兰 洋，吕远强

(中煤西安设计工程有限责任公司,陕西 西安 710054)

0 引言

中电国华神木发电有限公司在麻家塔窝窝庄村筹划新建2×350 MW国产超临界空冷供热发电机组,同步建设烟气脱硫、脱硝装置,项目总投资30亿元。项目在测量厂址用地时发现在窝窝庄厂址南缘沟谷中有施工队进行隧道施工作业,该工程为神渭输煤管道窝窝庄隧道,隧道近南北向从拟建场地主厂房及预留场地区域下部穿越。主厂房区域为热电厂最核心位置,且该区域建筑物具有荷载大,对基础沉降要求严格等特点。窝窝庄隧道从场地下部穿越,对场地的稳定性有何影响;拟建电厂的附加荷载对隧道的稳定性有何影响。为确保一期和二期机组安全投产运行,满足电厂设计指标和国家及行业标准的相关要求,本文通过拱模型理论分析了以上问题[1-3]。

1 工程概况

神华神木热电项目规划容量4×350 MW超临界燃煤空冷供热发电机组,工程建设2×350 MW超临界燃煤空冷供热发电机组,同步安装烟气脱硫脱硝装置,并留有扩建余地。该项目拟采用两机一塔方案,厂区采用三列式布置格局,自东北向西南依次为升压站、主厂房、煤场。

窝窝庄隧道输煤的能力为10.00 Mt/a,管径φ610 mm。线路起点红柳林矿井,终点渭化终端。设计服务年限30 a。该管线总长约733.439 km。线路共设隧道60处,平面总长约46.40 km。窝窝庄隧道是神木—渭南输煤管道的第四个隧道,位于陕西省榆林市神木县境内,隧道起点里程为K14+546.297,终点里程为K15+859.806,隧道平面长度为1 313.509 m,属中长隧道。隧道净断面2.50 m×2.80 m(宽×高)。上坡为隧道前进方向。

2 评价原理

2.1 定性分析

窝窝庄隧道的形式,可假定为一层煤层的煤矿巷道采空区,开采深度即为隧道高度。故可通过估算冒落最大高度及导水裂隙最大高度,通过影响线位置关系,初步定性分析隧道与热电厂二者是否有相互影响。

2.2 定量分析

1)拱模型理论适用于覆岩较厚、埋深较大的隧道。窝窝庄隧道上覆岩层中能形成稳定的压力拱。在压力拱的情况下,拱底曲线便为空洞的冒落(实际为裂隙)带提供了上界。换句话说,空洞即使因某种原因冒落,其裂隙带也不可能扩展到拱底曲线之上,即拱底曲线为空洞冒落终止的界限。故压力拱的承载力即为该空洞承载力的下界值。以压力拱的承载力作为相应隧道的承载力,一方面严格地给出了隧道承载力的下界值,而更为重要的是,即使隧道的实际尺寸不能较好地确定,由压力拱得出隧道承载力,也是相当可靠的。这可使我们避开因隧道参数不确定对预测其承载力带来的严重困难。2)小煤矿开采范围小,埋深一般小于100 m,巷道高、宽一般为2 m～3 m,这和窝窝庄隧道的断面尺寸及埋深接近。故亦可采用小煤矿巷道稳定性评价公式佐证拱模型定量分析结果。

3 评价方法及参数选取

3.1 定性分析

根据GB 12719—91矿井水文地质工程地质勘探规范附录F,估算冒落最大高度及导水裂隙最大高度。冒落带、导水裂隙带最大高度计算公式如下:

Hm=(3～4)M

(1)

HL=100∑M/(3.3n+3.8)+5.1

(2)

其中，Hm为冒落带最大高度，m;HL为导水裂隙带最大高度(包括冒落带)，m;∑M为煤层累计采厚，m;M为煤层采厚，m;n为煤层分层开采层数。

3.2 拱模型理论

压力拱主要模型参数(见图1),拱脚位置由最大破坏线(面)确定;拱底曲线,由普氏理论加以确定;拱的最大破坏线,由摩尔-库仑理论确定;拱体,由最大破坏线、拱底曲线、岩体顶面确定。荷载为岩体及上覆土柱自重。

当拱破坏时,其冒落终止条件及拱体破坏形式分别为:

1)冒落终止条件。由于岩体的碎胀,满足一定条件时,空洞有可能为冒落的碎石所填满,使冒落自行终止。经较长时期地质作用压实后,可以认为被碎石填满的空洞,与未采动的地层有同样的承载力,即H可不受承载力的限制。由此可推得:

(3)

其中，T为落冒终止高度;k为岩体碎胀系数;h0为隧道高度。

2)拱腹压溃破坏。按线弹性理论,最大压应力出现在拱腹顶部。该部位可因压应力过大而压溃,导致拱体变位,波及到地表形成塌陷盆地。这种破坏的控制因素为岩体的抗压强度。地层的侧压加剧这种形式的破坏。可采用如下拱腹压溃公式计算:

(4)

其中，H5为拱腹压溃破坏极限承载力等代土柱高度;[σc]为隧道顶板极限应力设计值；β=45°+φk/2;b2为地表影响宽度;k0为静止土压力系数;T为落冒终止高度;r为土条重度;h2为岩层顶部至拱底曲线的距离;m′为重要性系数,本工程取1.5。

3)拱的剪切破坏。注意到压力拱一般较坦,且拱角附近剪力最大,故拱脚附近的最小剪切面可能发生剪切破坏。这种形式的破坏若波及到地表,则会造成漏斗状塌陷坑。可采用拱脚剪坏时的计算公式如下:

(5)

其中，H6为拱体抗剪强度极限值等代土柱高度;c为岩体的黏聚力;h1为拱底曲线高度;b1为最大破坏线水平投影;b1=b0+2h0tgα；h1=b1/tgφk；h2=T-h0-h1;m′=1.5(重要性系数)。

4 结果分析

1)定性分析。

n=1,M=2.8 m时,计算得HL=21.2 m。即窝窝庄隧道产生的导水裂隙带最大高度为21.2 m。主厂房区域主要建构筑物拟采用钻孔灌注桩,桩径采用φ800 mm,桩端持力层为强风化和中风化砂岩。桩长约为32 m～35 m,荷载对桩(端承桩)端下部基岩地层的影响深度一般小于3d。d取0.8 m时,荷载对桩(端承桩)端下部基岩地层的影响深度小于37.4 m。 从上述计算可知,窝窝庄隧道产生的导水裂隙带最大高度为21.2 m,荷载对桩(端承桩)端下部基岩地层的影响深度小于37.4 m,导水裂隙带最大高度及桩端对下部基岩地层的影响深度之和为58.6 m,小于主厂房地段隧道埋深67.0 m～72.0 m,二者高度及深度的影响线并未相交,相互影响小。

2)定量计算结果。

本次计算,截面1位置选取在2号孔附近, 桩号里程K015+600,该地段为主厂房区域,顶部荷载最大且上覆土层最厚,荷载取q1=370 kPa。截面2位置选取在1号孔附近,即窝窝庄隧道出口附近,桩号里程K015+773,取荷载q2=200 kPa。计算参数及结果见表1。

以上两种计算方法均为评价厂区建设对隧道稳定性影响的方法。由表1可知,截面1和截面2的承载系数S分别为2.51和8.90,大于临界承载系数1;计算落冒终止高度T分别为43.1 m和46.8 m,大于理论落冒终止高度5.6 m。说明厂区的建设,不会影响隧道的稳定性[4]。

表1 窝窝庄隧道稳定性计算结果

定性分析得知,神渭输煤管道窝窝庄隧道对神华神木热电一期项目建设场地的影响小,神华神木热电一期项目地面建筑物荷载对隧道的影响小。从定量计算可知,拱模型计算出的窝窝庄隧道承载系数S最小值为2.15,大于隧道稳定临界承载系数1,说明窝窝庄隧道是稳定的,并未受到神华神木热电一期项目地面建筑物荷载的影响。采用小煤窑巷道稳定性评价公式计算,得出隧道的埋深大于临界稳定深度的1.5倍,同样说明了神华神木热电一期项目地面建筑物荷载对窝窝庄隧道的稳定性无影响。

在隧道已经施工完毕的条件下,对不同的建筑物荷载作用在隧道不同的位置处进行数值模拟,其竖向应力和竖向位移与数值计算接近。从模拟结果可知,神华神木热电一期项目地面建筑物荷载对窝窝庄隧道的稳定性无影响;同样,窝窝庄隧道对建设场地无影响。从相互影响线对比可知,浅基础的影响比桩基础更小。综上所述,从定性分析、定量计算可知,窝窝庄隧道对神华神木热电一期项目厂址无影响,神木热电一期建设工程对窝窝庄隧道的稳定性无影响。

5 结语

通过野外现场调研和对已有资料分析,利用拱模型理论评估,场区范围内窝窝庄隧道对上部神木热电项目一期的建(构)筑物无影响,规划场地可以作为神华神木热电厂一期项目建设场地使用。