 m,每个开挖断面分为3个开挖步骤,每个开挖步骤按照台阶法施工的上中下顺序进行开挖,并且每个开挖步后需要插入锚杆和喷射混凝土。

4.3 数值计算分析

为研究台阶法开挖隧道对围岩土体稳定性的影响,模拟隧道始发开挖到30 m时的工况,取其Z=0截面处隧道周边围岩变形图。模型开挖到中间断面处的监测数据如图7所示。

图7 模型开挖到中间断面围岩位移

由图7可知:当隧道模型开挖至30 m处拱顶沉降最大值为4.20 mm,该监测断面围岩变形规律整体与现场监测情况保持一致,同时验证了数值分析结果的合理性。随着预加固土体强度黏聚力的提升,隧道在开挖过程中对拱顶土体沉降槽深度的影响逐渐减小,对围岩土体的应力扰动也在减弱。因此,在实际施工中,要充分保障混凝土浇筑的质量,在考虑不影响围岩稳定性的前提下,可以在一定安全范围内降低支护结构强度以及预加固围岩土体。

5 结论

本文研究了隧道穿越煤层对围岩土体的影响,并总结了围岩变形的一般规律,主要得出以下结论:

1)隧道在煤层土体中开挖采用三台阶加仰拱施工方法时,上台阶开挖引起的变形量是总变形量的主要组成部分,隧道围岩变形最大部位在拱顶位置,占总变形量的50%以上,属于重点监控部位。因此,在隧道开挖前应空出一定的预留变形位置,必要时预加固土体,提高围岩强度和稳定性。

2)隧道开挖期间,拱腰处也受到很大的作用力,尤其是混凝土浇筑前这期间,隧道的状态较不稳定,因此有必要在台阶法开挖后尽快浇筑混凝土,用闭合断面衬砌。