高速鐵路隧道穿越采空區(qū)處治措施探討

李濟(jì)良，吳 華，胡迪川，陳柯霖，羅棟林

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

截至2020年年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路隧道總長(zhǎng)約6 003 km[1]。在隧道工程日益增多的情況下，隧道工程面臨的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜，煤層采空區(qū)可視為一種不良地質(zhì)區(qū)域，在線路難以繞避該區(qū)域時(shí)[2]，穿越采空區(qū)會(huì)對(duì)工程施工及后期運(yùn)營(yíng)造成較大影響，故采空區(qū)處治問(wèn)題成為近年來(lái)隧道工程人員關(guān)注的主要問(wèn)題之一。

隧道工程穿越采空區(qū)主要有3種形式，不同形式對(duì)采空區(qū)的工程危害各不相同，具體如下：

(1) 下穿采空區(qū)，即隧道位于采空區(qū)以下，拱頂距采空區(qū)底板存在一定的距離。由于采空區(qū)存在冒落帶，帶內(nèi)分布塌落、破碎的巖塊以及未完全填充的空洞，圍巖自穩(wěn)能力較差。當(dāng)隧道拱頂與冒落帶距離較近時(shí)，會(huì)增加初支與二襯的垂直壓力，加大施工期間的冒頂與運(yùn)營(yíng)期間的結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)拱頂與冒落帶距離較遠(yuǎn)時(shí)，拱頂上方較厚的圍巖會(huì)形成壓力拱，可抵抗采空區(qū)的塌落與變形，可認(rèn)為隧道不受采空區(qū)的影響[3]。

(2) 正穿采空區(qū)，即隧道穿越采空區(qū)的冒落帶或裂隙帶。帶內(nèi)巖體裂隙極為發(fā)育且破碎，巖體強(qiáng)度低，圍巖自穩(wěn)能力差，易造成施工期間的塌方與大變形。同時(shí)，帶內(nèi)導(dǎo)水性較好，存在老窯積水問(wèn)題，隧道施工易發(fā)生涌水突泥，進(jìn)而危及施工安全[4]。

(3) 上跨采空區(qū)，即隧道穿越采空區(qū)的裂隙帶或彎曲帶。帶內(nèi)巖層由下而上發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的變形、下沉或其他移動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)波及地表，形成移動(dòng)盆地。處于移動(dòng)盆地內(nèi)的隧道在運(yùn)營(yíng)期間受到巖層不均勻沉降的影響，容易發(fā)生襯砌開(kāi)裂、變形等病害[5]，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。

1 采空區(qū)處治措施

針對(duì)穿越采空區(qū)的隧道，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的類型、規(guī)模、穩(wěn)定性及其與隧道的空間相互關(guān)系，選擇穿越采空區(qū)的相應(yīng)處治措施。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、開(kāi)采方式的多樣性以及勘測(cè)過(guò)程中收集資料的局限性等因素影響，勘測(cè)階段通過(guò)地表物探、鉆探、推測(cè)等手段得出的采空區(qū)地勘資料與工程實(shí)際相比可能出現(xiàn)較大差異。施工中應(yīng)根據(jù)施工流程，采用物探、鉆探及洞周探測(cè)相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，進(jìn)一步查明采空區(qū)的具體分布、規(guī)模以及采空區(qū)的充填、充水情況，采取與之相適應(yīng)的處治措施。

1.1 下穿采空區(qū)

首先根據(jù)隧道拱頂與采空區(qū)底板的距離，確定采空區(qū)對(duì)隧道工程的影響程度。朱勇[6]認(rèn)為采空區(qū)距隧道拱頂以上距離大于深埋隧道的垂直松弛壓力高度值時(shí),可考慮采空區(qū)對(duì)隧道無(wú)影響, 隧道可采取正常的工程措施下穿采空區(qū)。對(duì)于高速鐵路雙線合修隧道的斷面，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)的附錄D，可計(jì)算出其高度值約為15 m。

《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03—2011)[7]中，規(guī)定拱頂距離采空區(qū)底板大于3倍洞徑時(shí)，經(jīng)評(píng)判采空區(qū)對(duì)圍巖穩(wěn)定性無(wú)影響可不進(jìn)行處理。對(duì)于高速鐵路雙線合修隧道的斷面，可計(jì)算出該距離約為20 m。

隧道下穿采空區(qū)的處治措施流程如圖1所示。

綜上所述,針對(duì)免疫性不孕不育患者,促進(jìn)中西醫(yī)結(jié)合治療方法的應(yīng)用,其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用效果相對(duì)顯著,明顯優(yōu)于常規(guī)西藥方法的單獨(dú)使用效果。能夠有效提高免疫性抗體的轉(zhuǎn)陰率,值得推廣。

圖1 隧道下穿采空區(qū)的處治措施流程

經(jīng)比較，本研究取3倍洞徑以確定采空區(qū)的影響范圍。距離位于3倍洞徑范圍以內(nèi)的圍巖松弛變形較為嚴(yán)重，容易產(chǎn)生冒頂破壞，應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)，并對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固以改善圍巖性質(zhì)；距離1倍洞徑范圍以內(nèi)的圍巖冒頂風(fēng)險(xiǎn)極高，同時(shí)極易發(fā)生拱頂?shù)挠克荒鄦?wèn)題，故在加強(qiáng)超前支護(hù)并注漿改善圍巖的同時(shí)，還應(yīng)考慮泄水等處治措施。

1.2 正穿采空區(qū)

采空區(qū)位于隧道洞身開(kāi)挖輪廓范圍內(nèi)，隧道開(kāi)挖可揭示采空區(qū)的頂板或底板，應(yīng)根據(jù)所揭示的采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系，采取相應(yīng)的處治措施。開(kāi)挖前應(yīng)加強(qiáng)超前支護(hù)，采用超前周邊注漿或超前帷幕注漿，對(duì)富水型采空區(qū)還應(yīng)采用鉆孔排水等措施，確保施工安全后方可進(jìn)行開(kāi)挖并揭示采空區(qū)。

當(dāng)所揭示的采空區(qū)位于隧道拱部時(shí)，在隧道拱部施作混凝土護(hù)拱，護(hù)拱與隧道初期支護(hù)間加大預(yù)留變形量，并將加強(qiáng)支護(hù)的格柵鋼架打入護(hù)拱內(nèi)，有條件時(shí)應(yīng)在護(hù)拱上設(shè)中粗砂緩沖層。

當(dāng)采空區(qū)位于隧道邊墻時(shí)，在隧道襯砌邊墻側(cè)施作一定厚度的漿砌片石護(hù)墻；護(hù)墻外側(cè)存在空洞且有作業(yè)條件時(shí)，應(yīng)采用土石回填。

當(dāng)采空區(qū)位于隧道仰拱時(shí)，在仰拱開(kāi)挖后清除隧底采空區(qū)填充物，并采用混凝土回填，基礎(chǔ)嵌入底板以下基巖內(nèi)。隧道正穿采空區(qū)的處治措施流程如圖2所示。

圖2 隧道正穿采空區(qū)的處治措施流程

1.3 上跨采空區(qū)

當(dāng)隧道上跨采空區(qū)時(shí)，應(yīng)探明采空區(qū)的具體位置、巷道分布，以及空洞的形態(tài)、充填情況等信息，還應(yīng)分析采空區(qū)的移動(dòng)盆地影響范圍，以確定采空區(qū)的處治段落與處治措施。采空區(qū)處治方法可大致總結(jié)為注漿法、回填法與穿越(跨越)法。

注漿法是對(duì)裂隙帶內(nèi)破碎的圍巖及冒落帶內(nèi)垮落松散的巖石進(jìn)行注漿加固，并對(duì)冒落帶內(nèi)的局部小型空洞進(jìn)行注漿或混凝土填充，以增強(qiáng)隧底的圍巖穩(wěn)定性，減少不均勻沉降。鉆孔應(yīng)鉆至采空區(qū)的底板以下或移動(dòng)盆地邊界線以下，以保證注漿加固效果。但空洞或巷道連通性較好的采空區(qū)，漿液流失較快，注漿量與加固效果難以把控，故注漿法通常作為輔助措施，配合回填法或穿越法使用。

回填法主要適用于坍塌規(guī)模較小且具備人工進(jìn)入作業(yè)條件的采空區(qū)，其原理是對(duì)影響隧道基礎(chǔ)穩(wěn)定性的巷道和空洞采用漿砌片石或混凝土回填充滿，以防止裂隙帶與彎曲帶繼續(xù)沉降變形。巷道和空洞位于隧道基底以下5 m范圍內(nèi)時(shí)，可直接開(kāi)挖進(jìn)行揭示后再回填；位于5 m范圍外時(shí)，當(dāng)具備良好的通風(fēng)、人工安全作業(yè)及材料運(yùn)輸條件時(shí)，工作人員可在確保安全的情況下由采空區(qū)的巷道進(jìn)入作業(yè)，或在隧道開(kāi)挖后實(shí)施隧底人工挖井至回填段作業(yè)。

穿越法是指隧道采用樁板的結(jié)構(gòu)形式穿越或跨越采空區(qū)，鉆孔灌注樁的樁身穿過(guò)采空區(qū)與移動(dòng)盆地邊界，樁底位于穩(wěn)定的基巖內(nèi)。其原理是采用動(dòng)靜分離的理念，防止隧道基礎(chǔ)隨著采空區(qū)的變形發(fā)生不均勻沉降。為進(jìn)一步保證樁基的穩(wěn)定性，應(yīng)同時(shí)對(duì)隧底以下采空區(qū)進(jìn)行注漿處理。隧道上跨采空區(qū)的處治措施流程如圖3所示。

圖3 隧道上跨采空區(qū)的處治措施流程

1.4 其他措施

為保證隧道運(yùn)營(yíng)安全，應(yīng)適當(dāng)加大穿越采空區(qū)隧道的預(yù)留變形量，并預(yù)留一定的襯砌補(bǔ)強(qiáng)空間。為減少采空區(qū)不均勻沉降對(duì)隧道的影響，應(yīng)加密設(shè)置沉降縫。

采空區(qū)地段一般賦存瓦斯，部分采空區(qū)存在瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，施工期間還應(yīng)加強(qiáng)瓦斯探測(cè)、監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)，尤其是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行人工作業(yè)回填時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2019)的相關(guān)要求組織施工與管理，確保施工安全。

2 某高速鐵路隧道穿越采空區(qū)的處治措施

2.1 工程概況

川南城際鐵路自貢至宜賓段設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km/h，線路全長(zhǎng)約為75 km，其中共有10座隧道(總長(zhǎng)約為10 km)，均采用雙線合修。線路中位于宜賓市郊的某隧道，全長(zhǎng)約為1.7 km，受出口車站位置的限制，洞身難以繞避該處的采空區(qū)。隧道洞身穿越的主要巖層為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖，局部夾泥巖、煤層及煤線，該隧道為微瓦斯隧道。

隧道所處采空區(qū)為20世紀(jì)50年代底投入使用的煤場(chǎng)開(kāi)采而成，該煤場(chǎng)于20世紀(jì)80年代關(guān)閉。所處煤層為陡傾煤層，最大開(kāi)采深度位于隧底以下約28 m。采空區(qū)由隧底以下28 m傾斜向上延伸至隧道頂部，洞身主要穿越冒落帶與裂隙帶。洞身穿越采空區(qū)段落總長(zhǎng)約為250 m，但洞身有420 m位于地表移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)，采空區(qū)對(duì)隧道工程影響較大，隧道穿越采空區(qū)的縱斷面示意如圖4所示。

圖4 隧道穿越采空區(qū)的縱斷面示意(單位：m)

2.2 處治措施

由于該隧道所穿越的采空區(qū)背景年代久遠(yuǎn)，受勘察資料有限等因素影響，主要根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)的要求，對(duì)采空區(qū)處治措施按預(yù)設(shè)推進(jìn)。施工期間加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步探測(cè)采空區(qū)的具體情況，在隧道開(kāi)挖后應(yīng)對(duì)隧底進(jìn)行物探和鉆探，摸清隧底采空區(qū)的深度及范圍。根據(jù)探測(cè)到的采空區(qū)與隧道平面、空間位置關(guān)系以及采空區(qū)充填情況等，優(yōu)化調(diào)整處治措施：

(1) 對(duì)穿越采空區(qū)并位于移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)的420 m隧道，采用加強(qiáng)型鋼筋混凝土襯砌并考慮30 cm的補(bǔ)強(qiáng)空間，設(shè)置工字22型鋼鋼架，同時(shí)采用Φ76鋼管樁進(jìn)行隧底注漿加固與填充。對(duì)采空區(qū)范圍內(nèi)位于隧道拱部及洞身的段落采用中管棚超前支護(hù)，其余段落采用小導(dǎo)管超前支護(hù)。為進(jìn)一步確保隧道運(yùn)營(yíng)安全并減少不均勻沉降的影響，移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)的隧道按間距10 m設(shè)置變形縫。

(2) 該隧道洞身正穿采空區(qū)的段落已發(fā)生局部坍塌，且含有老窯積水。開(kāi)挖前進(jìn)行超前周邊注漿，在確保施工安全后進(jìn)行開(kāi)挖并揭示采空區(qū)。當(dāng)揭示的采空區(qū)位于隧道拱部時(shí)，在隧道拱部施作1 m 厚的C20混凝土回填，并將初支鋼架埋入回填體內(nèi)，有條件時(shí)在回填體上設(shè)中粗砂緩沖層，厚度為2 m。采空區(qū)位于隧道拱部時(shí)的工程處治措施示意如圖5所示。

圖5 采空區(qū)位于隧道拱部時(shí)的工程處治措施示意

當(dāng)揭示的采空區(qū)位于隧道邊墻時(shí)，在隧道襯砌邊墻側(cè)施作厚度為3 m的M10漿砌片石護(hù)墻。護(hù)墻外側(cè)存在空洞且有作業(yè)條件時(shí)，應(yīng)采用土石回填，回填厚度不小于3 m。當(dāng)揭示的采空區(qū)位于隧道仰拱時(shí)，在仰拱開(kāi)挖后清除隧底采空區(qū)的填充物，并采用C20混凝土回填，基礎(chǔ)嵌入底板以下基巖不小于50 cm。采空區(qū)位于隧道邊墻與仰拱時(shí)的工程處治措施示意如圖6所示。

圖6 采空區(qū)位于隧道邊墻與仰拱時(shí)的工程處治措施示意

(3) 部分采空區(qū)位于隧道洞身以下約28 m，采空區(qū)坍塌變形嚴(yán)重，工作人員難以進(jìn)入并進(jìn)行回填，故對(duì)影響段的110 m隧道采用樁板結(jié)構(gòu)跨越采空區(qū)。隧道開(kāi)挖施作初期支護(hù)后，先進(jìn)行隧底注漿，然后施作基底灌注樁，樁身伸入采煤巷道底板以下不小于 3 m，最后施作筏板與底板型襯砌。采空區(qū)位于隧底以下的工程處治措施示意如圖7所示。

圖7 采空區(qū)位于隧底以下的工程處治措施示意

(4) 該隧道為微瓦斯隧道，施工期間嚴(yán)格按照微瓦斯隧道處治標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工作業(yè)與管理，對(duì)施工中探測(cè)到的平均厚度大于0.3 m的煤層，應(yīng)開(kāi)展突出危險(xiǎn)預(yù)探測(cè)，確保無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)再進(jìn)行開(kāi)挖。施工完成后應(yīng)對(duì)隧道穿越采空區(qū)地段的隧底結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)整理、匯總和分析相關(guān)資料，確保隧道運(yùn)營(yíng)安全。

2.3 處治效果

該隧道目前已完全穿越采空區(qū)影響地段，現(xiàn)場(chǎng)揭示的采空區(qū)情況與原設(shè)計(jì)內(nèi)容基本相符。按研究出的處治措施對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處治，并對(duì)隧道的拱頂下沉、凈空變化等內(nèi)容進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。采空區(qū)段落隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在對(duì)采空區(qū)處治后，隧道變形迅速收斂，處治效果較好。

圖8 采空區(qū)段落隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)高速鐵路隧道穿越采空區(qū)時(shí)的處治要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，得出以下結(jié)論：

(1) 隧道下穿采空區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)拱頂與采空區(qū)底板的距離進(jìn)行采空區(qū)危害評(píng)價(jià)，并采用加強(qiáng)超前支護(hù)、加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的處治措施。

(2) 隧道正穿采空區(qū)時(shí)，在加強(qiáng)支護(hù)的基礎(chǔ)上，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行超前注漿以防老窯突水等問(wèn)題。

(3) 隧道上跨采空區(qū)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)整個(gè)采空區(qū)移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)的基礎(chǔ)處理，基地注漿、設(shè)樁跨越等均為較有效的處治方式。

(4) 由于采空區(qū)的移動(dòng)是一個(gè)極為緩慢且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)程，故在施工完成后應(yīng)加強(qiáng)穿越采空區(qū)地段的隧道基礎(chǔ)沉降和變形監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)處治措施。