高速公路穿煤隧道变形及稳定性研究
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摘要
本文结合高速公路穿煤隧道工程实例，采用现场施工技术对策探讨、围岩测试分析、数值模拟分析等研究方法，分别从不同角度研究高速公路穿煤隧道在开挖施工期和下卧煤层开采期的变形和稳定问题。主要的研究工作与特色为：
(1)根据高速公路穿煤隧道的特点，系统总结了隧道穿煤区段的施工程序和施工方法，对地质雷达探测技术在煤层瓦斯超前探测预报的应用作了研究，给出了隧道揭煤突出危险预测的方法，探讨了穿煤区段开挖爆破方法、瓦斯防治和通风技术、信息化支护设计理论。
(2)通过现场监控量测工作，及时监测围岩变形，检验支护结构的稳定。对监控量测得到的净空收敛、拱顶下沉等监测数据进行回归并作预测分析，分析出隧道过煤区段围岩变形的一般规律，确定了二次衬砌施作时机，提出穿煤区段围岩稳定性判据和标准。通过现场应力测试，对围岩及支护承载体系进行受力分析，评价了围岩的稳定性、爆破开挖方式的恰当性和支护承载体系的可靠性，为实际施工提供同步或超前的信息。
(3)结合穿煤隧道工程实例，分析煤层开采后采空区的处理方法，总结了开采引起的上覆岩层的变形基本规律，建立了隧道围岩受下卧煤层采动影响的应力～应变数学模型，用有限元数值计算方法分析了在不同禁采深度、不同开采方法和不同采空区处理方式的条件下隧道底部岩体的变形规律，进而确定了隧道围护宽度和隧道下卧煤层的禁采范围，提出了控制隧道变形的有效措施。
Based on the numerical analysis method and the construction technology, as well as the monitoring theory, with an example of tunnel project, the deformation and the stability of the expressway tunnel through the coal seam are studied in various point of views during the different phases. The study work and its feature may be summarized as follows:
1) The deformation and the change process of the rockmass of the tunnel is controlled by the construction programme and methods. Based on the tunnel engineering geology analysis, with the geologic radar explore technology, the sudden outbrust of coal and gas is forecasted. The construction programme and methods to dig through the coal seam are discussed. To design the explosive methods for excavation and the timbering structure are designed to command the deformation of the rockmass in the construction period in effect. The tunnel ventilation theory and the methods to prevent and cure the gas are introduced in the paper.
2) The deformation of the rockmass and the stabilization of the timbering structure is tested by the monitoring measure work. By powerful chart function and analysis forecast function of popular software, the common rule of the deformation of the tunnel through the coal seam is obtained, and the monitoring measure data was regressed. The range of regress constant, the time scope of three deformation phase, the ultimate stability equation of rockmass, and the executive opportunity of the second liner are obtained by regression analysis. The stability of the rockmass, the system of the timbering system, and the feasibility of the style of the digging and explosion in the tunnel are studied based on the locale stress test, which offer in-phase information or pre-information for the construction.
3) The deformation rule of the rockmass on the coal seam are summed up by analyzing the managing methods of the goaf of the coal. The math model of the rockmass under the tunnel, which study the law of the stress and deformation, is set up. Based on the study on different coal height, mining style and goaf managing measurements conditions, the deformation rules of the rockmass of the tunnel through the coal seam are obtained with the tunnel example. The
safeguarding width range and the mining height scope are presented, which protects the tunnel. The measures to control the deformation of tunnel are given at last.
(1)根据高速公路穿煤隧道的特点，系统总结了隧道穿煤区段的施工程序和施工方法，对地质雷达探测技术在煤层瓦斯超前探测预报的应用作了研究，给出了隧道揭煤突出危险预测的方法，探讨了穿煤区段开挖爆破方法、瓦斯防治和通风技术、信息化支护设计理论。
(2)通过现场监控量测工作，及时监测围岩变形，检验支护结构的稳定。对监控量测得到的净空收敛、拱顶下沉等监测数据进行回归并作预测分析，分析出隧道过煤区段围岩变形的一般规律，确定了二次衬砌施作时机，提出穿煤区段围岩稳定性判据和标准。通过现场应力测试，对围岩及支护承载体系进行受力分析，评价了围岩的稳定性、爆破开挖方式的恰当性和支护承载体系的可靠性，为实际施工提供同步或超前的信息。
(3)结合穿煤隧道工程实例，分析煤层开采后采空区的处理方法，总结了开采引起的上覆岩层的变形基本规律，建立了隧道围岩受下卧煤层采动影响的应力～应变数学模型，用有限元数值计算方法分析了在不同禁采深度、不同开采方法和不同采空区处理方式的条件下隧道底部岩体的变形规律，进而确定了隧道围护宽度和隧道下卧煤层的禁采范围，提出了控制隧道变形的有效措施。
Based on the numerical analysis method and the construction technology, as well as the monitoring theory, with an example of tunnel project, the deformation and the stability of the expressway tunnel through the coal seam are studied in various point of views during the different phases. The study work and its feature may be summarized as follows:
1) The deformation and the change process of the rockmass of the tunnel is controlled by the construction programme and methods. Based on the tunnel engineering geology analysis, with the geologic radar explore technology, the sudden outbrust of coal and gas is forecasted. The construction programme and methods to dig through the coal seam are discussed. To design the explosive methods for excavation and the timbering structure are designed to command the deformation of the rockmass in the construction period in effect. The tunnel ventilation theory and the methods to prevent and cure the gas are introduced in the paper.
2) The deformation of the rockmass and the stabilization of the timbering structure is tested by the monitoring measure work. By powerful chart function and analysis forecast function of popular software, the common rule of the deformation of the tunnel through the coal seam is obtained, and the monitoring measure data was regressed. The range of regress constant, the time scope of three deformation phase, the ultimate stability equation of rockmass, and the executive opportunity of the second liner are obtained by regression analysis. The stability of the rockmass, the system of the timbering system, and the feasibility of the style of the digging and explosion in the tunnel are studied based on the locale stress test, which offer in-phase information or pre-information for the construction.
3) The deformation rule of the rockmass on the coal seam are summed up by analyzing the managing methods of the goaf of the coal. The math model of the rockmass under the tunnel, which study the law of the stress and deformation, is set up. Based on the study on different coal height, mining style and goaf managing measurements conditions, the deformation rules of the rockmass of the tunnel through the coal seam are obtained with the tunnel example. The
safeguarding width range and the mining height scope are presented, which protects the tunnel. The measures to control the deformation of tunnel are given at last.
引文
[1] 于广明．地层沉陷的非线性原理、监测与控制．长春：吉林大学出版社，2000．1～26
[2] 夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术．上海：同济大学出版社，1999．8
[3] 王梦怒，等．大瑶山隧道—20世纪隧道修建新技术．广州：广东科学技术出版社，1995。
[4] 靳晓光，李晓红，等．高地应力地区公路隧道不同围岩类别的变形特征及应用实践．岩石力学与工程学报，2001．Vol．20，Supp．1．932～935 ．
[5] 胡春林，雷进生．岩土工程安全监测设计探讨．建筑教育理论与实践，武汉理工大学出版社，2001．392～394
[6] 罗超文，胡春林，赵勤．地下硐室监测技术及监测信息的综合分析．武汉工业大学学报，Vol．20，1998
[7] 郭惟嘉．矿层开采后的地面沉陷和应力分析．岩土工程学报，1996
[8] 赵全福．煤矿安全手册．北京：煤炭工业出版社，1994
[9] 中华人民共和国煤炭工业部．防治煤与瓦斯突出细则．北京：煤炭工业出版社，1995
[10] 中华人民共和国煤炭工业部．煤矿安全规程．北京：煤炭工业出版社，1986
[11] M. Vermax. Effect of Tunnel Depth on Modulus of Deformation of Mass. Rock Mech. Rock Engineering, 1997
[12] Tervo Nakal: 3D Model Tests and Numerical Analyses of Settlements and Earth Pressures due to Tunnel Excavation. Soils and Foundations. Japanese Geotechnical Society, Vol. 37, No. 3, 31～42, Sep. 1997.
[13] 于广明，谢和平，张玉卓等．节理对开采沉陷影响规律的研究．岩土工程学报，1998，20(6)：30～40
[14] 朱合华等．边界元法及其在岩土工程中的应用．同济大学出版社，1998
[15] B. Z. Amusin, V. M. Shick, R. D. Lama. Using Back analysis to Estimate geotechnical Fideld Parameters for the Design of support Systems or Tunnels. Tunneling and Undergroungg space Technology, Vol. 7, No. 3, 281～284[16] 刘清泉等．爆破工程手册．北京：煤炭工业出版社，335～360
[17] K. T. Kavanagh, R. W. Clough. Finite Element Application in the Characterization of Elastic Solids. Int J Solids Structures, 1971, 7(1)
[18] 聂宗权，姜德义．用相似模型及有限元分析研究缓斜距煤层采动影响．重庆大学学报，1995
[19] 陶连金，王泳嘉，等．大倾角煤层开采矿山压力显现及其控制．成都：四川科技出版社，1998
[20] 刘远华．石门震动放炮揭开突出危险煤层主要的确定．北京：煤炭安全，1981
[21] 刘立平，姜德义，雷进生，等．边坡稳定性分析方法的最新进展．重庆大学学报，2000
[22] 王存．钻孔钻屑量测定及其突出危险性关系．煤矿安全，1983
[23] 李世辉．隧道围岩稳定系统分析．中国铁道出版社，1991
[24] 陈卫军，朱忠隆．近距离交叠隧道研究现状及评析．现代隧道技术，2002，Vol．39，No．1
[25] 金丰年．考虑时间主效应的围岩特征曲线．岩石力学与工程学报，1997
[26] 于广明，孙洪泉，等．采矿引起地表点动态下沉的分形增长规律研究，岩石力学与工程学报，2001，Vol．20，No．1，34～37
[27] 中国水文地质工程地质勘查院西南岩土公司，广渝高速公路工程地质详细勘察报告，1996
[28] 唐修义．煤矿瓦斯动力现象的预测和预防．北京：煤炭工业出版社，1992
[29] 中华人民共和国煤炭工程部．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程．北京：煤炭工业出版社，1985
[30] Jan lesniak. Selected problems of the rock mechanics in the ligt of the modelled investigations. Archives of Mining Sciences, 1989, 34(1) :256～298
[31] 吕康成．隧道工程试验测试技术．人民交通出版社，2000
[32] 刘洪洲，李通林，等．管棚护顶作用下隧道围岩变形的现场监控．第三届全国公路隧道学术会议论文集
[33] 王金庄．厚煤层分层条带开采的地表移动规律．中国矿业大学学报，1992
[34] 张发明，于祥生，陈斌．采空区地表岩移特征及对南水北调工程的影响．西部探矿工程，2000，67(6)，30～31
[35] 刘翼山，深埋长隧洞方案的工程地质论证，岩石力学与工程学报，1998
[36] J. B. Pound A Comparison and Observed displacements Around a Large Undergground excavation. Tunnels and Tunneliling. 1987, 19 (7), 37～40
[37] 铁道部第二勘察设计院．广渝高速公路施工图设计文件．1997
[38] 四川省交通厅公路规划勘察设计院．广渝高速公路施工图设计文件，1997
[39] 于广明．矿山开采沉陷的非线性理论与实践．北京：煤炭工业出版社，1998，38～56
[40] 胡春林，雷进生．高速公路建设中的工程变更管理．建筑教育理论与实践．武汉理工大学出版社，2002，351～354
[41] 刘洪伟，罗占夫．瓦斯隧道中的射流通风技术．2000，64(3)，63～64
[42] Gustkiewicz. J. some advancements in soil strain measurement methods with special reference to mining subsidence, Mining Science and Technology, 1985, 8(2): 237～252
[43] 谭云亮，姜福兴，等．受采动影响巷道两帮破坏范围探测研究．煤矿科学技术，1999
[44] 漆旺生，李华炜，等．浅析瓦斯排放的安全措施，煤矿科学技术，1999
[45] 韩同春．地质构造的定量评定在瓦斯突出预测中的应用．煤矿科学技术，1999
[46] 高克德，王连成．地质雷达探测隧道掘进前方充水和瓦斯构造，公路，1994．9，44～46
[47] 中国矿业学院．采煤学．煤炭工业出版社，1985
[48] 徐志英．岩石力学．中国水利水电出版社，1993，233～235
[49] 郑永学．矿山岩体力学．冶金工业出版社，1995，225～228
[50] 铁道部基本建设总局．铁路隧道新奥法指南．北京：中国铁道出版社，1988
[51] Wang B L, Vinod K Garga. A numerical method for modelling large displacement of jointed rocks fundamentals. Can Geotech. J. , 1993, 30:96-108。
[52] 朱维申，何海潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学．科学出版社，1996
[53] 陶振宇．我国岩体工程稳定性监测及测试技术的发展．水利学报，1985
[54] 谷兆祺，彭守拙，李仲奎．地下洞室工程．清华大学出版社，1994，112～140
[55] B. Brady, E. Broun, George Allen&Umwin. Rock mechanics fo underground mining. London, 1985
[56] 徐水师，安立仁．预测方法与决策分析．西北大学出版社
[57] C. A. Brobbia, J. C. F Telles, L. C. Wrobel. Boundary element techniques. Theory and application in Engineering. Springer, Berlin, 1984
[58] Sir System-2. Training notes. Geophysical Survey System. Inc. July, 1994
[59] 颜荣贵．地基开采沉陷及其地表建筑．北京：冶金工业出版社，1995
[60] 吉书忠．中梁山隧道瓦斯防治与施工通风．公路，1994．9，37～41
[61] Yu Guangming, Xie HePing, ZhaoJianfeng. Fractal evolution of a crack network in overburden rock stratum. Discrete Dynamics in Nature and Society, 2000, 3 (2): 1～6
[62] 于广明，谢和平，周宏伟等，结构化岩体采动裂隙分布规律与分形性实验研究，实验力学，1998．13(3)，32～34
[63] 高均海．利用GPS定位技术进行开采沉陷单点的连续观测．见：中国测绘学会矿山测量委员会编，95全国矿测学术会议论文集．太原：太原理工大学出版社，1995，141～146
[64] 陈梅初．隧道初期支护结构的受力量测与分析．西部探矿工程，1999，Vol．11，No．3，50～52
[65] 孙洪泉，谢和平，于广明．分形插值曲面生成方法．阜新矿业学院学报，1997．16(6)，662～666。
[66] 雷升祥．浅谈瓦斯隧道施工通风设计．西部探矿工程，1999，Vol．11，No．4，82～86
[67] 于学馥，郑颖人．地下工程围岩稳定分析．北京：煤炭工业出版社，1983
[68] Knothe Stanislaw. Effects of underground mining on the rock mass model
testing with the loose medium. Archives of Mining Sciences 1994, 39(3):265～289
[69] 陈子荫．围岩力学分析中的解析方法．北京：煤炭工业出版社，1994
[70] 于广明，谢和平，孙洪泉，等．矿山开采沉陷的非线性机制和规律．中国科学基金，1999，13(1)：28～31
[71] 张其中．爆破安全法规标准选编．中国标准出版社，1993
[72] 刘保国，刘先贵．深部开采时支承压力变化规律的有限元模拟．第二届全国青年岩石力学与工程学术会论文集．北京：科学技术出版社，1993
[73] 岩石力学与工程学报编辑部．地下工程经验交流会论文选集．北京：地质出版社，1986
[74] 范广忱．软岩含水砂砾层下采煤实践．煤矿科学技术，1999
[75] 周晓军，高波，等．广州地铁广纺联区段设计方案的数值分析．西部探矿工程，2000，62(1)，66～68
[76] 吴洪涛．复杂条件下隧道施工方法及其力学分析．西部探矿工程，2000，66(5)，32～34
[77] 王彦武．太旧高速公路北茹隧道围岩变形监测．岩石力学与工程学报，1998，17(2)：148～152
[2] 夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术．上海：同济大学出版社，1999．8
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testing with the loose medium. Archives of Mining Sciences 1994, 39(3):265～289
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[77] 王彦武．太旧高速公路北茹隧道围岩变形监测．岩石力学与工程学报，1998，17(2)：148～152