公路隧道穿煤矿采空段围岩稳定化概述

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1、公路隧道穿煤矿采空段围岩稳定化概述1.绪论1.1研究意义近年来，国内公路隧道建设方兴未艾，截止到2011年底，全国公路隧道共有8522处、总长625.34万米，比上年末增加1138处、113.09万米[1]。公路隧道可缩短公路里程并避免公路出现较陡的坡道，成为公路特别是高速公路的不可或缺的一部分，公路隧道的兴建为加快国民经济的发展和社会进步起了巨大的推动作用。我国是一个产煤大国，煤矿采空区在很多地区星罗棋布，由于北方地区以平原居多，公路隧道相对较少，高速公路施工进入矿区后，采空区仅处于高速公路下部，关于下伏采空区对高速公路稳定性影响的研究文献近年

2、来也不断涌现[2-8]，这些研究成果对保证现场安全施工，确保隧道建成后安全运行起了较好的指导作用。而我国南方则以山区丘陵地貌居多，部分煤矿采空区位于山体中，当公路隧道进入山体，采空区则可能同时位于隧道的上部和下部，对隧道围岩稳定性造成不良影响。即使在地质初勘时已经探明山体中有采空区分布，为了满足高速公路的线型要求，高速公路隧道也无可避免的要穿采空区。采空区围岩由于受到采空影响和开采损害，顶底板岩石比较破碎，形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[9-11]。对于浅部煤矿开采还可能只存在冒落带并直接延至地表，引起地表下沉；另外，煤系地层和采空区可能存在瓦斯

3、积聚和瓦斯爆炸危险。我国的岩脚寨隧道、炮台山隧道以及都汶高速公路隧道都曾在穿煤系地层和采空区时发生安全事故，损失惨重[12]。故公路隧道穿采空区时须对安全施工引起足够重视，并充分研究采空区对隧道围岩稳定性的影响。否则，由于高速公路交通量大，行车速度快，要求运行质量高。隧道建成后将出现衬砌结构破坏，隧道轮廓侵入界限，路面路基下沉，造成路线纵向不平，侧沟排水不畅，一旦发生这些病害，将危及行车安全，影响高速公路的正常运营，同时使隧道的养护工作和维修变得十分困难[13]。目前，关于公路隧道穿采空区的相关文献报道，大部分是施工经验介绍，对于现场施工有一定借

4、鉴作用，但并未产生成熟理论和工程设计体系，无规范规程可循[14]。现有的稳定性分析方法大都是为了满足采矿工程的需要，为采矿工程提供指导[15]。故关于公路隧道穿采空区对高速公路隧道稳定性的影响在国外属于一个较新的课题。1.2国内外研究现状隧道围岩稳定性指在隧道开挖和支护过程中，隧道周围岩体的稳定程度，是一个反映隧道地质环境、施工方法与支护结构的综合性指标，也是一门研究围岩变形、应力、破坏等规律的学科[16-17]。隧道工程地质环境的复杂性(如溶洞、破碎岩体、断层、煤矿采空区、煤系地层瓦斯等)导致围岩稳定性成为隧道工程设计和施工过程中必须首先重视的

5、问题。围岩稳定性分析方法归纳起来主要包括，理论分析法、数值分析法、物理模拟法和现场监控量测法等[18-19]。20世纪30年代以来，随着弹性力学和塑性力学分析方法被引入到岩石力学中，岩石力学领域出现了连续介质理论和地质力学理论两大学派[20]。连续介质理论以固体力学为基础，侧重从岩体材料的力学性质入手，研究工程围岩的稳定性。其中，以R.Fenner提出的Fenner解和H.Kastner提出的修正Fenner解在工程中应用最为广泛[21]。目前，从事连续介质理论研究的许多学者已经注意到岩土类材料的应变软化和扩容效应，认为应变软化模型比理想弹塑性模

6、型更接近工程实际。国内外部分学者基于应变软化模型提出了不同的本构关系[22-23]和屈服准则[24-25]，研究圆形隧道围岩的稳定性问题。地质力学理论由J.Stinihe和L.Muller在1951年创立，该理论着重研究地层力学和结构性质与工程围岩稳定性的关系，强调岩体节理和裂隙对围岩稳定性的影响，重视围岩与支护的共同作用并重视利用围岩的自稳能力，在岩土工程施工领域，提出著名的新奥法[26]。为了研究节理裂隙对围岩稳定性的影响，部分学者将损伤力学和断裂力学的理论引入到岩石力学中，建立了不同的节理裂隙岩体本构关系和损伤演化方程以评价裂隙岩体的稳定性

7、[27-28]。近年来，岩体系统力学性质的非线性特征受到重视，非线性科学[29-30]开始引入工程地质研究中，并取得丰硕成果。2.隧道穿采空区段围岩稳定性力学理论分析2.1穿采空区段围岩稳定性的经验判定方法高速公路穿煤矿采空区，需要对煤矿采空区的稳定性进行分析，如果采空区较为稳定性或者采空区失稳后不会破坏隧道建筑，可以不对采空区进行处理。反之，如果采空区不够稳定，失稳后可能威胁隧道建筑或引起隧道围岩失稳破坏，那么，必须对采空区进行处理。采空区稳定性是隧道围岩稳定性的重要影响因素，下面本文将对穿采空区段围岩稳定性的经验判定方法进行一个概要的讨论总结

8、。隧道围岩稳定性指在隧道开挖后，无支护条件下围岩的自稳能力。隧道围岩的稳定性与岩体的力学性质，岩体结构，原始应力场，地质构造以及地下水等