华岩隧道全线位于重庆市九龙坡区, 该隧道属深埋特长隧道, 设计为分离式双洞, 隧道左线起讫里程桩号为ZK0+970.000—ZK5+847.000, 长4 877.0m, 右线起讫里程桩号为YK0+960.000—YK5+843.000, 长4 883.0m, 隧道最大埋深约344.0m, 开挖洞宽13.5m, 高约9.0m。华岩隧道所处中梁山矿区主采的二叠系上统龙潭组, 含煤10层 (编号K₁~K₁₀煤层) 。根据设计方案, 华岩隧道将穿过中梁山南矿开采煤层遗留煤柱及采空区, 加之中梁山背斜构造作用导致隧道单线将穿越煤层约20层次, 严重面临煤与瓦斯突出等不利条件及危险因素。

为实现过煤系地层隧道的安全掘进, 根据实际隧道穿越煤系地层情况, 分别建立隧道揭穿煤层、穿越采空区和过遗留煤柱3种数值模型。

数值模型采用FLAC3D软件进行分析^[1,2], 为快速准确地分析数值, 对模型做以下2点简化处理:选取有代表性的K₁煤层为例, 研究隧道穿越煤系地层的应力位移场演化规律;华岩隧道所处地层结构复杂, 为了使研究成果更具有普遍意义, 将煤岩体简化为软岩 (如泥岩) 、硬岩 (如粉砂岩和中粒砂岩) 和煤3大类。

根据过煤系地层隧道的特点, 并结合华岩隧道地质状况建立模型, 长、宽、高依次为138, 160, 160m, 模型单元总计259 440个, 节点264 239个。华岩隧道埋深约300m, 结合我国大陆浅层地壳实测地应力分布规律及覆岩自重计算得出^[3,4], 隧道所在平面原始竖直应力为7.5MPa, 侧向应力系数λ取0.8。模型顶部采用5.5MPa压力边界, 其余面均为滚支边界^[5,6], K₁煤层倾角约为64°。模型综合柱状图及网格方式如图1a所示, 模型边界条件如图1b所示。

本构模型采用莫尔-库仑模型进行研究, 根据中梁山矿区实测的煤岩强度参数并结合岩块和岩体力学参数差异给模型赋值, 如表1所示。

根据设计方案, 华岩隧道将穿过中梁山南矿开采煤层遗留煤柱及采空区, 隧道实际开挖过程中可能出现揭穿煤层、穿越采空区和穿越遗留煤柱3种情况。因此, 分别设计揭穿煤层、穿越采空区和过遗留煤柱3种模拟方案, 各方案如图2所示, 其中图2b采空区范围为:x轴-40~40m, z轴-40~40m, 图2c中x轴-40~40m及z轴-40~-4m和4~40m范围为采空区, z轴-4~4m范围为遗留煤柱。

为精确监测隧道开挖过程中煤岩体应力和位移的演化规律, 分别在隧道正前方煤体、上下10, 20m处布置1, 2, 3, 4, 5共5个应力监测点, 如图3a所示;在隧道顶板44~70m每隔2m设置1个位移监测点, 如图3b所示。

计算过程参照隧道实际开挖工序: (1) 0~40m阶段隧道距离煤层较远, 开挖4步, 每步开挖10m; (2) 40~70m阶段开挖15步, 每步开挖2m。其中, 0~44m阶段的隧道工况环境为粉砂岩 (坚硬岩石) , 44~68m阶段的隧道工况环境为泥岩 (软岩) 。

隧道开挖过程中的围岩应力状态及其演化规律, 对于防治由应力引发的灾害事故具有重要指导意义, 以下分别模拟得到隧道揭穿煤层、穿越采空区和过遗留煤柱3种不同情况的应力演化规律, 此处只选取特征区段的应力云图进行分析。

首先对隧道揭穿煤层进行应力分析, 隧道揭穿煤层不同阶段竖直应力如图4所示。

由图4可以看出, 隧道开挖后, 应力得到不同程度卸除, 对比44, 68m 2个阶段可以看出, 软岩中卸压区的范围要大于坚硬岩石;而在隧道前方一定距离处出现应力集中区, 且随着隧道的不断开挖, 应力集中区逐渐向前方移动。当应力集中区移动至K₁煤层处, 煤岩体受到高地应力和高瓦斯压力的双重作用, 随着煤层与开挖面之间岩柱厚度变小, 当其厚度小于某一值时, 就会发生破坏失稳, 进而发生煤 (岩) 与瓦斯突出事故。隧道开挖过程中K₁煤层不同位置处的应力变化情况如图5所示, 可计算得到安全岩柱的厚度。

由图5可知, 隧道开挖0~50m阶段, 由于隧道开挖面距煤层较远, 各监测点的应力基本保持原始应力水平;随着隧道继续掘进至穿过煤层, 隧道正前方的1, 2号监测点应力值先增大后减小, 隧道上方3号监测点和下方4, 5号监测点应力值均减小, 且上方应力降低程度要大于下方。其中, 1, 2号监测点在隧道开挖至52m左右时应力出现一个明显的上升趋势, 此时隧道开挖面的上端距离K₁煤层平距为12m, 煤层倾角64°, 隧道开挖面与K₁煤层间的最小垂距, 即安全岩柱距离L≈10.8m。

隧道穿越采空区不同阶段竖直应力如图6所示。由图6可以看出, 由于采空区的存在, 在采空区周围大范围内煤岩体均处于卸压状态。隧道开挖距离为20m时, 由于开挖面距离采空区较远, 此时隧道周围应力状态与图4a基本一致, 开挖距离为44m时, 隧道接触采空区卸压范围, 此时应相应增强隧道的超前支护, 防止发生坍塌。图7给出隧道穿越采空区过程中K₁煤层不同位置处的应力变化情况。

由图7可知, 各监测点均处于采空区形成的卸压区域内, 初始应力值较原岩应力低。与揭穿煤层过程类似, 隧道开挖0~50m阶段, 由于隧道开挖面距煤层较远, 各监测点的应力基本保持不变;随着隧道继续掘进至穿过煤层, 隧道正前方的1, 3, 4, 5号监测点应力值先增大后减小, 而2号监测点应力值先减小后增大, 最终再次减小。分析认为2号监测点处于隧道开挖面正前方顶板较近位置, 在隧道开挖过程中, 顶板较近范围内煤岩体在重力作用下向开挖空间膨胀变形, 应力值逐渐降低;随着隧道至2号监测点正下方时, 已开挖位置处上层岩体失去支撑向下沉, 2号监测点相当于支撑梁, 应力值又逐渐回升;当隧道完全开挖后, 岩体完全失去支撑下沉, 应力值重新降低。但可以看出, 由于采空区二次应力场的影响, 靠近煤层附近煤岩体的应力值整体均较低。

隧道过遗留煤柱不同阶段竖直应力如图8所示。由图8可以看出, 由于遗留煤柱上下存在采空区, 煤柱上支撑压力非常大, 出现明显的应力集中区。随着隧道不断开挖, 煤柱上的应力集中区始终存在, 直至隧道完全推过遗留煤柱时, 应力集中现象消失。其中, 隧道开挖距离达到52m时, 隧道接触煤柱上方采空区卸压范围, 同样, 此时应相应增强隧道的超前支护, 防止发生坍塌。隧道过遗留煤柱过程中, K₁煤层不同位置处的应力变化情况如图9所示。

由图9可知, 2~5号监测点均处于采空区形成的卸压区域内, 初始应力值相较于原岩应力较低, 而1号监测点位于遗留煤柱上, 应力值非常高, 最大约11MPa。随着隧道不断开挖, 煤柱一直维持高应力状态, 直至隧道完全推过煤柱区。由于中梁山矿区采矿历史久远, 护巷煤柱遗留较多, 当隧道开挖前方存在遗留煤柱时, 要超前探明遗留煤柱位置, 必要时可采取水力割缝、压裂、松动爆破等卸压措施。

图10所示为隧道揭穿煤层监测点位移的变化曲线。由图10可以看出, 在坚硬岩石中开挖隧道, 顶板下沉量很小, 最大下沉量仅为7.8mm, 围岩抵抗变形能力强, 隧道稳定性较好;在软岩中, 隧道顶板下沉量要远大于坚硬岩石, 且随着位移监测点值越靠近K₁煤层 (68m) , 其下沉量越大, 最大值为121mm。因此, 隧道在松软岩体中掘进时, 要及时做好围岩控制和断面支护, 防止由于变形量过大造成隧道失稳破坏, 发生冒顶、片帮等灾害事故。

图11所示为隧道穿越采空区监测点位移的变化曲线。由图11可以看出, 当隧道处于坚硬岩石 (0~44m) 阶段, 隧道顶板最大下沉量仅为9.2mm;当隧道处于软岩 (44~68m) 阶段, 最大沉降值为50mm。对比图10可以发现, 隧道在穿越采空区过程中顶板位移最大值要小于揭穿煤层时顶板位移量, 这是由于采空区周围煤岩体应力值较低, 隧道开挖后, 煤岩体抵抗外界荷载也更小, 因此隧道的顶板位移量也较小。

图12所示为隧道遗留煤柱监测点位移的变化曲线。由图12可以看出, 当隧道处于坚硬岩石中, 隧道顶板最大下沉量仅为8.9mm;当隧道处于软岩阶段, 最大沉降值达到71mm。图12与图10, 11对比可以发现, 隧道在过遗留煤柱过程中顶板位移最大值要小于揭穿煤层时顶板位移量, 而略大于穿越采空区时顶板位移量, 这是由于采空区周围煤岩体应力值较小, 隧道开挖后, 煤岩体抵抗外界荷载也越小, 但煤柱的存在使围岩的卸压程度又低于采空区。

隧道揭穿煤层、穿越采空区以及过遗留煤柱条件下隧道塑性区分布如图13所示。从图13中分析可知: (1) 采空区周围应力重新分布导致大范围煤岩体发生塑性屈服破坏, 强度降低, 围岩结构松散, 裂隙发育; (2) 结合对隧道开挖位移影响的分析可知, 当隧道穿越采空区或过遗留煤柱时, 虽然隧道顶板位移形变量要远小于揭穿煤层时位移形变量, 但隧道周围煤岩体大多发生塑性屈服破坏, 强度较低, 此时隧道容易发生垮落崩塌破坏, 在进行围岩控制和支护时可采取柔性支护方式, 如架立格栅钢架, 并提前注浆加固;在隧道揭穿煤层时宜采用刚性支护, 如架工字钢等; (3) 塑性区内煤岩体结构松散, 裂隙发育, 为防止煤层或采空区瓦斯经裂隙运移到隧道掌子面, 造成瓦斯超限等灾害事故, 可以通过注浆封堵或打钻抽采的方式治理。

结合中梁山矿区和华岩隧道实际地质情况, 建立了公路隧道过煤系地层的三维数值模型;模拟分析隧道揭穿煤层、穿越采空区和过遗留煤柱3种不同情况下应力、位移演化规律及塑性区分布特征, 得到以下结论。

1) 根据应力演化规律结果, 得到华岩隧道揭煤的安全岩柱厚度为10.8m。当穿越采空区 (过遗留煤柱) 时, 隧道开挖距离达到44m (52m) 时, 隧道与采空区 (煤柱上方采空区) 卸压范围接触, 此时应相应增强隧道的超前支护, 防止发生坍塌。

2) 模拟得到隧道顶板在不同岩性区域和不同应力环境下的位移形变量, 在软岩中, 隧道顶板下沉量要远大于坚硬岩石, 隧道揭穿煤层拱顶沉降量>过遗留煤柱拱顶沉降量>穿越采空区拱顶沉降量。

3) 结合对隧道开挖位移和塑性区分布特征的分析可知, 在隧道揭穿煤层时宜采用刚性支护, 如架工字钢等;当隧道穿越采空区或过遗留煤柱时, 可采取柔性支护方式, 如架立格栅钢架, 并提前注浆加固。