王文亮

中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350

隧道穿越煤层时，由于煤层自稳能力差以及高瓦斯压力的存在，极易发生安全事故。目前，国内隧道瓦斯防突技术还不是很成熟，主要是借鉴煤矿采掘中的瓦斯防突技术，如超前支护、超前钻孔、多排钻孔、水力冲孔以及震动性放炮等[1-3]。但煤矿巷道的断面尺寸一般较隧道断面尺寸要小，因此，铁路隧道施工在借鉴煤矿的瓦斯防突技术时应充分考虑截面尺寸的影响，事先掌握隧道断面尺寸对瓦斯隧道围岩稳定性的影响规律[4-6]，才能更好地保证施工安全。

1 工程概况

旧州隧道地处云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，隧道区域海拔1 327.9～1 552.5 m，相对高差224.6 m。拟建隧道进出口需经过煤系地层，通过对隧道附近各煤矿瓦斯资料的分析可知，该区域煤层均无煤尘爆炸危险性。根据其瓦斯绝对涌出量、隧道地层岩性及煤层地段，将隧道分为瓦斯工区及非瓦斯工区，其中瓦斯工区隧道按高瓦斯隧道考虑。

2 隧道断面对瓦斯隧道围岩稳定性的影响分析

2.1 数值模拟分析及模型参数

根据旧州隧道地质状况以及隧道施工情况，我们应用Midas软件建立了三维计算模型。模型中顶板岩层厚度30 m，底板岩层厚度30 m，中间煤层厚度40 m，宽度取为80 m，具体分层如图1所示。

模型开挖时，开挖深度定为20 m，隧道掘进速度为2 m/d。分别模拟工况一的11.0 m×9.3 m（净宽×净高）、工况二的12.0 m×10.3 m（净宽×净高）、工况三的13.0 m×11.3 m（净宽×净高）3类隧道断面，来分析3类隧道断面的掌子面前方围岩应力分布及隧道衬砌z向最大位移。模型参数如表1所示。

2.2 模拟结果及分析

为探究隧道截面尺寸对瓦斯隧道稳定性的影响情况，必须确定衡量指标。我们首先从隧道衬砌沉降进行分析，以对比3类截面的优劣；然后通过锚杆的变形进一步探究截面尺寸对隧道施工的影响；最后分析掌子面前方围岩压力与隧道截面尺寸的关系。通过这3个指标，结合旧州隧道工程实例，得出相应规律，为同类工程施工提供参考。

图1 三维数值模型

表1 模型参数

2.2.1 不同隧道截面下衬砌的沉降规律

以控制变量法为原则，控制单一变量隧道截面，其他模型参数不变，进行建模计算，得出3类隧道截面下的衬砌沉降。其中，工况一衬砌沉降云图如图2所示。

图2 工况一衬砌沉降云图

对比不同隧道截面的衬砌沉降可知：隧道开挖时，其衬砌沉降最值发生在拱顶处，且随着隧道截面的加大，沉降值也相应增大。其沉降最值如表2所示。

从表2中可知，当隧道截面由工况一变为工况二时，掌子面z向位移的值增大近40%；当隧道截面尺寸由工况二变为工况三时，掌子面z向位移的值增大不到10%。因此，进行隧道施工时应尽量合理利用空间，避免隧道截面尺寸过大，从隧道衬砌沉降来看，隧道截面尺寸采用工况一为最优选择，工况二和工况三区别不大。

2.2.2 不同隧道截面下锚杆的变形规律

锚杆作为隧道加固的有效措施，其变形对隧道施工质量有很大的影响，探究隧道截面的影响时，应把锚杆变形作为研究对象。通过三维模型可知3类隧道截面下锚杆的最大变形。

表2 不同隧道截面的衬砌沉降最值

对比以上不同隧道截面的锚杆变形可知：隧道贯通后拱顶处的锚杆变形最大，且随着隧道截面的加大，锚杆变形也相应加大。锚杆变形最值如表3所示。

表3 锚杆变形最值

从表3可知，当隧道截面由工况一变为工况二时，锚杆变形最值增大40%多；当隧道截面尺寸由工况二变为工况三时，锚杆变形最值仅增大不到10%。因此以锚杆变形为选定指标时，工况一为最优选择，工况二和工况三相差不大。此外，隧道衬砌的沉降规律与锚杆变形规律相似，对隧道截面进行判别时可将两者进行归并。

2.2.3 不同隧道截面下掌子面前方围岩应力分布

研究隧道截面对掌子面前方围岩应力分布的影响时，分2个方面进行分析：首先探究不同开挖深度下掌子面前方围岩的应力分布，以隧道开挖至隧道中间部位为研究对象，即分析模型完成了5个开挖进尺；其次研究不同断面尺寸下掌子面前方（每个工况第五分析步）围岩的应力分布。最后提取相应的计算结果进行对比分析，从而得到不同断面尺寸掌子面前方围岩应力分布规律。其分析结果如图3所示。

由图3可知，随着掌子面的向前推进，目标围岩的压力呈“先小幅减小，后发生突增”的规律，当掌子面接近目标截面时围岩压力急剧增加，此时工况一的围岩压力达到最大值，为474 kN。对围岩压力进行分析可知：3类隧道截面下进行隧道开挖得出的围岩压力变化规律相同。其中，隧道围岩压力在0.5倍洞径范围的变化最大。实际施工时由于二衬施加的滞后性，使得拱顶出现应力集中，得出的压力曲线也不像模型曲线这么光滑，会出现多个拐点。因此在实际工程中应加快二衬施作的速度，以减少应力集中现象的出现。

以隧道截面尺寸进行分析可知：隧道截面的变化对隧道围岩压力的影响不大，进行隧道截面选取时可将其视为备用参考指标。

图3 不同开挖深度下隧道掌子面前方围岩压力变化曲线

在探究了不同隧道截面的围岩压力最值分布规律后，接下来再分析目标围岩的压力分布规律。3类隧道截面的压力云图如图4～图6所示。

图4 工况一隧道围岩压力分布云图

图5 工况二隧道围岩压力分布云图

图6 工况三隧道围岩压力分布云图

通过分析隧道围岩压力可知：3个隧道截面的围岩压力分布规律基本相同，都是在拱顶、拱腰及拱趾处出现围岩压力最值，此处也最有可能发生瓦斯泄漏。

从3个围岩压力云图我们可以看出，中间部分围岩的压力作用方向垂直于掌子面且与掘进方向同向，周边围岩的压力作用方向虽也垂直于掌子面但与掘进方向相反。随着截面尺寸的增大，正压力与负压力的边界线越来越规则，且中间围岩压力的值也发生了较大变化。

从隧道围岩压力和隧道截面尺寸来看，隧道尺寸和围岩压力未呈线性关系。其中工况二的压力最值最小，为最优隧道截面。

3 结语

本文利用Midas软件的网格组钝化功能，模拟隧道开挖。对比了3种隧道截面尺寸下隧道衬砌沉降、锚杆变形及掌子面前方围岩压力的变化规律，通过模拟分析得出瓦斯区域隧道截面对施工的影响，对同类工程施工具有一定的借鉴意义。主要结果如下：

1）通过对3类不同隧道截面进行分析可知，当隧道截面由11.0 m×9.3 m变为12.0 m×10.3 m时，掌子面z向位移值增大近40%，从掌子面的z向位移来看，隧道截面工况一为最优选择。此外，锚杆变形规律与隧道衬砌的沉降规律相似，因此，对隧道截面进行选择时可将衬砌沉降和锚杆变形的影响进行归并。在实际施工时应尽量合理利用空间，避免隧道截面尺寸过大。

2）通过对比分析瓦斯隧道截面尺寸对掌子面前方围岩压力的影响，得出3种隧道截面下的围岩压力分布规律大致相同，且均在拱顶、拱腰及拱趾处出现围岩压力最值的规律。此处也最有可能发生瓦斯泄漏，因此在进行钻孔排放瓦斯时，此区域应作为重点进行防护。