淺析下伏煤礦采空區隧道的設計

嚴廣藝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 橋隧處，陜西 西安 710043)

近年來，隨著我國公路、鐵路建設的迅猛發展，公路、鐵路網越來越密集，根據交通隧道相關規范要求，在線路選線過程中需繞避煤層采空區。本文以西安至平涼鐵路官牌隧道為背景，探討隧道下伏采空區的處理措施，供廣大隧道建設者借鑒。

1 工程概況

西平線官牌隧道起訖里程DK130+033—DK130+720，全長687 m。隧道洞身全為砂巖夾礫巖地層，巖性單一。隧道于里程范圍DK130+300—DK130+720通過ZF2801下溝煤礦采空區移動盆地影響地段。

下溝煤礦ZF2801工作面采空區采空埋深370 m，頂板巖層為砂巖夾泥巖，采空區幾何尺寸為矩形，長105 m，寬90 m，高約10.1 m，煤層傾向西北，傾角 ＜5°，2005年8月開始回采，2006年5月回采結束，留底煤1.5～2.0 m，割幫煤2.7 m，放頂煤5.4～5.9 m，采用長臂綜合機械化放頂煤(全部垮落法)。下溝煤礦采空區分布示意見圖1。西平鐵路通過煤礦采空區縱斷面示意見圖2。

圖1 下溝煤礦采空區分布示意

圖2 西平鐵路通過煤礦采空區工程地質縱斷面示意

2 采空區變形機理及危害

2.1 采空區變形機理

煤炭開采后必然伴隨著產生圍巖及地表移動和變形。由于煤層的開挖，在地下形成采空區，井巷周壁失去約束，其上部巖層失去支撐，巖體內原有天然平衡條件被破壞。井巷周邊應力將重新分布以達到新的平衡狀態，致使井巷頂板及側壁產生彎曲、塌落，以致發展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形成凹地。

2.2 采空區對隧道的危害

1)支護結構變形、失穩、甚至塌方。當采空區位于隧道基底以上時，由于其采空區范圍巖土物理力學指標較低，拱部壓力增大，易造成拱部支護沉降，變形大，甚至造成支護失穩，發生塌方;當采空區位于隧道側向時，由于側向壓力增大，易造成支護側向變形超限，發生側向坍塌或溜坍。

2)結構沉降危及運營安全。當采空區位于隧底以下時，會造成隧道結構沉降。有些采空區在施工過程中由于判斷偏差，且變形不明顯，施作二次襯砌后，在運營過程中由于動載反復作用，造成基底不均勻沉降，引起二次襯砌結構的變形、開裂，危及運營安全。

3)涌水、突泥。由于煤層開采，在采空區垮落帶、導水裂縫帶內積聚了大量地下水，形成水囊，施工中若揭穿，易發生突發性的涌水、突泥，危及施工安全。

4)采空區中易形成瓦斯集聚，發生瓦斯燃燒甚至爆炸。

5)若隧道存在地形偏壓，且底側存在采空區，由于采空區隨時間的累進破壞加之運營期間由于動載作用，易引起山體整體失穩。

3 下溝煤礦采空區穩定性評價

3.1 地表變形觀測

2005年10月開始至2009年6月，為了掌握地表變形情況，進行了地表變形監測工作。部分觀測成果詳見表1。B13觀測點沉降曲線如圖3。

表1 下溝煤礦地表變形觀測值

圖3 B13觀測點沉降曲線

根據下溝煤礦地表變形觀測值和B13點的時間—沉降曲線可以看出，2005年10月—2006年3月計5個月間地表變形較大，為40～137 mm;2006年3月—2007年8月間，變形逐漸變緩，平均每年為20～30 mm;2007年10月—2009年6月間，沉降速度更加緩慢，平均每年為15～20 mm。因此，可以得知下溝煤礦采空區的變形是一個緩慢的變形過程。

3.2 采空區變形情況分析

由于ZF2801工作面覆巖結構是上強下弱類型，上部白堊系地層，砂巖、礫巖的巖性比較堅硬，整體性強，而且寬度大，兩層累計厚度為110 m，成為控制地表下沉的關鍵層，由于工作面開采寬度不大，又有兩側煤柱支撐，因此，關鍵層不會產生破斷，只產生了輕微的彎曲，使地表不產生斷裂型下沉盆地，地表移動變形值較小。下溝 ZF2801工作面于2006年4月回采結束，至今已4年多，西平鐵路通過該段的路肩設計高程約為845 m，距采空區厚度約360 m，遠厚于導水裂隙帶高度，地表變形一般只產生彎曲沉落變形，巖層變形較輕，裂隙密閉，不連通，導水性差，巖體出現的變形是彎曲沉落變形，在地表主要的表現為沉降變形，而不會形成斷裂型下沉盆地，出現突然坍塌現象。

4 隧道加固方案

綜合上述，下溝煤礦采空區對隧道的影響及安全評價分析后認為，采空區、采空移動盆地影響范圍內隧道為鐵路單線隧道，采取了襯砌支護參數加強、預留凈空、對隧道底板加強、提高整體性等措施后，可以保障鐵路隧道的施工及運營安全。采用措施有:①在設計襯砌內輪廓的基礎上，拱墻預留50 cm變形補強凈空;②拱墻二次襯砌、仰拱采用厚60 cm鋼筋混凝土結構進行加強，仰拱與邊墻采用圓順連接，以減少應力集中;③隧道基礎設厚100 cm鋼筋混凝土底板，以提高整體性，減少不均勻沉降;④沿隧道縱向，每9 m設一道全斷面沉降縫，沉降縫貫通底板。

5 采空區隧道設計

5.1 選線

在線路選線階段，原則上隧道工程對采空區應進行繞避，勘察階段應查明煤層采空區的分布狀態，在分析煤礦采掘資料和調查訪問資料的基礎上，結合采空區地段的工點進行了勘察工作。此外，還應對采空區地表變形現象進行調查研究，及時了解采空區變形、破壞類型和特點，及時調整線路方案。

5.2 采空區勘察

當線路繞避采空區較困難或經濟技術比較后可通過時，在隧道勘察期間需對采空區工點進行詳細綜合勘探，查明采空區的埋深、采空范圍和分布特征，以及采空區與隧道的相互關系。具體工作有:①查明煤層的分布范圍，開采和停采時間，開采深度、厚度和開采方法，以及主巷位置、大小和塌落、支撐、回填、充水、瓦斯積聚情況等;②查明地表陷坑、裂縫的位置、形狀、大小、深度、延伸方向及其與采空區和地質構造的關系;③物探和鉆探驗證查明采空區的分布情況，以及與隧道相互空間關系，定性、定量地明確采空區對隧道的危害程度。

5.3 隧道設計

采空區隧道的設計應根據采空區詳勘資料及采空區對隧道危害等級的不同而采取針對性的處理措施，以確保隧道設計安全、經濟和合理。隧道施工應盡量減小開挖對采空區的擾動，嚴格控制支護結構的變形量，采用強大的支護及襯砌結構。

6 結語

西平線官牌隧道底板距下溝煤礦采空區距離較大，隧道下部白堊系地層，砂巖、礫巖的巖性比較堅硬，整體性強，根據地表變形監測及地質勘察結果顯示，采空巷道已基本坍塌，冒落帶高度一般20～60 m，導水裂隙帶高度一般在80～125 m之間，冒落帶巖體已多呈大塊狀，存在大小不等的空洞，結構不密實，后期可能存在繼續壓密的過程，但整體上不會出現突然的坍塌現象。因此，對隧道采取了預留補強空間，加強隧道支護等措施。

在隧道工程設計中，采空區隧道的設計應根據采空區詳勘資料及采空區對隧道的危害，采取針對性的處理措施。隧道施工應盡量減小開挖對采空區的擾動，嚴格控制支護結構的變形量，采用強大的支護及襯砌結構，并及時調整工程措施，遵循“短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、小變形、少擾動”的原則。

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