段家堡隧道穿越煤礦采空區(qū)處治方法

常 煒 袁名旺

(中交二公局三公司，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通事業(yè)突飛猛進(jìn)，高速公路建設(shè)里程不斷攀升，高速公路隧道不斷增多，隧道穿越不良地質(zhì)數(shù)量不斷加劇，在云南、貴州隧道穿越巖溶地區(qū)，在陜西、山西等省隧道穿越煤礦采空區(qū)不可避免。由于巖溶與采空區(qū)的存在給施工帶來(lái)極高的施工風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程中處理不當(dāng)給高速公路運(yùn)營(yíng)造成安全隱患，隧道建成后將出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)破壞，隧道輪廓侵入界限，路面下沉，造成路線縱斷面不順暢，側(cè)溝排水不順，一旦發(fā)生病害將危及行車安全，影響高速公路的正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)隧道的養(yǎng)護(hù)工作和維修都將十分困難。當(dāng)隧道必須穿越熔巖或采空區(qū)時(shí)，在隧道施工前或施工過(guò)程中必須采取有效措施謹(jǐn)慎處理以確保隧道施工過(guò)程中的安全以及隧道建成后運(yùn)營(yíng)安全。

1 隧道及采空區(qū)設(shè)計(jì)概況

1.1 隧道概況

段家堡隧道位于山西省西北部云中山北側(cè)山系南妥山基巖山區(qū)內(nèi)，隧道穿越的南妥山總體走向呈東西向，隧道與山體走向垂直相交，隧道頂?shù)匦纹鸱淮螅M(jìn)口端為基巖陡崖，出口端為順層斜坡。隧道進(jìn)出口皆為沖溝，進(jìn)口端為蘆河，河內(nèi)常年有水，出口端為碗架板溝，溝內(nèi)常年有水，水量較小，流至蘆河。左線起訖樁號(hào)為ZK20+175～ZK21+794長(zhǎng)度1 619 m，右線起訖樁號(hào)為K20+168～K21+785長(zhǎng)度1 617 m，隧道主洞為雙行單洞斷面，凈寬10.25 m，限高5 m，兩側(cè)設(shè)檢修道，內(nèi)輪廓采用三心圓，緊急停車帶凈寬13.0 m，兩側(cè)設(shè)檢修道，采用五心圓。地質(zhì)構(gòu)造隧道位于山西省西北部原平市紅池—碗架板村一帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，路線穿越的構(gòu)造單元為呂梁—太行之?dāng)鄩K寧武—靜樂塊城西北部的寧武—靜樂向斜西北翼，罅沱河新裂陷西北部，構(gòu)造主體呈北東—南西向，地層產(chǎn)狀一般為335°～350°∠8°～25°。工程地質(zhì)特征總體評(píng)價(jià)，本隧道圍巖巖性較為復(fù)雜，巖體完整性總體較差，煤礦采空區(qū)對(duì)煤系地層影響較為嚴(yán)重。

1.2 采空區(qū)設(shè)計(jì)概況

該煤礦影響路線采空區(qū)分布于路線里程樁號(hào)右線為K21+118～K21+728長(zhǎng)度為610 m，左線為ZK21+133～ZK21+764長(zhǎng)度631 m，路線影響范圍內(nèi)工作面開采時(shí)間為2003年，開采2號(hào)、5號(hào)煤層。2號(hào)煤層采厚3.1 m，5號(hào)煤層厚度2.4 m，局部開采。6號(hào)煤層厚度為1.4 m，未開采。巷道式開采，回采率30%，煤層產(chǎn)狀320°∠8°～20°，采深采厚比0～51。該煤礦地表未見塌陷和裂縫。K21+118～K21+415(左線ZK21+133～ZK21+430)段為2號(hào)、5號(hào)雙層采空區(qū)，右線2號(hào)、5號(hào)煤層采空區(qū)底板位于地表埋深86 m～171 m之間。

1.3 采空區(qū)設(shè)計(jì)處理方法

該隧道采空區(qū)設(shè)計(jì)采用全充填注漿法進(jìn)行處治，在采空區(qū)地表施工鉆孔，鉆孔深度達(dá)到煤層采空底板，將注漿管密封在煤礦采空區(qū)上覆巖層中，采用泥漿泵，將漿液注入煤礦采空塌陷區(qū)和其上覆的巖層裂隙帶，漿液的結(jié)石體阻止上覆巖層及地表的進(jìn)一步變形，從而達(dá)到治理采空區(qū)的目的。

漿液配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定注漿漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比為1∶1.5～1∶1.0。水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%。帷幕孔根據(jù)具體情況，采用較稠的漿液或在漿液中摻入水泥重量的2%的速凝劑，使注入采空區(qū)漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止?jié){液流失。圍護(hù)帶寬度：隧道B值取20 m；注漿材料∶水泥、粉煤灰固相比3∶7；注漿壓力∶終孔壓力為2 MPa～3 MPa；充填率：隧道充填率為90%～95%。

前期業(yè)主單位組織專業(yè)的施工注漿施工單位從隧道的出口端修建施工便道，進(jìn)場(chǎng)施工機(jī)械、施工材料到煤礦采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置的山頂上進(jìn)行打孔注漿。

2 隧道施工過(guò)程中對(duì)采空區(qū)的處治措施

2.1 采空區(qū)位置及規(guī)模

段家堡隧道由出口端掘進(jìn)方向兩次發(fā)現(xiàn)四處采空區(qū)。第一次在右線K21+345.8，左線ZK21+345位置，第二次在右線K21+214，左線ZK21+225位置采空區(qū)。在開挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)掌子面前方有空洞，采用10 m長(zhǎng)的鋼筋未能探到底，立即停止掌子面掘進(jìn)，項(xiàng)目根據(jù)上級(jí)有關(guān)單位意見制定措施探明采空區(qū)位置及規(guī)模，在隧道的左右線各開挖一條探洞，發(fā)現(xiàn)掌子面前方及下方均為煤層采空區(qū)，高度2.2 m～3.1 m，隧道兩側(cè)及底部均為空腔，在小樁號(hào)前方10 m大范圍內(nèi)隧道頂部于兩側(cè)均為空腔，空腔內(nèi)有多處坍塌，左洞中線偏右位置巖體有錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，腔內(nèi)有采煤尾礦堆積。

2.2 對(duì)采空區(qū)的技術(shù)處理措施

采空區(qū)與設(shè)計(jì)圖紙相符屬于隧道穿越傾斜中厚煤層采空區(qū)，采空區(qū)位于隧道斷面內(nèi)的底部、兩側(cè)及頂部，針對(duì)采空區(qū)空腔位于隧道不同部位分別處理。

對(duì)于整個(gè)采空區(qū)域，在隧道拱部設(shè)管棚，管棚采用φ89 mm長(zhǎng)20 m的鋼管，縱向間距40 cm，管內(nèi)壓注水泥—水玻璃漿，管內(nèi)注漿參數(shù)水泥漿的水灰比為0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其與水泥漿體積比為0.4∶1。兩組管棚間末端搭接長(zhǎng)度不小于100 cm。采用雙層拱架支護(hù)，采用Ⅰ18工字鋼，間距75 cm拱架與采用Ⅰ20a工字鋼，間距50 cm，拱架交錯(cuò)布置；系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度350 cm，間距80 cm×50 cm；采用雙層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)眼間距20 cm×20 cm，噴C25早強(qiáng)混凝土25 cm；二次襯砌采用模筑C25鋼筋混凝土60 cm。

對(duì)于隧道底板空腔，隧道兩側(cè)開挖邊界外10 m范圍對(duì)于底板覆土厚度小于3 m的進(jìn)行明挖，采用C15片石混凝土回填至仰拱底，對(duì)于覆土厚度大于3 m位置，在隧道底板范圍內(nèi)垂直打設(shè)80 cm×80 cm,梅花形布置φ50mm孔深以3.5 m～20 m打到空腔底部1 m以下。首先在20 m位置以50 cm間距打入三排注漿花管，在拱腳位置以50 cm間距以外插角15°打入三排注漿管，管內(nèi)壓注水泥—水玻璃漿，管內(nèi)注漿參數(shù)水泥漿的水灰比為0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其與水泥漿體積比為0.4∶1。然后對(duì)隧道其他孔位壓注水泥—水玻璃漿。然后按照加強(qiáng)仰拱通過(guò)，仰拱厚60 cm。

對(duì)于隧道邊墻兩側(cè)空腔，在隧道襯砌兩側(cè)10 m范圍塌落部分采用φ50注漿管加固，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，注漿管長(zhǎng)度10 m～15 m，隧道邊墻兩側(cè)空腔采用C15泵送混凝土回填。

對(duì)位于隧道拱部上方0 m～4 m的空腔,采用異形鋼拱架支撐，拱架采用Ⅰ18工字鋼，工字鋼間距20 cm，工字鋼之間采用Φ22鋼筋連接，鋼筋環(huán)向間距10 cm，在工字鋼與長(zhǎng)管棚初襯之間采用預(yù)埋管壓注聚乙烯泡沫輕質(zhì)混凝土材料，在拱部一定范圍預(yù)埋泵送混凝土管，泵送1 m厚C25混凝土。

2.3 對(duì)采空區(qū)的安全處理措施

針對(duì)采空區(qū)施工采取了多項(xiàng)安全措施，有效防范施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)：1)針對(duì)采空區(qū)施工對(duì)施工管理人員以及作業(yè)人員進(jìn)行安全教育及技術(shù)培訓(xùn)，掌握煤礦采空區(qū)施工安全防護(hù)技術(shù)，爆破、電工、瓦斯檢測(cè)等特種作業(yè)人員持證上崗。2)施工過(guò)程中加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)，隧道技術(shù)人員、各作業(yè)隊(duì)負(fù)責(zé)人均配備便攜式瓦斯檢測(cè)儀，隨時(shí)對(duì)洞內(nèi)瓦斯含量進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，瓦斯檢測(cè)專職人員配備便攜式瓦斯報(bào)警儀及四合一氣體檢測(cè)儀，對(duì)整個(gè)隧道的瓦斯等有毒有害氣體進(jìn)行全面監(jiān)控。3)加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，施工期間保持隧道持續(xù)通風(fēng)。4)杜絕煙火進(jìn)洞。5)洞內(nèi)設(shè)備均采用防爆型電氣設(shè)備，采用雙回路直供電源，在洞口設(shè)置避雷裝置，采用煤礦許用雷管炸藥。6)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)潛在的地質(zhì)隱患進(jìn)行預(yù)報(bào)，采用地質(zhì)雷達(dá)和鉆探以及挖探的方法摸清采空區(qū)的具體位置、規(guī)模、走向，為制定施工措施方案提供參考。

3 段家堡采空區(qū)處理效果

通過(guò)項(xiàng)目部以及第三檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，段家堡隧道采空區(qū)段落拱頂沉降、周邊收斂以及底板沉降均在合理范圍內(nèi)，檢測(cè)數(shù)據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)逐漸收斂，曲線趨于平緩穩(wěn)定。在交工驗(yàn)收以及運(yùn)營(yíng)中未曾出現(xiàn)質(zhì)量安全問題。

4 結(jié)語(yǔ)

段家堡隧道在施工過(guò)程中處理煤礦采空區(qū)從技術(shù)措施、安全管理方面進(jìn)行了科學(xué)的謀劃，施工過(guò)程精心組織，施工安全質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果，為今后隧道穿越類似采空區(qū)以及溶洞提供了一定的參考。