大斷面軟巖隧道穿越采空區(qū)和礦區(qū)建筑物施工工藝研究

摘 要：結(jié)合敖包溝隧道穿越煤礦采空區(qū)和礦區(qū)建筑物的實例，討論了大斷面黃土隧道穿越采空區(qū)和礦區(qū)建筑物的總體施工方案和施工處理措施，在施工過程加強隧道監(jiān)控量測、下穿建筑物地表沉降、爆破振動監(jiān)測和地質(zhì)超前預(yù)報，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工工藝，并提出了適于大斷面黃土隧道工程穿越煤礦采空區(qū)和礦區(qū)建筑物的方法和建議。

關(guān)鍵詞：隧道；采空區(qū)；下穿建筑物；處理措施；爆破振動

1 采空區(qū)概況及危害

1.1 采空區(qū)概況

敖包溝隧道起訖里程為D1K31+580～D1K34+760，全長3180m，為雙線隧道，Ⅴ級圍巖占68%，其余為IV圍巖。地表覆蓋第四系全新人工填筑土、上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，下伏侏羅系下統(tǒng)砂巖夾泥巖。

隧道在D1K32+330～D1K32+760段下穿中興煤礦采空區(qū)，采空區(qū)底部距離隧道頂板約15～20m，該段隧道洞頂埋深約32～57m。采空區(qū)沉陷影響主要表現(xiàn)為地面裂縫，基本分布在D1K32+380～D1K32+460，按其分布情況可分為兩組，裂縫斷續(xù)相連，總體上呈弧形向下山方向展布，裂縫長30～80m，寬度10～100mm，斷續(xù)延伸長度最大120m，錯臺10～30mm。

隧道在D1K34+592～D1K34+658段淺埋下穿敖家溝西梁煤礦一層變電所、一層大跨結(jié)構(gòu)食堂和三層辦公樓，洞頂覆土約20m，開挖爆破過程必須確保地面建筑物的安全。

1.2 采空區(qū)危害

敖包溝隧道主要為砂巖夾泥巖，全～弱風(fēng)化，巖體較破碎，屬弱膨脹巖，遇水具有一定的軟化膨脹性，易崩解，這更易造成了隧道施工中的塌方與變形。隧道穿越采空區(qū)將打破目前脆弱的平衡關(guān)系，極有可能發(fā)生大的變形，從而對圍巖和隧道的穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅，足以使隧道產(chǎn)生裂縫，對擬建隧道產(chǎn)生大的危害。

2 穿越采空區(qū)的處理方案

2.1 設(shè)計方案的調(diào)整

為了降低該段施工的安全風(fēng)險，減少工程量，降低采空區(qū)對隧道的影響，在設(shè)計上優(yōu)化線路縱斷面設(shè)計，使線路縱斷面標(biāo)高下降12m，采空區(qū)底部距離隧道頂板的距離由原來的2～5m增加至15～20m，洞頂埋深由原來的18～28m增加至32～57m，從而在隧道上方與采空區(qū)之間形成緩沖帶，大大地降低了隧道穿越采空區(qū)的安全風(fēng)險。

2.2 總體施工方案

采空區(qū)D1K32+330～D1K32+760段采用V級圍巖復(fù)合式加強襯砌，初支采用I18型鋼鋼架，間距0.6米。在D1K34+300～D1K34+350斜上跨公溝煤礦采空區(qū)段拱部采用？準(zhǔn)42超前小導(dǎo)管注漿加固，縱向每兩榀鋼架一環(huán)，靠采空區(qū)側(cè)邊墻和底板采用？準(zhǔn)42小導(dǎo)管徑向注漿加固地層。

下穿地表建筑物段，隧道拱部采用？準(zhǔn)89超前大管棚注漿加固、襯砌加強，施工采用人工+小型機械或微震爆破技術(shù)的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖，加強洞內(nèi)監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報，控制沉降、襯砌緊跟，以保證地面建筑物的使用和隧道施工安全。

2.3 現(xiàn)場施工的處理措施

2.3.1 開挖與支護：采用臺階法施工，全斷面采用增加大放腳的I18型鋼鋼架，0.6m/榀，利用上一循環(huán)架立的鋼架施作隧道超前支護。拱腳位置增加大放腳，方法為在拱腳增加一塊三角形鋼板，并且把拱腳連接鋼板加大，將三角鋼板焊接在拱腳及連接鋼板上，在大放腳位置打設(shè)？準(zhǔn)42鎖腳錨管，每根長4.0m，拱部采用？準(zhǔn)22組合中空錨桿，梅花形布置，鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿。

2.3.2 超前支護：隧道拱部采用？準(zhǔn)42超前小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長4.5m，五榀鋼架設(shè)一環(huán)，環(huán)向間距40cm，外插角10～15度，搭接長度不小于1m，注漿壓力0.5～1.0MPa，水泥漿濃度為1：1.25～1：0.8。

2.3.3 二次襯砌：待初期支護變形穩(wěn)定后，整體澆筑拱墻襯砌。二襯采用45cm厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 施工監(jiān)測

針對隧道穿越煤礦采空區(qū)和礦區(qū)建筑物的風(fēng)險點，施工中加強監(jiān)控量測、地表建筑物沉降監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測和地質(zhì)超前預(yù)報，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，及時調(diào)整施工工藝，確保隧道施工安全。

3.1 下穿采空區(qū)監(jiān)控量測

隧道地表沉降點埋設(shè)在隧道中心和兩側(cè)，洞內(nèi)進行拱頂沉降和收斂變形的觀測，施工中每5m布置一個監(jiān)測斷面。結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果得出周圍巖體和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析結(jié)論，對施工工藝提出指導(dǎo)意見，綜合評定隧道的初支安全。根據(jù)量測結(jié)果分析，隧道變形呈如下特點：

（1）隧道拱頂沉降和水平收斂都呈先急后緩的變化曲線，并隨時間推移，隧道變形逐步趨向穩(wěn)定，拱頂沉降和水平收斂累計值都不超過50mm，施工過程中圍巖穩(wěn)定性良好。

（2）受到采空區(qū)的影響，距離采空區(qū)不同位置的監(jiān)測斷面其監(jiān)測結(jié)果與無采空區(qū)段有明顯差別，說明采空區(qū)在施工過程中是不可忽略的因素。

3.2 下穿地表建筑物監(jiān)控量測

為加強對變電站、職工食堂、職工宿舍地面建筑物的保護，根據(jù)建筑物與隧道開挖斷面之間的位置關(guān)系合理安排沉降監(jiān)測點，保證建筑物的四角都布置沉降測點，測點位置如圖1所示。

圖1 地表建筑物基礎(chǔ)沉降測點布置示意圖

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析：（1）隧道在開挖后兩周變形快速變化，在一月內(nèi)基本趨于收斂的規(guī)律。（2）根據(jù)隧道變形與地表沉降隨時間變化的規(guī)律，得出了隧道開挖橫向沉降影響范圍為20米。（3）根據(jù)對開挖過程中的基礎(chǔ)沉降安全評估分析，隧道采用的施工措施能保證地表建筑物的安全。

3.3 爆破振動監(jiān)測

為及時調(diào)整隧道施工中的爆破參數(shù)，確保隧道成功穿越高風(fēng)險地段，在敖包溝隧道下穿建筑物施工過程中，對爆破引起的振動進行跟蹤監(jiān)測。

通過對敖包溝隧道下穿地表建筑物爆破測試研究，從振動波形時域、振動速度、功率譜等三個方面分析了隧道下穿建筑物施工時爆破振動的規(guī)律，并通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的擬合，取得了敖包溝隧道下穿建筑物爆破振動預(yù)測公式。根據(jù)爆破振動預(yù)測公式及《爆破安全規(guī)程》對建筑物安全的規(guī)定，提出了在23m埋深條件下最大段藥量不能超過5.4kg的限值。在施工過程降低爆破振動的措施，主要有爆破源和爆破傳播途徑控制兩種方法。

4 結(jié)束語

目前敖包溝隧道已順利貫通，下穿煤礦采空區(qū)和礦區(qū)建筑物的整個施工過程安全可控，通過本工程的實踐，總結(jié)幾點為同類施工條件的隧道提供借鑒及參考。

（1）隧道穿越采空區(qū)地段處理措施，除了依據(jù)現(xiàn)場實際的地形特征調(diào)整設(shè)計方案外，更主要的是在現(xiàn)場施工工序工藝的調(diào)整與完善。首先縮短初支拱架的間距，增加預(yù)留變形量，減小可能由于采空區(qū)對隧道產(chǎn)生變形的影響；其次在隧道拱部采用小導(dǎo)管注漿進行超前支護加固，降低由于采空區(qū)巖體中的裂縫和裂隙帶來塌方的風(fēng)險。

（2）在施工中加強隧道監(jiān)控量測、地表建筑物沉降監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測和地質(zhì)超前預(yù)報，以監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，及時調(diào)整優(yōu)化施工工藝，確保隧道施工安全。