露天矿边坡开挖对邻近铁路隧道的影响分析

王翠萍

（中国铁路太原局集团有限公司准朔铁路有限责任公司，太原 030013）

露天煤矿边坡的稳定关系到邻近既有铁路隧道及建筑物的安全。随着露天矿开采的不断接近，铁路隧道受到的影响越来越大，诸多学者对邻近工程对既有隧道影响进行了深入研究。王路［1］采用理论计算分析及数值模拟计算方法预测由于基坑围护结构变形而引起的隧道结构附加荷载和变形。刘兰利［2］应用京承铁路21号隧道衬砌病害检测结果建立数学模型，采用ANSYS 软件检算了隧道的安全性。赵东平等［3］通过对边坡开挖进行了静力学和动力学数值分析，研究了路堑边坡可开挖的最大范围及爆破振动对隧道的影响。庹力［4］利用有限元和有限差分方法，系统研究了深基坑开挖与邻近既有隧道相互影响规律。杨光等［5］运用ANSYS 有限元数值模拟方法，分析了路堑边坡开挖对既有隧道结构应力应变和爆破振动的影响规律。郑刚等［6］采用有限元方法对基坑施工对坑外既有隧道变形影响规律进行了参数分析，划分了不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下坑外既有隧道变形影响区。林杭等［7］采用FLAC 3D 有限差分方法，得到不同工况下基坑邻近隧道的变形情况。陈大川等［8］引入熵权法改进评价指标权重确定过程，提高了评价体系的可靠性。黄承忠［9］给出了保证超限高边坡支护安全的方法。

针对露天矿和邻近铁路隧道的工程地质特征，本文采用数值模拟方法分析露天矿边坡开挖对邻近既有铁路隧道的影响，并提出合理的监测和治理措施，以确保露天矿在合理范围内开采并保障隧道的安全运营。

1 工程概况

敖包梁铁路隧道邻近纳源煤矿露天矿区。该煤矿矿区面积29.079 km2，开采标高1 425～1 355 m。根据矿体赋存条件及矿山现状，采用露天开采。隧道进口里程为K159+452.534，出口里程为K173+575.534，全长14 123 m，最大埋深约138.629 m。铁路隧道与露天煤矿边坡的空间位置关系见图1。

图1 邻近既有铁路隧道与露天矿边坡的空间位置关系

敖包梁隧道穿越露天煤矿矿区的里程为K170+065—K171+796，长1 731 m。隧 道 在K170+065—K170+557 段埋深较浅，最小埋深约6 m，在K170+557—K171+796段埋深较大，最大埋深约90 m。

在K170+065—K171+796 里程范围内，隧道共穿越3层煤：5⁃1煤层、6⁃1下煤层和6⁃2中煤层。5⁃1层位于隧道上方，6⁃1 下煤层与隧道小角度相交，6⁃2 中煤层位于隧道下方。5⁃1 煤层平均厚度为1.17 m，6⁃1 下煤层平均厚度为2.24 m，6⁃2 中煤层平均厚度为3.57 m。

隧址区围岩以粉质泥岩和泥质砂岩为主。K170+065—K170+557段以Ⅳ级泥岩为主，由于埋深较浅，主要采用Ⅴ级围岩复合衬砌，部分采用Ⅴ级围岩加强复合衬砌；K170+557—K171+796 段以砂岩和泥岩为主，采用Ⅳ级围岩复合衬砌。

2 数值模拟分析

露天煤矿矿区地表限采边界线与既有铁路隧道中心线水平净距200 m，由于矿区地势起伏较大，从地表限采边界线沿远离既有铁路隧道方向以35°边坡角向下开挖边坡。高边坡的边坡面距离既有铁路隧道垂直净距较小，对边坡应力场和应变场的影响较大；矮边坡的边坡面距离既有铁路隧道垂直净距较大，对边坡应力场和应变场的影响较小。最大开挖深度在铁路限采边界14号控制点附近，最小开挖深度在铁路限采边界21号控制点附近。

开挖边坡时卸荷作用会导致地层应力场和应变场变化，威胁邻近既有铁路隧道的运营安全。本文的数值模拟分高边坡分阶段开采及回填、矮边坡分阶段开采及回填2 种工况，分析边坡和既有铁路隧道附近应力场和应变场的变化。

2.1 模型的建立

露天矿边坡和邻近既有铁路隧道均采用现场实际尺寸，构建弹塑性三维地层与结构共同作用模型。初始岩土参数、支护参数、力学参数、最终边坡角及地应力均参照现场勘察报告和露天矿初步设计报告选取。地层参数见表1。数值计算模型中地层由上至下依次为黄土层、5⁃1 煤层、粉质泥岩（既有铁路隧道穿越地层）、6⁃1下煤层、泥质砂岩。

表1 地层参数

高边坡分阶段开采及回填（工况1）模型尺寸为566 m（x轴）×136 m（z轴）×20 m（y轴），共划分181 326个单元，192 632 个节点。划分网格后的实体模型见图2（a）。施工顺序：①进行初始地应力平衡，使地层应力状态达到施工前的状态；②露天开采煤矿边坡分3个阶段开挖；③边坡分3个阶段回填。

矮边坡分阶段开采及回填（工况2）模型尺寸为485 m（x轴）×57 m（z轴）×50 m（y轴），共划分167 743个单元，139 850 个节点。划分网格后的实体模型见图2（b），施工顺序同工况1。

图2 数值计算模型

2.2 模拟结果与分析

2 种工况的区别在于边坡开挖起点的海拔不同，工况1是从最高海拔位置地表限采边界线沿远离既有铁路隧道方向以35°边坡角向下开挖至泥质砂岩层；工况2是从最低海拔位置地表限采边界线沿远离既有铁路隧道方向以35°边坡角向下开挖至泥质砂岩层。

2.2.1 应力分布

工况1 露天矿边坡形成后土体应力分布见图3。可知：在距隧道100 m 范围内，土体平均应力、最大剪应力、最大主应力、最小主应力的等值线分布较均匀，未出现明显变化。由于边坡开挖的卸荷作用，应力还是有所减小。与边坡开挖前相比，隧道衬砌附近土体平均应力、最大剪应力、最大主应力、最小主应力分别减小81.80，32.64，125.79，60.50 kPa。

图3 土体应力云图（工况1）

工况2 露天矿边坡形成后土体应力分布见图4。可知：距隧道100 m 以内土体平均应力、最大剪应力、最大主应力、最小主应力的等值线分布较均匀，未出现明显变化。由于边坡开挖的卸荷作用，应力还是有所减小。与边坡开挖前相比，隧道衬砌附近土体平均应力、最大剪应力、最大主应力、最小主应力分别减小3.75，1.42，5.96，3.13 kPa。

图4 土体应力云图（工况2）

隧道衬砌施工各阶段最大主应力变化曲线见图5。可知：2种工况隧道衬砌最大主应力在开挖阶段均呈增大趋势，回填后均明显减小。

图5 隧道衬砌各阶段最大主应力分布

2.2.2 位移分布

图6 位移云图（工况1）

工况1 露天矿边坡形成后土体位移分布见图6。可知：①既有隧道周围土体的总位移等值线和边坡周围土体的总位移等值线有相互靠近的趋势。与边坡开挖前相比，既有隧道衬砌总位移最大值为3.61 mm，x轴和z轴方向分别有3.60 mm 和0.15 mm 的较小位移。②既有隧道周围土体的x轴位移分量等值线和边坡周围土体的x轴位移分量等值线已贯通。③隧道周围土体的z轴位移分量等值线仍呈规律性分布，位移增量极小。

工况2 露天矿边坡形成后土体位移分布见图7。可知：①既有铁路隧道周围土体总位移等值线和露天矿边坡周围土体总位移等值线有相互靠近的趋势。与边坡开挖前相比，隧道衬砌总位移最大值为24.60 μm，x轴 和z轴方向分别有12.60 μm 和8.20 μm 的较小位移。②隧道周围土体的x轴位移分量等值线和边坡周围土体的x轴位移分量等值线已贯通。③隧道周围土体的z轴位移分量等值线仍呈规律性分布，位移增量极小。

图7 位移云图（工况2）

隧道衬砌各阶段总位移变化曲线见图8。可知：2 种工况隧道衬砌总位移在开挖阶段均呈增大趋势，及时回填至原地貌后工况1（高边坡）、工况2（矮边坡）总位移分别下降至2.87 mm，4.16 μm。

图8 隧道衬砌各阶段总位移变化曲线

3 结论与建议

1）高边坡开挖所引起的隧道总位移最大值为3.61 mm，及时回填至原地貌后总位移下降至2.87 mm，高边坡在开挖后及时回填对既有铁路隧道衬砌结构影响较大。因此，建议高边坡的地表限采边界线与既有铁路隧道应保持一定的安全距离，开挖后应及时回填。

2）矮边坡开挖所引起的隧道总位移最大值为24.60 μm，及时回填至原地貌后总位移下降至4.16 μm，矮边坡在开挖后及时回填对既有铁路隧道衬砌结构影响较小。因此，可按现有地表限采边界线进行开采。

3）铁运〔2011〕131 号《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）》中隧道衬砌位移的等级评定方法是按照衬砌位移的发展速度来划分的。为了确保既有线路的运输安全，在露天矿边坡开挖过程中应对隧道衬砌位移实时监测。一旦隧道衬砌的位移速度超过了3 mm∕年时发出提示，超过5 mm∕年时发出警告，以确保隧道衬砌位移速度控制在安全阈值以内。

4）开采设计和施工时应充分了解危岩体的地质情况和周边环境，制定切实可行的开采方案和有效的防护措施，防止边坡出现大规模滑塌。

5）在露天矿所对应的既有铁路隧道区段衬砌表面布置应力和应变监测系统。根据监测结果制定相应措施，必要时采取煤矿限采和衬砌锚固措施。