鐵路隧道穿越采空區(qū)的處理措施探討

摘 要：采空區(qū)是隧道工程中常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，具有隱蔽性強(qiáng)、空間分布無(wú)規(guī)律、難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，對(duì)隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)及后期運(yùn)營(yíng)均會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。本文以某新建鐵路隧道穿越煤層采空區(qū)為例，分析了采空區(qū)對(duì)隧道的危害，并介紹了設(shè)計(jì)中對(duì)隧道穿越采空區(qū)時(shí)的處理原則和措施，為今后類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);鐵路隧道;危害;處理原則;處理措施

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨笤絹?lái)越高，鐵路也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，大量鐵路隧道不斷興建。雖然在勘查設(shè)計(jì)中根據(jù)鐵路隧道相關(guān)規(guī)范要求應(yīng)盡量避開(kāi)采空區(qū)等不良地質(zhì)段[1]，但因選線需要，隧道工程往往難以繞避部分采空區(qū)，這對(duì)施工及后期運(yùn)營(yíng)都將產(chǎn)生不利影響。因此，在勘察設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能對(duì)采空區(qū)進(jìn)行全面調(diào)查和勘探，充分掌握其幾何形態(tài)、分布特征、規(guī)模大小等情況， 在此基礎(chǔ)上對(duì)采空區(qū)和隧道結(jié)構(gòu)采取合理有效的工程措施，以確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全暢通[2]。

2 工程概況

隧道全長(zhǎng)718m，為雙線合修隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，最大埋深約100m。隧區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，隧址段屬于峰林和緩丘地貌，地面標(biāo)高1284m～1409m，相對(duì)高差約20～130m，地形起伏較大，緩坡地帶多為旱地及荒坡，自然坡度20～45°，隧道進(jìn)口斜坡較陡，基巖裸露，出口斜坡較緩，覆蓋層較厚，零星基巖出露。隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.25s。

本隧出口段為含煤地層，據(jù)調(diào)查有小煤窯開(kāi)采，開(kāi)采方式以人工挖掘?yàn)橹鳎∶憾匆?guī)模較小，開(kāi)采不深，井口一般寬1～1.5m，高1～1.5m，深20～30m，未形成大規(guī)模的采空區(qū)。小煤窯現(xiàn)已停采，停采原因不明。另?yè)?jù)高密度電法物探揭示，隧道出口段DK27+770～+855共有3處存在低阻異常的小煤窯采空巷道對(duì)隧道有影響。

3 采空區(qū)對(duì)隧道的危害

采空區(qū)對(duì)隧道工程的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 施工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)

由于采空區(qū)存在冒落帶、裂隙帶和彎沉帶，因而當(dāng)線路附近采空區(qū)受到隧道開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)，將會(huì)造成采空區(qū)產(chǎn)生不均勻沉降，甚至導(dǎo)致采空區(qū)底板或頂板塌落，進(jìn)而使得支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載增大，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)隧道將發(fā)生塌方破壞，威脅施工安全[3]。

3.2 運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)沉降危及行車(chē)安全

若采空區(qū)位于隧道下方，且施工方在施工過(guò)程中未對(duì)其采取合理有效的處理措施，而直接施作隧道襯砌結(jié)構(gòu)，那么運(yùn)營(yíng)期間在列車(chē)動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，將可能導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈持續(xù)增大、加速采空區(qū)殘余變形的發(fā)展，使得穿越采空區(qū)段的隧道結(jié)構(gòu)受力不均而引起襯砌局部開(kāi)裂或下沉，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全及隧道結(jié)構(gòu)的耐久性[4]。

3.3 其他危害

煤層采空區(qū)中易積聚瓦斯或賦存積水，施工中若操作不當(dāng)可能發(fā)生瓦斯爆炸或涌水突泥事故，危及施工人員生命安全和造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4 隧道穿越采空區(qū)時(shí)的處理原則

鑒于采空區(qū)對(duì)隧道的開(kāi)挖以及建成后的運(yùn)營(yíng)都有很大的影響，施工期間必須對(duì)其采取相應(yīng)的處理措施 [5]。本文根據(jù)采空區(qū)與隧道的空間相對(duì)位置關(guān)系，并結(jié)合采空區(qū)是否坍塌充填、是否積水等情況，制定了不同的處理原則。

4.1 采空區(qū)位于隧道上方時(shí)

當(dāng)采空區(qū)位于隧道上方時(shí)，應(yīng)根據(jù)隧道拱部與采空區(qū)底板的距離進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，可采取加強(qiáng)隧道超前支護(hù)和初期支護(hù)、加強(qiáng)二次襯砌、設(shè)置護(hù)拱、超前注漿或徑向注漿等措施進(jìn)行處理。對(duì)隧道上方采空區(qū)存在積水的情況，采取鉆孔并預(yù)留排水管的方式排水。

4.2 采空區(qū)位于隧道中部時(shí)

當(dāng)采空區(qū)位于隧道中部時(shí)，若采空區(qū)未坍塌充填，可在隧道襯砌兩側(cè)邊墻外施作護(hù)墻和回填;若采空區(qū)已坍塌充填，可對(duì)充填物采取換填或采用周邊注漿加固進(jìn)行處理。

4.3 采空區(qū)位于隧道下方時(shí)

當(dāng)采空區(qū)位于隧道下方時(shí)，若采空區(qū)底板與隧底間的距離較小，可采取混凝土換填、注漿回填等措施處理;若采空區(qū)底板與隧底間的距離較大，可合理選擇鋼管樁注漿加固、混凝土回填或樁筏結(jié)構(gòu)跨越等措施進(jìn)行處理。在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)隧道的初支及二襯結(jié)構(gòu)。

4.4 其他處理原則

（1）施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)及洞周超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，綜合物探、鉆探等超前探測(cè)手段，查明采空區(qū)的位置、規(guī)模、充填情況、是否積水、是否積聚瓦斯等因素，以便采取合理的處理方法。

（2）在施工穿越煤層采空區(qū)段的隧道時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)和施工通風(fēng)，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求采取封閉防護(hù)措施。

（3）當(dāng)隧道穿越煤層采空區(qū)時(shí)，通常由于煤系地層巖質(zhì)較軟，隧道開(kāi)挖圍巖可能產(chǎn)生較大的變形，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加襯砌結(jié)構(gòu)的預(yù)留變形量[6]。

5 隧道穿越采空區(qū)時(shí)的處理措施

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及物探解譯資料，本隧出口DK27+770～+855段共有3處小煤窯采空巷道對(duì)隧道有影響，為確保隧道穿越采空區(qū)段的施工安全和運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)計(jì)中分別針對(duì)這3處采空區(qū)進(jìn)行處理，其各自的位置及處理措施如下：

（1）DK27+770～+790段右側(cè)，長(zhǎng)度20m，軌面以上22～36m。隧道超前支護(hù)采用φ76中管棚，初期支護(hù)采用全環(huán)工22a型鋼鋼架、間距0.6m，二次襯砌采用VC加強(qiáng)型復(fù)合襯砌、結(jié)構(gòu)厚度為55cm。

（2）DK27+790～+800段左側(cè)，長(zhǎng)度10m，軌面以上0～13m。隧道超前支護(hù)采用φ76中管棚+大外插角φ42小導(dǎo)管，初期支護(hù)采用全環(huán)工22a型鋼鋼架、間距0.6m，二次襯砌采用VC加強(qiáng)型復(fù)合襯砌、結(jié)構(gòu)厚度為55cm。

若開(kāi)挖揭示采空區(qū)大部分已坍塌充填，則對(duì)拱頂以上5m范圍采空區(qū)充填物采用徑向注漿加固。

若采空區(qū)未坍塌充填，則在隧道兩側(cè)邊墻施作混凝土護(hù)墻，厚度不小于2m，護(hù)墻外側(cè)存在空洞且有作業(yè)條件時(shí)，采用土石回填;在隧道拱部施作混凝土護(hù)拱，并將加強(qiáng)支護(hù)的型鋼鋼架也埋入護(hù)拱內(nèi)，有條件時(shí)應(yīng)在護(hù)拱上設(shè)中粗砂緩沖層，并在二襯背后預(yù)留排水管引排采空區(qū)內(nèi)的積水。護(hù)拱及護(hù)墻如圖1所示。

（3）DK27+830～+855段左側(cè)，長(zhǎng)度25m，軌面以下2～10m。隧道超前支護(hù)采用φ76中管棚，初期支護(hù)采用全環(huán)工22a型鋼鋼架、間距0.6m，二次襯砌采用VC加強(qiáng)型復(fù)合襯砌、結(jié)構(gòu)厚度為55cm。

若開(kāi)挖揭示采空區(qū)已坍塌充填，將隧底以下0～3m范圍的采空區(qū)充填物清除后采用C20混凝土換填;對(duì)與隧底間的距離大于3m的采空區(qū)范圍采用φ76鋼管樁注漿加固，如圖2所示。鋼花管交錯(cuò)布置：其中邊墻基底范圍內(nèi)間距為0.6m，注漿材料采用水灰比0.6：1的純水泥漿;仰拱范圍內(nèi)間距為1m，注漿材料采用1：1水泥砂漿。注漿壓力1.0～1.2MPa，其具體注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。鋼管樁加固深度按嵌入采空區(qū)底板以下不小于1m控制。在穿越煤層采空區(qū)的整個(gè)過(guò)程中，基底注漿加固完成后均需鉆孔取巖芯對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)判，不合格者應(yīng)補(bǔ)注漿。

若采空區(qū)未坍塌充填，將隧底以下0～3m范圍的采空區(qū)采用C20混凝土換填;當(dāng)采空區(qū)與隧底間的距離大于3m時(shí)，在隧底下方按間距1.5m布置φ200mm的鉆孔，并采用鋼管跟進(jìn)，通過(guò)鉆孔揭穿采煤巷道，然后經(jīng)鋼管向隧底采空區(qū)充填混凝土，為增加混凝土的自流性，提高填充效果，充填混凝土采用C15細(xì)石混凝土，并應(yīng)填充至孔口?；炷脸涮钔瓿珊?，再對(duì)隧底采空區(qū)采用φ76鋼管樁進(jìn)行注漿加固（具體要求如前文所述）。混凝土回填+注漿加固處理方案如圖3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

采空區(qū)對(duì)隧道工程危害極大，隧道穿越采空區(qū)時(shí)將增加工程難度，施工風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)高，因此在選線時(shí)應(yīng)盡量繞避。當(dāng)確因鐵路工程建設(shè)需要必須以隧道形式穿越時(shí)，應(yīng)對(duì)可能遇到的采空區(qū)及其附近的地質(zhì)條件進(jìn)行全面勘察，并在設(shè)計(jì)中采取針對(duì)性的處理措施，施工中加強(qiáng)超地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)和施工通風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)安全施工，并確保隧道結(jié)構(gòu)安全和列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全。

本文以某新建鐵路隧道穿越煤層采空區(qū)為例，分析了采空區(qū)的危害，并對(duì)采空區(qū)處理的一般原則和措施進(jìn)行了闡述。目前該隧道現(xiàn)場(chǎng)已按設(shè)計(jì)的處理措施成功通過(guò)小煤窯采空區(qū)影響段，并且監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示隧道結(jié)構(gòu)無(wú)異常。本工程對(duì)采空區(qū)成功處治的經(jīng)驗(yàn)，可為今后其他類(lèi)似的隧道工程提供借鑒和參考。

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作者簡(jiǎn)介：范小龍（1988-），男，四川遂寧人，碩士研究生，工程師，主要從事地下工程與隧道工程設(shè)計(jì)工作。