新建新嶺隧道穿越采空區(qū)處治技術(shù)

丁海洋，鄭軍華

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310031）

0 引言

隨著我國交通路網(wǎng)的不斷延伸、發(fā)展，公路隧道的數(shù)量也日益增多，各類隧道不可避免地會穿越采空區(qū)地層。小型煤礦在開采過程中造成的極不規(guī)則的采空區(qū)對隧道施工、運(yùn)營構(gòu)成巨大安全隱患。因此，隧道通過采空區(qū)的處治方案對隧道結(jié)構(gòu)、施工、運(yùn)營安全具有重大意義。若對采空區(qū)不采取措施，或者采用簡單的礦柱支撐等不適合的處置方式，極有可能發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)[1]，造成人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失。如1960年，位于南非的Coalbrock North煤礦頂板大范圍掉落，總面積達(dá)300萬m2，死亡人數(shù)高達(dá)430多人[2]；2011年韓國及其他采礦不發(fā)達(dá)國家也有類似報(bào)道[3-4]。研究采空區(qū)對隧道的影響分析一般利用數(shù)值模擬的方式[5-6]。本文的重點(diǎn)主要集中在采空區(qū)處理技術(shù)方案的研究。采空區(qū)的處置措施主要有“崩、充、撐、封”4種基本措施以及該4種基本措施的搭配使用。崩指的是崩落法，充指的是充填法，撐指的是支撐法，封指的是封閉隔離法[1]。計(jì)中彥研究探討了采空區(qū)位于隧道不同的相對位置時(shí)應(yīng)采用的處置措施[7]。王新對某隧道施工過程中出現(xiàn)由于采空區(qū)導(dǎo)致的塌方，對于小范圍的采空區(qū)采取了注漿加固的措施，對于稍大的采空區(qū)采取了強(qiáng)支護(hù)支撐的方式，從而確保了施工的安全以及隧道的結(jié)構(gòu)安全[8]。

新嶺隧道屬于杭金衢高速拓寬工程中的重點(diǎn)工程。既有隧道為分離式雙向四車道，隧道長度約為1 400 m，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。綜合考慮對既有交通的影響、施工工序、施工風(fēng)險(xiǎn)及工程造價(jià)等各項(xiàng)因素，拓寬工程采用分離增建的加寬方案，即在隧道兩側(cè)各新增一座三車道隧道。

本文依托工程環(huán)境地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道右洞進(jìn)洞口位置存在小煤窯采空區(qū)，采空區(qū)無規(guī)劃、無支護(hù)措施，嚴(yán)重影響圍巖穩(wěn)定性。針對上述情況，采空區(qū)處理方案對隧道順利進(jìn)洞起到關(guān)鍵作用。本文詳細(xì)介紹隧道明洞段、暗洞段以及洞內(nèi)塌方段采空區(qū)處理方案。

1 隧道采空區(qū)地段概況

隧道右洞進(jìn)洞口地處丘陵下緩坡，丘陵下緩上陡，植被發(fā)育，地表層為粉質(zhì)黏土層，厚約8.2～11.8 m，結(jié)構(gòu)松散，易坍塌滲漏。以下為灰?guī)r，局部夾石煤層，石煤巖體完整性系數(shù)Kv=0.12～0.36。

采空區(qū)平面分布如圖1所示。新嶺隧道右洞洞口段分布石煤采空區(qū)，小煤窯采空區(qū)早在20世紀(jì)五六十年代進(jìn)行開采，石煤開采系當(dāng)?shù)卮迕褡园l(fā)采煤所致。在四十多年前由于煤礦塌方就已廢棄，在隧道進(jìn)出洞口影響范圍內(nèi)也無新增煤礦或村民自發(fā)的采煤行為。

圖1 采空區(qū)平面分布圖

通過綜合調(diào)查整理相關(guān)資料以及地質(zhì)鉆探的情況，得出新隧道K46+650—K46+700范圍為采空區(qū)分布范圍。沿路線地表坍塌范圍里程為K46+666—K46+686，隧道范圍存在兩處采空巷道。

2 采空區(qū)的影響分析

采空區(qū)若位于隧道底部，則易導(dǎo)致隧道仰拱范圍缺少地基彈性抗力，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)受力不均勻產(chǎn)生裂縫甚至結(jié)構(gòu)破壞。隧道兩側(cè)或頂部若存在采空區(qū)，則同理相應(yīng)部位缺少地基彈性抗力，破壞圍巖的自成拱效應(yīng)，使隧道結(jié)構(gòu)受力不均勻，局部受力集中，產(chǎn)生安全隱患甚至結(jié)構(gòu)破壞。采空區(qū)同樣會破壞圍巖的初始地應(yīng)力平衡，大規(guī)模的不規(guī)律采空區(qū)易使地下水流入，進(jìn)一步破壞自身的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致塌方等。

3 采空區(qū)處理技術(shù)方案

3.1 明洞段采空區(qū)處理

YK46+606—YK46+680段為明洞，采空區(qū)采用明挖后回填施工，為提高采空塌陷區(qū)開挖時(shí)邊仰坡穩(wěn)定性，在隧道兩側(cè)各設(shè)置4根鋼筋混凝土樁加固輔助施工，樁直徑1.5 m，間距3 m，樁頂利用鋼筋混凝土圈梁和橫撐相連。

施工中YK46+670附近邊坡出現(xiàn)空洞，通過地質(zhì)雷達(dá)顯示明洞YK46+662—YK46+680段存在不密實(shí)區(qū)或富水，現(xiàn)場通過探槽進(jìn)一步揭示，YK46+665附近為采空巷道，巷道內(nèi)充水，底標(biāo)高距仰拱底5 m左右，YK46+670—YK46+676為采空塌陷區(qū)，仰拱底5 m范圍為填充物，底標(biāo)高距仰拱底約5 m左右。

3.1.1 YK46＋665采空巷道處理

a）封堵外圍巷道進(jìn)口，減小流入巷道水量。

b）隧道范圍巷道在積水抽干后，清除有坍塌或淤積軟弱土，采用C15片石混凝土澆筑，澆筑高度至仰拱底。

c）線外巷道采用M10水泥砂漿回填，巷道左側(cè)線外不小于3 m，巷道右側(cè)線外回填10 m。

d）為維持原巷道排水通道，巷道回填范圍內(nèi)橫向埋設(shè)16根直徑20 cm的UPVC排水管。

e）為確保巷道開挖左、右側(cè)洞口穩(wěn)定，在巷道洞口進(jìn)行鋼花管注漿加固。

f）在隧道拱墻外設(shè)置1道排水盲溝。

YK46+665左右巷道處理示意圖如圖2所示，YK46+665左右巷道施工前后現(xiàn)場照片如圖3所示。

圖2 YK46+665左右巷道處理示意圖

圖3 YK46+665左右巷道施工前后現(xiàn)場照片

3.1.2 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區(qū)處理

該塌陷區(qū)位于明暗洞交界護(hù)拱口處，且底標(biāo)高較低，為確保換填時(shí)支護(hù)樁穩(wěn)定，采用分三步換填C15片石混凝土方案，具體如下：

a）在開挖前先對掌子面中導(dǎo)洞和巷道前方中間的坡面進(jìn)行臨時(shí)錨噴支護(hù)，并對護(hù)拱兩側(cè)拱腳用小導(dǎo)管進(jìn)行加固。

b）線外巷道采用M10水泥砂漿回填，巷道左側(cè)線外不小于3 m。

c）隧道范圍內(nèi)的采空區(qū)塌陷區(qū)在積水抽干后，采用C15混凝土澆筑換填，澆筑高度至仰拱底，施工順序?yàn)橄葥Q填中間1/3部分，再換填左側(cè)1/3部分，最后換填右側(cè)1/3部分。

d）為確保支護(hù)樁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用雙拼I22工字鋼對支護(hù)樁進(jìn)行橫向連接加固。

YK46+670—YK46+676采空塌陷區(qū)處理示意圖如圖4所示，YK46+670—YK46+676采空塌陷區(qū)施工前后現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區(qū)處理示意圖

圖5 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區(qū)施工前后照片

3.2 暗洞采空區(qū)處理

暗洞右側(cè)壁導(dǎo)坑施工至YK46+686時(shí)，右側(cè)見充填黏土的巷道，對既有隧道右側(cè)地表塌陷范圍復(fù)測后發(fā)現(xiàn)，塌腔范圍進(jìn)入隧道右半幅，并在隧道洞頂?shù)乇戆l(fā)現(xiàn)兩條裂縫帶，其中1號裂縫帶長度約為17 m，最大縫寬約為15 cm，2號裂縫帶長度約為26 m，最大縫寬約28 cm。

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)狀，將YK46+680—YK46+718段設(shè)為暗洞采空區(qū)處理段，從加強(qiáng)支護(hù)、地表注漿、施工方法和基底處理等方面對暗洞采空區(qū)進(jìn)行治理。

3.2.1 超前支護(hù)措施

超前支護(hù)措施為2層超前管棚注漿預(yù)支護(hù)，管棚為Φ108熱軋無縫鋼管，厚6 mm，環(huán)距40 cm；漿液采用水泥漿，水灰比0.8∶1，注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。

3.2.2 地表注漿加固

采用地表垂直注漿加固，注漿范圍縱向?yàn)閅K46+690—YK46+725，橫向范圍為隧道中線至隧道右邊線外10 m，豎向隧道拱頂上部8 m高度至鉆孔底部。注漿加固處理示意圖如圖6所示。

圖6 注漿加固處理示意圖

地表注漿參數(shù)及技術(shù)要求如下：

a）鋼管 采用Φ108熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm；鋼管均豎直打入地層，打入深度Ⅰ區(qū)打至管棚以上50 cm處，Ⅱ區(qū)打至仰拱底下3 m；鋼管縱向間距2 m，橫向間距1.75 m，呈梅花型布置，注漿段管身開設(shè)注漿孔，地表至隧道拱頂外8 m范圍內(nèi)鋼管無注漿孔。

b）注漿參數(shù) R42.5水泥，水灰比為1∶1；注漿壓力初始壓力0.5～1.5 MPa，最終壓力2.0～3.0 MPa，可根據(jù)實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整。

c）施工順序 測量放線→標(biāo)注孔位→鉆孔→下鋼花管→澆封口填料→注漿→檢查實(shí)際效果→結(jié)束。

d）注漿順序 分段分片進(jìn)行，總體次序?yàn)橛覀?cè)向左側(cè)，洞口向洞內(nèi)方向，先外部，后內(nèi)部，注漿時(shí)采用跳孔的方式進(jìn)行。

3.2.3 襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

采空區(qū)段初期支護(hù)為28 cm厚C25噴射混凝土（內(nèi)設(shè)2層E6鋼筋網(wǎng)片）+22b工字鋼（縱向間距0.5 m），系統(tǒng)錨桿為Φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管（長4.5 m，縱橫間距為0.5 m×1.0 m）；二襯采用60 cm厚模筑C30鋼筋混凝土。

3.2.4 施工方法

隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

考慮到地表注漿范圍從YK46+690開始，YK46+680—YK46+690段無法從地表加固，因此在主洞右側(cè)壁增加洞內(nèi)注漿加固，YK46+680、YK46+683斷面處設(shè)2排Φ76×5 mm鋼花管注漿加固，鋼花管長8 m，外插角15°，環(huán)距0.4 m，每個斷面8根；YK46+685、YK46+687、YK46+689斷面處設(shè)3排Φ42×4 mm小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管長度為5.0 m，外插角15°，環(huán)向間距0.4 m，每個斷面共8根。

3.2.5 基底處理

隧道仰拱底以下采空塌陷區(qū)主要以碎塊石為主，基底采用小導(dǎo)管注漿加固處理。小導(dǎo)管縱橫向間距為1 m×1 m，長度為5 m，打設(shè)角度60°。

為增加拱腳穩(wěn)定性，在右側(cè)巷道附近拱腳增設(shè)3排Φ76×5 mm鋼花管注漿加固，長8 m，每排3根。

3.3 采空區(qū)塌方處理

隧道右洞施工至YK46+728處時(shí)，遭遇原采空區(qū)探洞，造成塌方，空腔尺寸約為10 m×6 m×6 m。為確保安全，及時(shí)通過塌方區(qū)，采取一系列技術(shù)措施進(jìn)行加強(qiáng)處理，具體如下：

a）洞內(nèi)回填反壓穩(wěn)固坍塌體。選用宕渣回填，長度應(yīng)大于等于15 m，回填至距離拱頂2.5 m處。YK46+723里程處設(shè)置擋墻，擋墻材料為C20，厚度為2 m。擋墻與拱頂之間利用水泥砂漿回填。

b）YK46+728—YK46+713段為塌方影響段（長15 m），采用22b工字鋼作為臨時(shí)鋼拱架支撐；YK46+728—YK46+718范圍初期支護(hù)拱部120°范圍內(nèi)增設(shè)徑向小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管為Ф42×4 mm鋼管，長4.0 m，縱橫間距為0.75×1.0 m。

c）共設(shè)置3排Ф76×9 mm超前管棚，第1排在YK46+720.5里程處，第2排位于YK46+722.75，第3排位于YK46+727.2。管棚長度：第1排長25 m，環(huán)向間距40 cm；第2排長25 m，環(huán)向間距20 cm；第3排長20 m，環(huán)向間距20 cm。

d）YK46+728—YK46+738段為塌方段（長10 m），塌方段初期支護(hù)采用28 cm厚C25噴射混凝土（內(nèi)設(shè)雙層E6鋼筋網(wǎng)片）+22b工字鋼拱架（縱向間距為0.5 m），系統(tǒng)錨桿為Φ25×5 mm（長4.5 m，縱橫間距0.5 m×1.0 m）。拱部120°范圍內(nèi)為系統(tǒng)小導(dǎo)管，小導(dǎo)管為Ф42×4 mm鋼管，長6.0 m，打設(shè)角度60°，環(huán)向間距80 cm，縱向間距1.0 m，與超前小導(dǎo)管錯開布置，二襯采用60 cm厚模筑鋼筋混凝土，主筋采用Φ25鋼筋，間距15 cm。增設(shè)超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，小導(dǎo)管為Ф42×4 mm鋼管，長5.0 m，環(huán)向間距40 cm，縱向排距為2.0 m。

e）塌方區(qū)域施工方法為拱部環(huán)形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于50 cm，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作，使得結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，二襯也應(yīng)在初支完成后及時(shí)施作。

f）YK46+738—YK46+748段為塌方過渡段（長10 m），初期支護(hù)采用28 cm厚C25噴射混凝土（內(nèi)設(shè)雙層E6鋼筋網(wǎng)片）+22b工字鋼拱架（縱向間距0.5 m），系統(tǒng)錨桿采用Φ25×5 mm先錨后灌式中空注漿錨桿（長4.5 m，縱橫間距0.5 m×1.0 m），二襯采用60 cm厚模筑鋼筋混凝土。

g）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地表觀測和洞內(nèi)監(jiān)測，加強(qiáng)對掌子面前方及隧道周邊（特別是隧道下部）采空區(qū)的超前預(yù)報(bào)。

h）頂部塌穴周邊設(shè)置臨時(shí)截水溝并用彩條布覆蓋，地表塌穴回填整平后采用噴混凝土封閉。采空區(qū)塌方處理示意圖如圖7所示。

圖7 采空區(qū)塌方處理示意圖

4 結(jié)語

在充分了解并跟蹤采空區(qū)和巷道的分布、埋深、規(guī)模大小、水流等情況下，通過對隧道內(nèi)采空區(qū)的處治實(shí)施，使隧道順利通過采空區(qū)段。目前穿越采空區(qū)地段的隧道工程日益增多，采空區(qū)地段情況復(fù)雜，處理方式多變，本文介紹的新嶺隧道穿越采空區(qū)處治方案，為類似路段隧道設(shè)計(jì)、施工提供了參考經(jīng)驗(yàn)。