周艺
（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）
随着我国经济的快速发展，越来越多的隧道工程兴建，在施工过程中会遇到各种地质灾害，其中不少隧道下穿采空区。因此，开展隧道下穿采空区围岩稳定性及安全距离研究，具有一定的意义。
国内煤炭开采主要的方法有房柱式采煤法与壁式采煤法[1]，这两种方法对后方采空区顶板的管理办法都是全部垮落法[2]。
全部垮落法，就是在煤炭开采完之后，主动撤销采煤工作面空间以外的支柱（或支架），使煤层顶板自然垮落，顶板垮落后的破碎岩块体积膨胀，充填采空区，形成采空区的典型结构状态，即垮落带、裂隙带、弯曲带。曹利以巴准铁路敖包沟隧道为依托，对隧道下穿房柱式采空区施工过程中采空区的变形规律进行了研究；
方勇等开展公路隧道下穿双层煤层采空区的室内开挖模拟试验，通过埋设地中位移计、土压力盒和电阻应变片，测量了隧道开挖过程中采空区地层移动和初期支护内力特征；
叶懿尉等以延崇高速玉渡山隧道穿越营门铁矿采空区段为研究对象，通过数值模拟软件，量化研究了采空区对隧道的影响；
李天富等结合华岩隧道施工实例，采用三维有限元计算模型穿越煤层采空区施工过程中，对施工力学机理及超前大管棚支护作用下围岩的稳定性进行研究；
苏仝柱以毕节高速公路张基屯隧道为工程背景，研究隧道施工过程中有无采空区的影响规律。
太焦高速铁路皇后岭隧道位于山西省长治市长治县境内。隧道进口里程为DK241+765，出口里程为DK246+305，隧道全长4540m，设计车速250km/h，为太焦高速铁路全线控制性工程之一。隧道出口DK245+845—DK246+305 段为浅埋段，设计围岩级别为Ⅴ级，埋深约25～43m，洞身穿越地层为新黄土、石灰岩、泥岩、砂岩。出口段隧道顶部12～15m 为15 号煤层采空区。
以皇后岭隧道下穿采空区DK245+840—DK245+910 段为模拟对象，建立数值模拟计算模型，研究隧道开挖对采空区及周边围岩稳定性的影响，同时采用数值模拟研究隧道下穿采空区的安全距离，找到隧道下穿采空区的最小安全距离。数值模拟段长70m，超前支护采用中管棚+超前小导管，注浆措施采用超前帷幕注浆，施工工法采用三台阶临时仰拱法。
2.1 模型建立
在皇后岭隧道DK245+840—DK245+910 段落范围内，煤炭采空区呈单侧分布，根据平面位置分布及与隧道的空间位置关系，在模型中用条带空洞对其进行模拟。条带空洞宽9m，高2.3m，分布4 条，中间以6m宽岩柱进行隔离。下穿采空区模型尺寸及地质概况如图1 所示。
图1 下穿采空区模型尺寸及地质概况示意图
2.2 结果分析
2.2.1 沉降分析
施工完成之后，下穿采空区隧道总沉降云图如图2 所示。其中，拱顶最大沉降为5.7mm，仰拱在隧道开挖卸载后隆起最大，最大隆起为5.9mm。
图2 下穿采空区隧道总沉降云图
2.2.2 收敛变形分析
施工步骤完成之后，隧道总的收敛变形很小，最大值仅为1.0mm，出现在两侧拱脚位置，洞室周边收敛变形对称，如图3 所示。
图3 下穿采空区隧道收敛变形云图
皇后岭隧道DK245+840—DK245+910 段落下穿采空区间时，采空区的位移场与应力场发生了明显的变化，极有可能发生失稳坍塌，导致隧道周边应力场二次改变，对隧道后期运营中的衬砌结构造成不利影响。考虑不同间距下隧道下穿采空区时两者相互影响，主要有两方面的评价指标：一是隧道施工是否对采空区空洞造成变形集中现象；
二是隧道施工后，采空区、塑性区是否增大和二次扰动规模是否增大。该次模拟工况共有四种工况，分别为隧道顶部距离采空区14m（1倍洞径）、21m（1.5倍洞径）、28m（2 倍 洞径）、35m（2.5 倍洞径）。其中，工况1（1 倍洞径）为皇后岭隧道下穿采空区的实际工况。隧道不同间距下穿采空区模型尺寸如图4 所示。
图4 隧道不同间距下穿采空区模型尺寸示意图
3.1 施工结束后总位移分析
施工结束后，各工况总沉降云图如图5 所示。首先从隧道内竖向位移进行观察，隧道竖向最大沉降5.67mm，出现在工况2 中，最小沉降5.61mm，出现在工况4 中，最大与最小沉降相差不到5%；
最大隆起值7.22mm，出现在工况4，最小隆起值为7.02mm，出现在工况1，最大与最小隆起均未超过5%。表明隧道下穿采空区时，上部采空区对隧道内部变形影响非常小，几乎可以忽略不计。
图5 施工结束后各工况总沉降云图
3.2 采空区塑性区分析
塑性区的存在是实际工程中松弛区域坍落破坏区的前提，通过塑性区变化可以评价围岩稳定性的情况与安全程度。在MIDAS 有限元中，塑性区出现后表示为红色，当塑性区受到二次扰动、应力重分布后表示为蓝色，施工完成后的塑性区分布如图6 所示。可以看到，随着采空区的逐步上移，塑性区的面积、二次扰动区域均明显减少，且二次扰动塑性区均出现在1 号与2 号采空区条带上。隧道周边塑性区均未受到上方采空区的影响。模型简化之后，塑性区到隧道的距离增大且无纵向坡度，因此总的塑性区面积有所减少。
图6 施工结束后各工况塑性区分布图
对采空区的周边塑性区总面积及二次扰动面积进行统计，得到结果见表1。可以得到，从工况2 开始，塑性区二次扰动面积及洞顶部面积均有明显减少。采空区塑形分布与埋深有关，其直接面积不受隧道施工的影响，但是从其在采空区顶部的分布面积可以间接评价其失稳破坏后对隧道的影响。结合洞顶上部塑性区面积、隧道与采空区的距离判断，在达到2倍洞径之后，采空区与隧道之间的相互影响即可忽略。
表1 不同工况下采空区塑性区面积统计
其一，皇后岭隧道下穿采空区段在设计支护条件下，围岩最大拱顶沉降5.7mm，最大隆起5.9mm，收敛变形极小，最大不超过1mm，掌子面挤出变形在中下台阶较大，最大值1.5mm，洞室周围边围岩塑性区分布范围较小，施工阶段在开挖面有小范围分布。整体而言设计，在支护体系下，围岩变形较小。
其二，采空区在施工过程中、施工结束后的位移变化表明，隧道施工主要影响区域在于正方采空区条带及与其相邻的采空区条带，隧道正方采空区位移表现为顶部与底部的差异性沉降，但整体均匀，容易发生整体坍塌破坏，而相邻采空区可能是自拱顶位移集中处开始失稳破坏。
其三，通过建立数值计算模型，对隧道下穿采空区的稳定性和安全距离进行了研究。结果表明，下穿采空区段采用“超前帷幕注浆+超前中管棚+加强型复合式衬砌”的支护措施，满足施工和运营期间的安全要求。
其四，综合分析认为，当隧道从采空区下方2 倍以上洞径穿越时，隧道与采空区不会相互影响，隧道施工与采空区都能保持稳定安全的状态。
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