煤田采空區水工隧洞加固處理技術

□路玉萍 □路 明 □杜克勤（三門峽市槐扒黃河供水工程有限責任公司）

1.工程基本情況

某大型提水工程設計提水流量7m3/s，提水總揚程359m，隧洞軸線從某煤田穿過，隧洞圍巖主要為ⅠⅠⅠ～ⅠV類。輸水隧洞進出口樁號分別為3+564.03、11+032.41，全長7468.34 m，坡降1/1000，隧洞為城門洞型，C20素混凝土襯砌，凈寬2.8 m，凈高2.9m，其中直墻段高2.0m，隧洞上部覆蓋層厚度100m。

2008年夏，因某大型企業在隧洞底板下300m處回采隧洞預留保護煤柱，采煤厚度2～3m，寬度100m，形成采空區，造成整個山體沉陷變形。從而導致隧洞洞身沉降變形，長度達882m(9+344～10+226)，最大沉降量達130cm。設計坡度為1/1000的隧洞混凝土底板，現已變得松散、破碎、凹陷不平。為此，管理單位在2008年下半年對隧洞進行臨時支護（鋼拱架），但因不負嚴重的山體變形壓力，洞身混凝土已嚴重破裂，局部已經掉塊，隧洞隨時都有坍塌的可能。一旦隧洞坍塌，將導致供水中斷，危及當地居民生活和工業企業生產用水。

2.處理方案的比選

隧洞在2008年秋冬即基礎采空的第一年變形較快，最大沉降量達800mm,2009年最大沉降量達300mm,2010年最大沉降量達200 mm，2011年最大沉降量達100 mm，2012年最大沉降量達20mm，經過近5年的連續沉降，變形發展趨于相對穩定態勢。

結合隧洞沉降變化規律，輸水隧洞初擬3種處理方案，分別是原隧洞加固、隧洞重建、原隧洞加固與原線重建相結合。

2.1 原隧洞加固

在現狀9+566.75～10+414隧洞內架立間距為1.5 m格柵，防止襯砌混凝土及圍巖的塌落。對局部開裂嚴重的襯砌粘貼碳纖維布，抗裂防滲。對局部剝落、塌落的襯砌混凝土，提高整體強度。對該區間圍巖進行固結灌漿，形成承載圈。頂拱和側壁布設系統錨桿，提高圍巖的穩定性。

由于該區間隧洞襯砌破損嚴重，已嚴重影響到襯砌整體結構性能，局部修補不能保證襯砌的長期穩定。同時樁號9+826.6～10+206.4隧洞出現較大的沉降，采用加固措施不能恢復隧洞原設計過流能力。經計算，如僅采用以上加固措施，加固后隧洞的過流能力為1.71m3/s。

2.2 隧洞重建

重建可采用改線和原線兩種重建方案，改線重建是廢棄部分現有隧洞，開挖新的隧洞繞開采空區。由于隧洞周邊均為煤礦采空區，無處可繞，暫不考慮。

原線重建是將該洞段按先管棚支護，然后拆除原混凝土襯砌并擴挖，再通過錨噴和架立格柵形成支護，最后澆筑鋼筋混凝土襯砌及對周圍圍巖灌漿加固，使該段恢復原有設計輸水能力。

經比選，采用原線重建方案，既可保證原設計輸水能力，又能有效提高圍巖及襯砌結構的穩定性，確保輸水隧洞長期安全運行。

3.原線重建方案

參考類似工程處理經驗，設計采取兩方面措施，一是隧洞采空區地基灌漿處理，解決隧洞基礎整體沉降問題；二是對沉降破壞的隧洞襯砌結構進行拆除，重新襯砌，過水斷面保持原設計不變，以維持工程設計規模。

3.1 采空區地基處理。

采空區地基處理方案有井下和地面兩種充填措施。

3.1.1 井下充填措施

主要有水砂充填、風力充填、矸石自溜充填和帶狀充填。水砂充填是井下利用充填設備將水砂充填至采空區，河砂、山砂、卵石、碎石、井下矸石、粉煤灰等均可用作充填料。風力充填是指將地面充填材料通過垂直管道溜入井下儲料倉，然后由運輸機輸送到風力充填機，風力充填機利用風壓通過充填管道將充填材料送入采空區充填，風力充填效果不如設施充填，但對材料、設備要求較低。矸石自溜充填是指矸石在自重的作用下，沿煤層底板自溜充填采空區，這種方法減小地表變形效果不大。帶狀充填是指沿工作面方向每隔一定距離壘一個矸石帶來支撐頂板，構造面向前推進，矸石帶也隨之延長，此種方法應保證矸石帶有足夠的強度支撐上部覆巖。

3.1.2 地面充填方法

從地面對已沉陷的采空區冒落帶及斷裂帶進行大口徑灌漿并輔以骨料充填的處理方法。

結合礦區的實際情況，設計采用注漿法對黃李隧洞采空區地基進行加固處理。

注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設，根據同類工程的施工參數，設計排距20m，孔距15m，注漿順序為首先對邊界實施隔斷性帷幕注漿，以減少和阻止注入漿液的流失和浪費，然后對中間孔進行深層注漿施工。

根據采空區冒落帶、斷裂帶和彎曲帶的特性，從隧洞洞壁外20m按巖層移動角向下擴散至采空區底部，以此確定洞底采空區灌漿范圍。土層移動角采用45°、巖層移動角采用75°。經布置，采空區處理范圍為：處理長度1000m，處理寬度253.4m。鉆孔從地面開始鉆，鉆至采空區冒落帶煤層底板下1.5m以內終孔。

注漿材料采用42.5級普通硅酸鹽水泥和粉煤灰，按水：固=1：1，其中水泥：粉煤灰 =0.15：0.85，另為改善漿液流動性，提高注漿加固效果，在漿液中可根據實際情況加入平流劑等外加劑。

3.2 隧洞結構處理

隧洞結構擬拆除重襯，按先管棚支護，拆除原襯砌混凝土，再噴錨支護，最后襯砌鋼筋混凝土的順序施工。本次隧洞處理長度1000m。

3.2.1 支護設計

原混凝土襯砌拆除前，在隧洞拱部及兩側墻采用φ75 mm@500 mm大管棚超前支護，管長10 m，每9 m一環，環間搭接0.5m。拆除原襯砌混凝土,局部下沉塌陷部位按設計斷面擴挖。頂拱和側壁采用φ25系統錨桿支護，單根錨桿長3.0m，間距1.5m，梅花形布置，φ8@120mm×120mm鋼筋網全斷面封閉。架鋼支撐，每榀鋼支撐采用4根φ25鋼筋，中間采用φ12 mm箍筋焊接，寬150 mm。鋼支撐間距l.0 m，每榀鋼支撐間設φ28 mm聯系筋，噴C25混凝土厚150 mm。全斷面掛第二層φ8@120mm×120mm鋼筋網，再噴C25混凝土厚50mm。

3.2.2 襯砌結構設計

R2=2R1標準馬蹄形斷面設計，凈高與凈寬2.9m，為便于施工，側墻外緣采用垂直直線形。隧洞襯砌采用C25鋼筋混凝土，抗滲等級W4，厚度400mm。鋼筋采用HRB335級，雙層鋼筋，保護層厚度50mm，襯砌混凝土水灰比不宜＞0.5。

對10+002～10+186采空中心區、沉降量較大地段，隧洞混凝土襯砌分段長度為6m，施工縫縫寬為30 mm，以適應持續沉降變形；其余兩端采空影響帶，隧洞混凝土襯砌分段長度為9m，施工縫縫寬為20mm。為保證隧洞沉降后，過水斷面不減小，還在10+002～10+186采空中心區預留了沉降高度——對隧洞凈空高增加了150mm。

3.2.3 伸縮縫處理

橫向伸縮縫填充聚乙烯閉孔泡沫板，埋設E4652型橡膠止水，迎水面用聚硫密封膠封閉。反拱底板縱向伸縮縫埋設紫銅片止水（厚1mm）。止水內側（背水面）填充單層油毛氈，止水外側（迎水面）填充L-600低發泡塑料板。

3.2.4 混凝土與巖面之間的灌漿處理

為增強巖體的整體性和充填混凝土與圍巖之間縫隙，在支護、襯砌完成后，對洞身進行固結灌漿和回填灌漿。預埋灌漿管為50鋼管，壁厚3mm，灌漿孔直徑≥φ38。

回填灌漿范圍為頂拱120°以內，孔距和排距均為3.0 m，灌漿孔深入圍巖100mm。回填灌漿待混凝土強度達到70%設計強度后方可進行，灌漿壓力為0.2～0.3MPa。

固結灌漿范圍為隧洞采空區段全斷面，分兩序進行，灌漿孔沿洞身全斷面呈梅花狀布設，灌漿孔深入巖層3.0m，孔距1.5m，排距3.0m。固結灌漿待回填灌漿結束7-14d后進行，灌漿壓力為 0.2～0.3MPa。

回填灌漿和固結灌漿均從低向高進行，灌漿壓力和開灌水灰比根據現場試驗確定具體采用值。

3.2.5 排水孔

在頂拱設排水孔，左中右3排。孔排距3m，左右排水孔比拱腳高150mm。排水管采用預埋φ50PVC管，在地下水豐富的破碎、斷層、裂隙處排水孔適當加密。

4.投資估算

依據河南省豫水建[2006]52號文《河南省水利水電工程概預算定額及設計概（估）算編制規定》、《建筑工程概算定額》、《施工機械臺時費定額》及2010年第三季度信息價格，經計算本工程修復靜態總投資為11885.94萬元。其中采空區巖體加固工程投資（含材料價差）7110.01萬元，隧洞修復工程投資（含材料價差）2350.22萬元。