贛南地區某鐵路隧道穿越復雜采空區地層綜合整治技術

江勝林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 工程背景

1.1 隧道出口段采空區分布狀況及工程地質概況

該隧道出口段同時位于區域復雜地質構造帶，導致地層極復雜。地層上部局部為采空區，分布有C1z粉砂巖、炭質頁巖夾煤層，巖質較軟，DK86+870～+998段為Q1dl+pl含礫粉質黏土，褐黃色、灰黃色，硬塑，具有弱膨脹性，厚20～37m，下伏C2h灰巖，巖溶發育。局部地段存在煤層，并可能存在瓦斯富集，圍巖級別為Ⅴ級，洞頂、洞身不穩定，洞口穩定性差，綜合工程地質條件差，設計和施工時應采取針對性措施，預防發生坍塌、冒頂及突水、突泥等事故。

1.2 施工情況

隧道自2011年2月從出口施工，首先進行明挖段(DK86+998～+960段)上臺階開挖及臨時邊仰坡開挖及防護，并施作管棚。2011年3月，因受連日降雨影響，飽和富水碎石土層穩定性急劇降低，導致出口已施作噴混凝土防護的邊仰坡出現大范圍垮塌，坡面防護及洞口長管棚毀損嚴重。在此情況下，參建各方研究后決定暫緩隧道進洞施工，對DK86+790～DK86+860段碎石土層及煤系地層采空區實施地表注漿加固處理，同時施作洞口錨固樁、護拱并補充施作洞口長管棚。

洞口地表注漿自2011年4月9日開始施工，共完成注漿鉆孔231個，鉆孔總深度7921.5米，其中已注漿孔128個，注滿漿液的孔數72個，未注滿漿液的孔數56個;注漿總體積1458.6立方米，水泥總用量1093.95噸，注漿數量偏大，難以實現設計要求的注漿效果。隨后對可能有采空區的地段內進行探灌結合地表鉆孔(Φ200mm)孔吹砂、注漿，但未找到明顯的采空區，吹砂量很少。因地表注漿效果不理想，洞口段施工基本陷入停頓狀態，隧道工期壓力增大。

2 隧道出口段主要難點問題及原因分析

2.1 出口段施工中出現的主要難點問題

(1)隧道洞口施工趕上雨季，位于富水碎石土層上的邊仰坡穩定性差，若不采取有效措施，臨時邊仰坡會進一步垮塌并極可能導致洞口山體失穩，將嚴重阻礙洞口段掘進施工。

(2)隧道出口采空區分布比設計推斷的情況更為復雜，碎石土層注漿效果不理想，主要表現為:注漿壓力難以達到設計要求;注漿量難以控制，部分鉆孔注漿量偏大且存在注不滿的情況;漿液流失快，注漿加固土體效果難以得到保證。

(3)出口段受制于注漿施工，其它工序難以有效開展，施工組織困難，未能形成有效的施工能力，工期滯后嚴重。

2.2 主要原因分析

(1)出口段地質條件復雜。根據隧道勘察地質資料及前期開挖揭示的情況，本隧道出口段(DK86+998～+750段)自出口向小里程方向可分為三個地質單元:

第一單元(DK86+998～+900段):洞身通過碎石土層，透水性強，雨季飽和富水，隧道底部下伏有灰巖，發育有串珠狀巖溶;

第二單元(DK86+900～+800段):洞身地層為粉砂巖夾炭質頁巖，并含有煤層，為采煤通道，分布有不規則的采空區;

第三單元(DK86+800～+750段):F4斷層及其影響帶，該斷層橫向正穿隧道洞身，地下水極其豐富。

實施地表注漿的地段為碎石土層，注漿主要問題是在部分鉆孔注漿壓力不大的情況下注漿量較大，漿液流失現象明顯。結合該段特殊的地形地質條件，其主要原因為:①碎石土層滲透性高，連日降雨使土體富水飽和，加劇了漿液流動擴散;②注漿區域直接與前方煤系地層采空區相連，現場調查發現采空區煤洞均有不同程度積水，洞內補水條件好，水流不斷。受此影響，漿液更有可能擴散流失。

3 隧道出口段綜合整治技術方案

鑒于出口段復雜的地質條件，根據施工揭示的情況，有必要進一步對有關設計施工技術措施進一步調整，確保施工安全順利，并形成有效的施工能力。

3.1 分地質單元采取針對性術措施

第一單元(DK86+998～+900段):洞身通過碎石土層，透水性強，雨季飽和富水，隧道底部下伏有灰巖，發育有串珠狀巖溶;該段采用地表注漿、基底巖溶注漿措施，暗洞地段采用錨固樁+護拱+長管棚聯合支護體系加固措施，明挖段采用噴錨網加固臨時邊坡。

第二單元(DK86+900～+800段):洞身地層為粉砂巖夾炭質頁巖，并含有煤層，為采煤通道，分布有不規則的采空區;該段施工前對采空區進行抽水回填，酌情采用注漿、吹沙、回填氣泡輕質土等回填措施，地表采用注漿加固隧道開挖土體及其上方一定范圍內的松散土體，系統錨桿采用注漿小導管，并加大預留變形量。洞內采用洞身長管棚預支護。

第三單元(DK86+800～+750段):F4斷層及其影響帶，該斷層橫向正穿隧道洞身，地下水極其豐富。該段施工采用洞身長管棚預支護，洞內采用5m超前預注漿，系統錨桿采用注漿小導管，并加大預留變形量。

3.2 對采空區煤洞進行抽水回填

施工中應仔細研究采空區資料，加強現場核對，同時采用進一步的勘探措施準確掌握采空區煤洞的數量、分布狀況，現場放樣標示，酌情采取處理措施，主要有:

(1)現場核查采空區煤洞位置，做好編號標示。對距離隧道中線100米范圍內的煤洞洞口，洞口施作一圈搞50cm的漿砌片石擋水圍壩，厚30cm。煤洞洞口布設抽水設施，力爭抽干洞內積水，雨季加強抽水，做好抽水記錄。

(2)除保留部分洞底標高較低的煤洞用作抽排水外，大部分煤洞應予以回填。距離隧道中線100m以外的煤洞，洞口采用土石回填密實;距離隧道中線50m以內的煤洞，一般采用回填氣泡輕質土(位于洞頂上方，且體積較大)、注漿回填(采空區體積小)或開挖后采用漿砌片石回填(采空區位于隧道下方)。采用氣泡輕質土回填時，預先鉆設φ200mm吹漿孔和φ100mm排氣孔(各兩根，與采空區相連)。根據調查的情況做好采空區處理施工方案，以有效指導下步施工。

3.3 地表注漿措施調整

做好采空區煤洞抽水回填后方可繼續進行地表注漿。施工中應做好注漿試驗，根據試驗結果調整注漿參數。注漿施工前，施工單位應提交完備的注漿方案，經各方確認后方可進行施工，嚴格控制注漿工程數量。對有關預設計的注漿措施調整如下:

(1)注漿孔間距為2m*2m，豎向注漿范圍為拱頂10m～下部采空區范圍內采用袖閥管分段注漿，橫向寬度為隧道量測9～10m。

(2)注漿壓力控制在0.5～0.8Mpa，注漿材料采用1:1水泥砂漿，當注漿壓力較低而注漿量較大時(單孔注漿量達到8～12m3，根據注漿長度選用)，可考慮采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿量異常時，應及時反饋并采取有效調整措施。

(3)注漿鉆孔時做好鉆孔記錄，并根據鉆孔突進等異常現象進一步判識采空區情況。

3.4 重新施作臨時邊坡防護，施作錨固樁+護拱+長管棚支護

對前期毀損的坡面防護進行必要的修整，并施做噴錨網防護。坡面采用L=3.5m、φ42鋼花管，間距2m*2m，交替注漿(不注漿鋼花管作為泄水孔)。

DK86+960和DK86+950處左右兩側各設置2.5m*2.5m錨固樁，錨固樁長約25m～30m，錨固樁之間采用鋼筋混凝土縱梁和橫梁連接(縱橫梁高1m)，其中DK86+960處兩側錨固樁通過厚1.5m護拱連接，護拱同時作為重新施作的φ159長管棚導向墻。錨固樁施作前其開挖輪廓線外1.5m處布置兩環注漿孔，孔間距1.5m*1.5m。錨固樁采用厚0.5m鋼筋混凝土護壁防護。

DK86+960處重新施作L=60m、φ159長管棚，環向間距為0.4m，長管棚應與護拱有效連接形成整體支護效果。

3.5 有序進行DK86+998～+960段明洞拉槽開挖，施作明洞襯砌

清理已開挖的明洞基坑內土石，疏排積水，完善溝槽等臨時排水設施，然后自出口里程處依次有序拉槽開挖明洞下臺階，施作臨時邊坡防護，同時根據“探灌結合”的原則對明洞基底以下20m范圍內的巖溶進行注漿加固。明暗分界處的明洞下臺階開挖必須在錨固樁、護拱施作完畢后方可進行，隨后施作該處明洞襯砌并回填土石。

3.6 施工技術要點

(1)施工中應加強地表及邊仰坡穩定的監控量測，如有異常，應及時提出以調整施工方案。

(2)地表注漿前應做好采空區及碎石土層降水工作，地表鉆孔和注漿應做好記錄，并根據施工情況及時調整注漿參數。

(3)采空區回填、地表注漿、施作錨固樁及洞口長管棚、明洞開挖及襯砌應有序進行，部分工作可錯開場地同步進行，在確保施工安全的前提形成有效施工能力，合理加快洞口施工進度，緩解本隧道工期壓力。

4 結語

(1)位于復雜地質構造中的煤系地層采空區會對隧道施工掘進和隧道結構造成嚴重不利影響，選線中應盡可能繞避煤層采空區;當隧道難以避開煤系地層采空區時，應采取有針對性的綜合整治措施，確保施工安全和隧道結構穩定。

(2)設計和施工中應盡可能探明采空區大小、位置、充填情況等采空區形態，并結合區域地質資料，采取安全可靠的綜合整治方案。主要的技術措施有:地表注漿、吹砂回填、洞內超前注漿、超前降水等措施。

(3)復雜條件下隧道洞口施工中應特別注意邊仰坡穩定，以防引起牽引式滑塌。小密隧道施工中采取了洞口錨固樁、護拱、橫梁及縱梁綜合支護結構，并與隨后施作的大管棚牢固連接，形成整體受力體系，確保了隧道施工開挖期間洞口山體穩定。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.贛龍鐵路擴能改造工程設計小密隧道施工圖［Z］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2011.

［2］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010:110-128.

［3］關寶樹.中軟弱圍巖隧道施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2011:56-68.