任从坡 林建广

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

河北宽城县地形为山岭重丘区，当地铁矿数量众多，地表尾矿库星罗棋布，某正在运行国道由于安全原因需要改道，经过多个路由方案比选，考虑当地地形、地质条件较为复杂，最终确定的国道路由采用隧道方式从小峪沟尾矿库下方21 m深度处通过。该隧道的施工是否会对尾矿库造成安全隐患成为该路方案是否可行的关键条件，由此从隧道施工爆破振动影响、隧道围岩变形影响及尾矿坝稳定性方面展开深入研究分析。

1 概况

1.1 尾矿库概况

小峪沟尾矿库区域地貌为燕山山脉中段构造剥蚀低山区，地形较简单、植被较发育，库区走向西东向。沟谷及冲沟两侧有部分第四系坡积层覆盖，沟谷中心以第四系残坡积层和坡洪积层为主。整个库区可视为一个独立水文地质单元，水的来源主要为地表水和地下水，地表水主要为季节性大气降水和尾矿水。

尾矿库处于V型沟谷内，库底为白云岩，第四系覆盖层为角砾，沟口筑坝。库区地层岩性由初期坝、天然地层和尾矿堆积层组成。该区尾矿砂中根据室内筛分试验判定，大部分为尾中砂、尾细砂、尾矿土，局部夹尾细砂薄层。尾矿坝采用上游式筑坝，尾矿库总库容为1 432 万m3，等别为三等。该尾矿库排放堆积的尾矿已达到设计标高，已停止排放尾矿，见图1、2。

图1 尾矿库与隧道相对平面位置图

初期坝：为混合坝，天然地层表层为角砾。尾矿砂：由于尾矿沉积分选性不强，库区面积太大，不能完全均匀放矿，尾矿砂中普遍存在尾粉土夹层(3～10 cm)，且在同平面上不连续，呈透镜体状。垂直层序上存在上粗下细的规律，水平层上由堆积子坝向库区内由粗变细。

尾矿库基本数据见表1、2。

表1 尾矿库初期坝及堆积坝参数 m

表2 尾矿库现状参数 m

图2 隧道建筑界限图

1.2 隧道设计概况

国道路线隧道部分全长2.2 km，由于隧道位于山岭重丘区，考虑地形、地质条件较为复杂，隧道内设计行车速度60 km/h，采用分离式隧道，双洞单向行车。单隧道建筑限界宽度11.0 m，建筑限界高度5.5 m。右线隧道下穿点尾矿库顶面标高为495.00 m，原地面(尾矿库底面)标高为448.00 m；左线隧道下穿点尾矿库顶面标高为495.00 m，原地面(尾矿库底面)标高为460.00 m，隧道拱顶高程为401.0 m。

隧道洞身结构：初期支护为主要承载结构和二次衬砌承受部分荷载的复合式衬砌结构，以喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等作为初期支护；二次衬砌采用模筑混凝土或钢筋混凝土结构。

隧道施工：隧道Ⅱ级围岩采用全断面法施工；Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法施工；Ⅴ级围岩结合超前预加固措施采用台阶法加临时横撑。隧道开挖采用光面爆破，严格控制超欠挖，初期支护喷射混凝土应采用湿喷工艺。

2 地质条件

2.1 地质构造

隧道位于宽城凹断束(Ⅳ242)东北，地层为太古界跑马场组角闪斜长片麻岩，长城系常州沟组(Chc)石英砂岩，晚古生代华力西旋回角闪辉长岩。洞区长城系常州沟组(Chc)石英砂岩岩层为单斜产状：N20°～25°E/65°～76°ES。

2.2 抗震烈度

区域位于地震活动水平较弱的华北地震构造区的北部边缘，地震烈度6度区，地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期0.45 s，属设计地震第三组，该区域是一个地壳运动相对稳定地区。隧道设防烈度为7度。

2.3 工程地质

隧道下穿小峪沟尾矿库段围岩均为白云岩，层位稳定，灰白色，巨厚层状，致密坚硬。库内无大的褶皱构造和大的断层通过，未见崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象。地下水情况为少量基岩裂隙水。

3 隧道施工爆破对尾矿库安全影响分析

为了保证隧道爆破起爆后尾矿库的稳定性，广泛采用控制距爆源一定距离处质点振动速度不超过某一安全阈值[1]。隧道至尾矿初期坝最小距离210 m，至最终拦砂堰最小距离141 m。隧道下穿小峪沟尾矿库段围岩为白云岩，隧道采用台阶法施工，台阶分为上下台阶两部开挖支护，光面爆破钻爆施工，短掘短砌掘进方式，爆破施工最大段爆破药量为41.6 kg。对于不同类型的建构筑物选定不同的安全质点振动峰值速度。

在隧道爆破施工过程中，质点的振动速度和最大段爆破药量、爆源距离及地质条件有关的岩性系数和衰减指数有密切关系。目前广泛应用前苏联萨道夫斯基的经验公式进行计算分析[2，3]。

(1)

式中：V—最近被保护对象允许的质点振速，cm/s；R—爆破点距最近堆积坝的距离，取141 m；Q—最大单段药量，取41.6 kg；K、α—与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的岩性系数和衰减指数。

根据尾矿库地质条件，爆破点距离保护对象间的地层主要有白云岩、角砾和尾矿砂，为稳妥起见，岩性系数和衰减指数按最弱岩层选取，既按爆破地点为软岩石，爆破技术参数取值K=250，α=2.0。

计算出隧道开挖爆破时，距离爆破点最近的尾矿库拦砂堰、堆积坝和排水斜槽的质点振动速度分别为0.15、0.07、0.42 cm/s。隧道施工爆破属于地下浅孔爆破，被保护对象的安全允许振速按允许范围内最小值选取，即尾矿库拦砂堰和堆积坝的安全允许振速为1.1 cm/s，排水斜槽的安全允许振速为4.2 cm/s。计算的质点振动速度均小于《爆破安全规程》规定的最小安全允许振速。

4 隧道围岩变形影响模拟

4.1 模拟方案

针对隧道下穿小峪沟尾矿库部分，选取代表性断面，研究在最不利工况下，隧道和围岩整体变形情况和尾矿库坝体稳定性，分析隧道开挖至设计状态时，对上部尾矿库坝体的安全系数是否满足最小安全系数的要求，隧道开挖后围岩和隧道位移变化，判断该变化是否在设计可接受范围内。

4.2 计算方法

坝体稳定性计算选用加拿大Rocscience公司的SLIDE极限平衡法，以摩尔-库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，分析隧洞和尾矿库相对关系下最不利断面的稳定性，得出其安全系数。

隧道施工完成后的围岩应力变化选用岩土领域研发通用的有限元分析软件Midas4.2，建立地表和隧道的力学分析模型，通过岩石力学模拟，分析隧道在开挖过程中围岩位移变形及影响范围。

4.3 模型参数

计算模型选取断面最不利工况处，模型材料参数见表3。

表3 模型材料基本参数表

4.4 边界约束

位移边界条件：模型上表面为自由边界，前后和左右边界施加水平约束，边界水平初始位移为零，底部边界水平、垂直初始位移均为零。

4.5 判断标准

根据隧道围岩变形控制标准，确定岩土结构总沉降量不超过15 mm，包含隧道自身形成后的沉降以及外部边界条件发生变化引起的沉降。尾矿坝的稳定性是将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力平衡方程式，求其安全系数。

4.6 模型建立

隧道与尾矿坝采用SLIDE软件进行建立模型并计算，竖向地层根据实际地层厚度进行模拟。隧道与周边围岩断面图采用Midas4.2建立平面模型，其中初期支护部分为析取线单元，其余部分均为平面单元。

图3 尾矿库坝坡与隧道建模图

4.7 模拟及分析结果

4.7.1 SLIDE分析尾矿坝稳定性分析结果

SLIDE分析可知，隧道开挖至设计状态后，对尾矿坝的安全稳定性影响，正常情况和洪水工况下坝体边坡抗滑稳定安全系数为2.158，考虑地震及洪水最不利工况下坝体边坡抗滑稳定系数为1.838。尾矿库等别为三等，正常运行时尾矿库坝坡安全系数应不小于1.2，洪水运行下安全系数不小于1.10，特殊运行下安全系数不小于1.05，模拟所求安全系数均大于规范规定的坝坡抗滑稳定最小安全系数的要求。既隧道的开挖不会影响尾矿库的安全。

4.7.2 Midas4.2模拟隧道开挖过程中围岩沉降结果

图4 隧道开挖后围岩竖向沉降云图

图5 隧道开挖后位移云图

Midas GTS4.2软件进行建模并计算隧道开挖过程中，上部地层呈现整体下沉趋势(均匀沉降)，其主要沉降影响范围随着深度增加急剧减小，隧道上部围岩最大沉降值为13.2 mm，右隧道最大沉降值为3.54 mm，左隧道最大沉降值为2.38 mm，均远小于允许沉降值。

5 结语

在尾矿库下方施工隧道，隧道爆破施工时控制最大段起爆药量，计算的质点振速均小于被保护物的最小安全允许振速，爆破振动对尾矿库没有安全影响；通过SLIDE极限平衡法分析尾矿坝在隧道开挖形成后不同工况下的安全系数，均大于规范规定的坝坡抗滑稳定最小安全系数的要求，隧道的开挖不会影响尾矿库的安全；通过采用Midas GTS4.2计算，隧道在开挖过程中上部围岩的沉降的最大值均远小于允许的沉降值，不会对尾矿库及隧道造成安全影响。