煤田采空區(qū)水工隧洞加固處理技術(shù)

□路玉萍 □路 明 □杜克勤（三門峽市槐扒黃河供水工程有限責(zé)任公司）

1.工程基本情況

某大型提水工程設(shè)計(jì)提水流量7m3/s，提水總揚(yáng)程359m，隧洞軸線從某煤田穿過(guò)，隧洞圍巖主要為ⅠⅠⅠ～ⅠV類。輸水隧洞進(jìn)出口樁號(hào)分別為3+564.03、11+032.41，全長(zhǎng)7468.34 m，坡降1/1000，隧洞為城門洞型，C20素混凝土襯砌，凈寬2.8 m，凈高2.9m，其中直墻段高2.0m，隧洞上部覆蓋層厚度100m。

2008年夏，因某大型企業(yè)在隧洞底板下300m處回采隧洞預(yù)留保護(hù)煤柱，采煤厚度2～3m，寬度100m，形成采空區(qū)，造成整個(gè)山體沉陷變形。從而導(dǎo)致隧洞洞身沉降變形，長(zhǎng)度達(dá)882m(9+344～10+226)，最大沉降量達(dá)130cm。設(shè)計(jì)坡度為1/1000的隧洞混凝土底板，現(xiàn)已變得松散、破碎、凹陷不平。為此，管理單位在2008年下半年對(duì)隧洞進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)（鋼拱架），但因不負(fù)嚴(yán)重的山體變形壓力，洞身混凝土已嚴(yán)重破裂，局部已經(jīng)掉塊，隧洞隨時(shí)都有坍塌的可能。一旦隧洞坍塌，將導(dǎo)致供水中斷，危及當(dāng)?shù)鼐用裆詈凸I(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水。

2.處理方案的比選

隧洞在2008年秋冬即基礎(chǔ)采空的第一年變形較快，最大沉降量達(dá)800mm,2009年最大沉降量達(dá)300mm,2010年最大沉降量達(dá)200 mm，2011年最大沉降量達(dá)100 mm，2012年最大沉降量達(dá)20mm，經(jīng)過(guò)近5年的連續(xù)沉降，變形發(fā)展趨于相對(duì)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。

結(jié)合隧洞沉降變化規(guī)律，輸水隧洞初擬3種處理方案，分別是原隧洞加固、隧洞重建、原隧洞加固與原線重建相結(jié)合。

2.1 原隧洞加固

在現(xiàn)狀9+566.75～10+414隧洞內(nèi)架立間距為1.5 m格柵，防止襯砌混凝土及圍巖的塌落。對(duì)局部開(kāi)裂嚴(yán)重的襯砌粘貼碳纖維布，抗裂防滲。對(duì)局部剝落、塌落的襯砌混凝土，提高整體強(qiáng)度。對(duì)該區(qū)間圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，形成承載圈。頂拱和側(cè)壁布設(shè)系統(tǒng)錨桿，提高圍巖的穩(wěn)定性。

由于該區(qū)間隧洞襯砌破損嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響到襯砌整體結(jié)構(gòu)性能，局部修補(bǔ)不能保證襯砌的長(zhǎng)期穩(wěn)定。同時(shí)樁號(hào)9+826.6～10+206.4隧洞出現(xiàn)較大的沉降，采用加固措施不能恢復(fù)隧洞原設(shè)計(jì)過(guò)流能力。經(jīng)計(jì)算，如僅采用以上加固措施，加固后隧洞的過(guò)流能力為1.71m3/s。

2.2 隧洞重建

重建可采用改線和原線兩種重建方案，改線重建是廢棄部分現(xiàn)有隧洞，開(kāi)挖新的隧洞繞開(kāi)采空區(qū)。由于隧洞周邊均為煤礦采空區(qū)，無(wú)處可繞，暫不考慮。

原線重建是將該洞段按先管棚支護(hù)，然后拆除原混凝土襯砌并擴(kuò)挖，再通過(guò)錨噴和架立格柵形成支護(hù)，最后澆筑鋼筋混凝土襯砌及對(duì)周圍圍巖灌漿加固，使該段恢復(fù)原有設(shè)計(jì)輸水能力。

經(jīng)比選，采用原線重建方案，既可保證原設(shè)計(jì)輸水能力，又能有效提高圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保輸水隧洞長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

3.原線重建方案

參考類似工程處理經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采取兩方面措施，一是隧洞采空區(qū)地基灌漿處理，解決隧洞基礎(chǔ)整體沉降問(wèn)題；二是對(duì)沉降破壞的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，重新襯砌，過(guò)水?dāng)嗝姹３衷O(shè)計(jì)不變，以維持工程設(shè)計(jì)規(guī)模。

3.1 采空區(qū)地基處理。

采空區(qū)地基處理方案有井下和地面兩種充填措施。

3.1.1 井下充填措施

主要有水砂充填、風(fēng)力充填、矸石自溜充填和帶狀充填。水砂充填是井下利用充填設(shè)備將水砂充填至采空區(qū)，河砂、山砂、卵石、碎石、井下矸石、粉煤灰等均可用作充填料。風(fēng)力充填是指將地面充填材料通過(guò)垂直管道溜入井下儲(chǔ)料倉(cāng)，然后由運(yùn)輸機(jī)輸送到風(fēng)力充填機(jī)，風(fēng)力充填機(jī)利用風(fēng)壓通過(guò)充填管道將充填材料送入采空區(qū)充填，風(fēng)力充填效果不如設(shè)施充填，但對(duì)材料、設(shè)備要求較低。矸石自溜充填是指矸石在自重的作用下，沿煤層底板自溜充填采空區(qū)，這種方法減小地表變形效果不大。帶狀充填是指沿工作面方向每隔一定距離壘一個(gè)矸石帶來(lái)支撐頂板，構(gòu)造面向前推進(jìn)，矸石帶也隨之延長(zhǎng)，此種方法應(yīng)保證矸石帶有足夠的強(qiáng)度支撐上部覆巖。

3.1.2 地面充填方法

從地面對(duì)已沉陷的采空區(qū)冒落帶及斷裂帶進(jìn)行大口徑灌漿并輔以骨料充填的處理方法。

結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用注漿法對(duì)黃李隧洞采空區(qū)地基進(jìn)行加固處理。

注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設(shè)，根據(jù)同類工程的施工參數(shù)，設(shè)計(jì)排距20m，孔距15m，注漿順序?yàn)槭紫葘?duì)邊界實(shí)施隔斷性帷幕注漿，以減少和阻止注入漿液的流失和浪費(fèi)，然后對(duì)中間孔進(jìn)行深層注漿施工。

根據(jù)采空區(qū)冒落帶、斷裂帶和彎曲帶的特性，從隧洞洞壁外20m按巖層移動(dòng)角向下擴(kuò)散至采空區(qū)底部，以此確定洞底采空區(qū)灌漿范圍。土層移動(dòng)角采用45°、巖層移動(dòng)角采用75°。經(jīng)布置，采空區(qū)處理范圍為：處理長(zhǎng)度1000m，處理寬度253.4m。鉆孔從地面開(kāi)始鉆，鉆至采空區(qū)冒落帶煤層底板下1.5m以內(nèi)終孔。

注漿材料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，按水：固=1：1，其中水泥：粉煤灰 =0.15：0.85，另為改善漿液流動(dòng)性，提高注漿加固效果，在漿液中可根據(jù)實(shí)際情況加入平流劑等外加劑。

3.2 隧洞結(jié)構(gòu)處理

隧洞結(jié)構(gòu)擬拆除重襯，按先管棚支護(hù)，拆除原襯砌混凝土，再噴錨支護(hù)，最后襯砌鋼筋混凝土的順序施工。本次隧洞處理長(zhǎng)度1000m。

3.2.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

原混凝土襯砌拆除前，在隧洞拱部及兩側(cè)墻采用φ75 mm@500 mm大管棚超前支護(hù)，管長(zhǎng)10 m，每9 m一環(huán)，環(huán)間搭接0.5m。拆除原襯砌混凝土,局部下沉塌陷部位按設(shè)計(jì)斷面擴(kuò)挖。頂拱和側(cè)壁采用φ25系統(tǒng)錨桿支護(hù)，單根錨桿長(zhǎng)3.0m，間距1.5m，梅花形布置，φ8@120mm×120mm鋼筋網(wǎng)全斷面封閉。架鋼支撐，每榀鋼支撐采用4根φ25鋼筋，中間采用φ12 mm箍筋焊接，寬150 mm。鋼支撐間距l(xiāng).0 m，每榀鋼支撐間設(shè)φ28 mm聯(lián)系筋，噴C25混凝土厚150 mm。全斷面掛第二層φ8@120mm×120mm鋼筋網(wǎng)，再噴C25混凝土厚50mm。

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

R2=2R1標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形斷面設(shè)計(jì)，凈高與凈寬2.9m，為便于施工，側(cè)墻外緣采用垂直直線形。隧洞襯砌采用C25鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)W4，厚度400mm。鋼筋采用HRB335級(jí)，雙層鋼筋，保護(hù)層厚度50mm，襯砌混凝土水灰比不宜＞0.5。

對(duì)10+002～10+186采空中心區(qū)、沉降量較大地段，隧洞混凝土襯砌分段長(zhǎng)度為6m，施工縫縫寬為30 mm，以適應(yīng)持續(xù)沉降變形；其余兩端采空影響帶，隧洞混凝土襯砌分段長(zhǎng)度為9m，施工縫縫寬為20mm。為保證隧洞沉降后，過(guò)水?dāng)嗝娌粶p小，還在10+002～10+186采空中心區(qū)預(yù)留了沉降高度——對(duì)隧洞凈空高增加了150mm。

3.2.3 伸縮縫處理

橫向伸縮縫填充聚乙烯閉孔泡沫板，埋設(shè)E4652型橡膠止水，迎水面用聚硫密封膠封閉。反拱底板縱向伸縮縫埋設(shè)紫銅片止水（厚1mm）。止水內(nèi)側(cè)（背水面）填充單層油毛氈，止水外側(cè)（迎水面）填充L-600低發(fā)泡塑料板。

3.2.4 混凝土與巖面之間的灌漿處理

為增強(qiáng)巖體的整體性和充填混凝土與圍巖之間縫隙，在支護(hù)、襯砌完成后，對(duì)洞身進(jìn)行固結(jié)灌漿和回填灌漿。預(yù)埋灌漿管為50鋼管，壁厚3mm，灌漿孔直徑≥φ38。

回填灌漿范圍為頂拱120°以內(nèi)，孔距和排距均為3.0 m，灌漿孔深入圍巖100mm?；靥罟酀{待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行，灌漿壓力為0.2～0.3MPa。

固結(jié)灌漿范圍為隧洞采空區(qū)段全斷面，分兩序進(jìn)行，灌漿孔沿洞身全斷面呈梅花狀布設(shè)，灌漿孔深入巖層3.0m，孔距1.5m，排距3.0m。固結(jié)灌漿待回填灌漿結(jié)束7-14d后進(jìn)行，灌漿壓力為 0.2～0.3MPa。

回填灌漿和固結(jié)灌漿均從低向高進(jìn)行，灌漿壓力和開(kāi)灌水灰比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定具體采用值。

3.2.5 排水孔

在頂拱設(shè)排水孔，左中右3排。孔排距3m，左右排水孔比拱腳高150mm。排水管采用預(yù)埋φ50PVC管，在地下水豐富的破碎、斷層、裂隙處排水孔適當(dāng)加密。

4.投資估算

依據(jù)河南省豫水建[2006]52號(hào)文《河南省水利水電工程概預(yù)算定額及設(shè)計(jì)概（估）算編制規(guī)定》、《建筑工程概算定額》、《施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》及2010年第三季度信息價(jià)格，經(jīng)計(jì)算本工程修復(fù)靜態(tài)總投資為11885.94萬(wàn)元。其中采空區(qū)巖體加固工程投資（含材料價(jià)差）7110.01萬(wàn)元，隧洞修復(fù)工程投資（含材料價(jià)差）2350.22萬(wàn)元。