贛南地區(qū)某鐵路隧道穿越復雜采空區(qū)地層綜合整治技術

江勝林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 工程背景

1.1 隧道出口段采空區(qū)分布狀況及工程地質(zhì)概況

該隧道出口段同時位于區(qū)域復雜地質(zhì)構造帶，導致地層極復雜。地層上部局部為采空區(qū)，分布有C1z粉砂巖、炭質(zhì)頁巖夾煤層，巖質(zhì)較軟，DK86+870～+998段為Q1dl+pl含礫粉質(zhì)黏土，褐黃色、灰黃色，硬塑，具有弱膨脹性，厚20～37m，下伏C2h灰?guī)r，巖溶發(fā)育。局部地段存在煤層，并可能存在瓦斯富集，圍巖級別為Ⅴ級，洞頂、洞身不穩(wěn)定，洞口穩(wěn)定性差，綜合工程地質(zhì)條件差，設計和施工時應采取針對性措施，預防發(fā)生坍塌、冒頂及突水、突泥等事故。

1.2 施工情況

隧道自2011年2月從出口施工，首先進行明挖段(DK86+998～+960段)上臺階開挖及臨時邊仰坡開挖及防護，并施作管棚。2011年3月，因受連日降雨影響，飽和富水碎石土層穩(wěn)定性急劇降低，導致出口已施作噴混凝土防護的邊仰坡出現(xiàn)大范圍垮塌，坡面防護及洞口長管棚毀損嚴重。在此情況下，參建各方研究后決定暫緩隧道進洞施工，對DK86+790～DK86+860段碎石土層及煤系地層采空區(qū)實施地表注漿加固處理，同時施作洞口錨固樁、護拱并補充施作洞口長管棚。

洞口地表注漿自2011年4月9日開始施工，共完成注漿鉆孔231個，鉆孔總深度7921.5米，其中已注漿孔128個，注滿漿液的孔數(shù)72個，未注滿漿液的孔數(shù)56個;注漿總體積1458.6立方米，水泥總用量1093.95噸，注漿數(shù)量偏大，難以實現(xiàn)設計要求的注漿效果。隨后對可能有采空區(qū)的地段內(nèi)進行探灌結合地表鉆孔(Φ200mm)孔吹砂、注漿，但未找到明顯的采空區(qū)，吹砂量很少。因地表注漿效果不理想，洞口段施工基本陷入停頓狀態(tài)，隧道工期壓力增大。

2 隧道出口段主要難點問題及原因分析

2.1 出口段施工中出現(xiàn)的主要難點問題

(1)隧道洞口施工趕上雨季，位于富水碎石土層上的邊仰坡穩(wěn)定性差，若不采取有效措施，臨時邊仰坡會進一步垮塌并極可能導致洞口山體失穩(wěn)，將嚴重阻礙洞口段掘進施工。

(2)隧道出口采空區(qū)分布比設計推斷的情況更為復雜，碎石土層注漿效果不理想，主要表現(xiàn)為:注漿壓力難以達到設計要求;注漿量難以控制，部分鉆孔注漿量偏大且存在注不滿的情況;漿液流失快，注漿加固土體效果難以得到保證。

(3)出口段受制于注漿施工，其它工序難以有效開展，施工組織困難，未能形成有效的施工能力，工期滯后嚴重。

2.2 主要原因分析

(1)出口段地質(zhì)條件復雜。根據(jù)隧道勘察地質(zhì)資料及前期開挖揭示的情況，本隧道出口段(DK86+998～+750段)自出口向小里程方向可分為三個地質(zhì)單元:

第一單元(DK86+998～+900段):洞身通過碎石土層，透水性強，雨季飽和富水，隧道底部下伏有灰?guī)r，發(fā)育有串珠狀巖溶;

第二單元(DK86+900～+800段):洞身地層為粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖，并含有煤層，為采煤通道，分布有不規(guī)則的采空區(qū);

第三單元(DK86+800～+750段):F4斷層及其影響帶，該斷層橫向正穿隧道洞身，地下水極其豐富。

實施地表注漿的地段為碎石土層，注漿主要問題是在部分鉆孔注漿壓力不大的情況下注漿量較大，漿液流失現(xiàn)象明顯。結合該段特殊的地形地質(zhì)條件，其主要原因為:①碎石土層滲透性高，連日降雨使土體富水飽和，加劇了漿液流動擴散;②注漿區(qū)域直接與前方煤系地層采空區(qū)相連，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)采空區(qū)煤洞均有不同程度積水，洞內(nèi)補水條件好，水流不斷。受此影響，漿液更有可能擴散流失。

3 隧道出口段綜合整治技術方案

鑒于出口段復雜的地質(zhì)條件，根據(jù)施工揭示的情況，有必要進一步對有關設計施工技術措施進一步調(diào)整，確保施工安全順利，并形成有效的施工能力。

3.1 分地質(zhì)單元采取針對性術措施

第一單元(DK86+998～+900段):洞身通過碎石土層，透水性強，雨季飽和富水，隧道底部下伏有灰?guī)r，發(fā)育有串珠狀巖溶;該段采用地表注漿、基底巖溶注漿措施，暗洞地段采用錨固樁+護拱+長管棚聯(lián)合支護體系加固措施，明挖段采用噴錨網(wǎng)加固臨時邊坡。

第二單元(DK86+900～+800段):洞身地層為粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖，并含有煤層，為采煤通道，分布有不規(guī)則的采空區(qū);該段施工前對采空區(qū)進行抽水回填，酌情采用注漿、吹沙、回填氣泡輕質(zhì)土等回填措施，地表采用注漿加固隧道開挖土體及其上方一定范圍內(nèi)的松散土體，系統(tǒng)錨桿采用注漿小導管，并加大預留變形量。洞內(nèi)采用洞身長管棚預支護。

第三單元(DK86+800～+750段):F4斷層及其影響帶，該斷層橫向正穿隧道洞身，地下水極其豐富。該段施工采用洞身長管棚預支護，洞內(nèi)采用5m超前預注漿，系統(tǒng)錨桿采用注漿小導管，并加大預留變形量。

3.2 對采空區(qū)煤洞進行抽水回填

施工中應仔細研究采空區(qū)資料，加強現(xiàn)場核對，同時采用進一步的勘探措施準確掌握采空區(qū)煤洞的數(shù)量、分布狀況，現(xiàn)場放樣標示，酌情采取處理措施，主要有:

(1)現(xiàn)場核查采空區(qū)煤洞位置，做好編號標示。對距離隧道中線100米范圍內(nèi)的煤洞洞口，洞口施作一圈搞50cm的漿砌片石擋水圍壩，厚30cm。煤洞洞口布設抽水設施，力爭抽干洞內(nèi)積水，雨季加強抽水，做好抽水記錄。

(2)除保留部分洞底標高較低的煤洞用作抽排水外，大部分煤洞應予以回填。距離隧道中線100m以外的煤洞，洞口采用土石回填密實;距離隧道中線50m以內(nèi)的煤洞，一般采用回填氣泡輕質(zhì)土(位于洞頂上方，且體積較大)、注漿回填(采空區(qū)體積小)或開挖后采用漿砌片石回填(采空區(qū)位于隧道下方)。采用氣泡輕質(zhì)土回填時，預先鉆設φ200mm吹漿孔和φ100mm排氣孔(各兩根，與采空區(qū)相連)。根據(jù)調(diào)查的情況做好采空區(qū)處理施工方案，以有效指導下步施工。

3.3 地表注漿措施調(diào)整

做好采空區(qū)煤洞抽水回填后方可繼續(xù)進行地表注漿。施工中應做好注漿試驗，根據(jù)試驗結果調(diào)整注漿參數(shù)。注漿施工前，施工單位應提交完備的注漿方案，經(jīng)各方確認后方可進行施工，嚴格控制注漿工程數(shù)量。對有關預設計的注漿措施調(diào)整如下:

(1)注漿孔間距為2m*2m，豎向注漿范圍為拱頂10m～下部采空區(qū)范圍內(nèi)采用袖閥管分段注漿，橫向?qū)挾葹樗淼懒繙y9～10m。

(2)注漿壓力控制在0.5～0.8Mpa，注漿材料采用1:1水泥砂漿，當注漿壓力較低而注漿量較大時(單孔注漿量達到8～12m3，根據(jù)注漿長度選用)，可考慮采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿量異常時，應及時反饋并采取有效調(diào)整措施。

(3)注漿鉆孔時做好鉆孔記錄，并根據(jù)鉆孔突進等異?，F(xiàn)象進一步判識采空區(qū)情況。

3.4 重新施作臨時邊坡防護，施作錨固樁+護拱+長管棚支護

對前期毀損的坡面防護進行必要的修整，并施做噴錨網(wǎng)防護。坡面采用L=3.5m、φ42鋼花管，間距2m*2m，交替注漿(不注漿鋼花管作為泄水孔)。

DK86+960和DK86+950處左右兩側各設置2.5m*2.5m錨固樁，錨固樁長約25m～30m，錨固樁之間采用鋼筋混凝土縱梁和橫梁連接(縱橫梁高1m)，其中DK86+960處兩側錨固樁通過厚1.5m護拱連接，護拱同時作為重新施作的φ159長管棚導向墻。錨固樁施作前其開挖輪廓線外1.5m處布置兩環(huán)注漿孔，孔間距1.5m*1.5m。錨固樁采用厚0.5m鋼筋混凝土護壁防護。

DK86+960處重新施作L=60m、φ159長管棚，環(huán)向間距為0.4m，長管棚應與護拱有效連接形成整體支護效果。

3.5 有序進行DK86+998～+960段明洞拉槽開挖，施作明洞襯砌

清理已開挖的明洞基坑內(nèi)土石，疏排積水，完善溝槽等臨時排水設施，然后自出口里程處依次有序拉槽開挖明洞下臺階，施作臨時邊坡防護，同時根據(jù)“探灌結合”的原則對明洞基底以下20m范圍內(nèi)的巖溶進行注漿加固。明暗分界處的明洞下臺階開挖必須在錨固樁、護拱施作完畢后方可進行，隨后施作該處明洞襯砌并回填土石。

3.6 施工技術要點

(1)施工中應加強地表及邊仰坡穩(wěn)定的監(jiān)控量測，如有異常，應及時提出以調(diào)整施工方案。

(2)地表注漿前應做好采空區(qū)及碎石土層降水工作，地表鉆孔和注漿應做好記錄，并根據(jù)施工情況及時調(diào)整注漿參數(shù)。

(3)采空區(qū)回填、地表注漿、施作錨固樁及洞口長管棚、明洞開挖及襯砌應有序進行，部分工作可錯開場地同步進行，在確保施工安全的前提形成有效施工能力，合理加快洞口施工進度，緩解本隧道工期壓力。

4 結語

(1)位于復雜地質(zhì)構造中的煤系地層采空區(qū)會對隧道施工掘進和隧道結構造成嚴重不利影響，選線中應盡可能繞避煤層采空區(qū);當隧道難以避開煤系地層采空區(qū)時，應采取有針對性的綜合整治措施，確保施工安全和隧道結構穩(wěn)定。

(2)設計和施工中應盡可能探明采空區(qū)大小、位置、充填情況等采空區(qū)形態(tài)，并結合區(qū)域地質(zhì)資料，采取安全可靠的綜合整治方案。主要的技術措施有:地表注漿、吹砂回填、洞內(nèi)超前注漿、超前降水等措施。

(3)復雜條件下隧道洞口施工中應特別注意邊仰坡穩(wěn)定，以防引起牽引式滑塌。小密隧道施工中采取了洞口錨固樁、護拱、橫梁及縱梁綜合支護結構，并與隨后施作的大管棚牢固連接，形成整體受力體系，確保了隧道施工開挖期間洞口山體穩(wěn)定。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.贛龍鐵路擴能改造工程設計小密隧道施工圖［Z］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2011.

［2］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010:110-128.

［3］關寶樹.中軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2011:56-68.