隧道下伏采空區(qū)病害特征分析及治理措施研究

賈曉軍

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

山西省煤炭資源豐富，經(jīng)過多年的開采，已經(jīng)形成了3×105km2的采空區(qū)[1]。隨著高速公路的不斷發(fā)展和建設(shè)，高速公路隧道工程不可避免地要跨越或穿越采空區(qū)。由于隧道下伏采空區(qū)覆巖的不均勻沉降使隧道建成后易出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)破壞，隧道輪廓侵入界限，路面下沉，側(cè)溝排水不暢等病害。這些病害的發(fā)生不僅使隧道的養(yǎng)護(hù)和維修十分困難，也會(huì)影響高速公路的正常運(yùn)營，甚至危及行車安全。本文就以臺(tái)子山隧道為例，分析采空區(qū)對隧道穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上，探討其處治措施。

1 工程概況

臺(tái)子山隧道位于大同市南郊區(qū)鴉兒崖鄉(xiāng)胡家灣村、官窯村與上窩寨之間，由西至東穿越口泉山脈的臺(tái)子山隆起段。臺(tái)子山隧道于2003年4月開工，2004年9月建成通車運(yùn)營，該隧道為單洞雙向隧道，隧道凈高5 m，凈寬9 m。起止樁號為K1+765—K4+320，長2 555 m，最大埋深309.24 m，其中進(jìn)口明洞各為15 m。隧道底板下存在煤礦采空區(qū)，為減少采空區(qū)煤層的冒落、裂隙等對圍巖穩(wěn)定性的不利影響，同時(shí)為預(yù)防采空區(qū)引起的不均勻沉陷，引起隧道的變形，影響隧道的安全運(yùn)營，施工前首先對采空區(qū)進(jìn)行了注漿處理，同時(shí)增設(shè)了縱向受力鋼筋來加強(qiáng)隧道的整體剛度，在受采空影響范圍內(nèi)的圍巖二次襯砌中環(huán)向每隔50 cm設(shè)φ25的縱向鋼筋，縱向鋼筋每隔50 m一段。

2 隧道病害特征

臺(tái)子山隧道2007年5月發(fā)現(xiàn)襯砌出現(xiàn)裂隙，隨后裂隙寬度逐漸增大，同時(shí)電纜溝的蓋板也逐漸出現(xiàn)了反翹現(xiàn)象，到2008年9月，襯砌變形已經(jīng)發(fā)展到比較嚴(yán)重的程度，裂縫寬度一般為1～4 mm，洞壁變形嚴(yán)重段裂縫寬度可達(dá)5～10 mm，部分裂縫兩側(cè)不平整，有的錯(cuò)臺(tái)，嚴(yán)重段錯(cuò)臺(tái)達(dá)11 mm，電纜溝的蓋板反翹其相對高度達(dá)6～11 mm。隧道路面也不同程度地出現(xiàn)了下沉和裂縫。目前K2+115—K3+100段隧道襯砌裂縫較大，有的區(qū)域襯砌拱頂、拱腰及邊墻出現(xiàn)了混凝土剝落，目前該病害有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

表1 裂縫程度分布表

3 病害原因分析

隧道穿越的地層有侏羅系砂頁巖，山西組砂頁巖，太原組砂頁巖，本溪組砂頁巖、寒武、奧陶系灰?guī)r，在隧道頂上侏羅系7號、8號煤層在隧道上部賦存，厚度0.1～0.7 m，局部可采，其中8號煤距隧道頂板40～70 m；隧道進(jìn)口K1+765—K3+280段底板下存在11號、14號兩層煤層采空區(qū)，11號煤層在K2+542以西位于隧道以下，距隧道底板最大距離為20 m，K2+542—K2+596段隧道與煤層相交，K2+596以東位于隧道以上，距隧道頂板58 m，14號煤層位于隧道以下，距隧道底板最大距離40 m。經(jīng)過多年的開采，兩層煤的回采率平均為85%，而且14號煤層仍在自燃，根據(jù)有關(guān)資料及目前的自燃程度，剩余沉降變形值平均為45%。經(jīng)過勘察，14號煤層的火區(qū)已經(jīng)延伸到了隧道下伏煤層，隨著火區(qū)的延伸，14號煤層預(yù)留煤柱也發(fā)生了不同程度的自燃，由于14號煤層距離隧道底板最大不超過47 m，失去煤柱支撐的上部巖層受重力及外部壓力（車輛荷載的作用下）的共同作用，在豎直方向上逐漸產(chǎn)生拉伸變形，發(fā)生冒落，最終導(dǎo)致隧道病害的發(fā)生。

4 處治措施

針對該隧道病害采取的處治原則：處治后的隧道在運(yùn)營過程中，襯砌不再發(fā)生大的開裂，不產(chǎn)生破壞和影響公路工程正常使用的變形，保證隧道安全營運(yùn)。

4.1 襯砌裂縫加固措施

裂縫程度一般區(qū)域的采用掛網(wǎng)加固的處理方法，即對隧道襯砌安裝鋼筋網(wǎng)+錨桿，再噴射混凝土進(jìn)行加固；裂縫程度嚴(yán)重區(qū)域采用套拱加固即對隧道襯砌進(jìn)行套工字鋼，再噴射混凝土進(jìn)行加固。

4.2 采空區(qū)處治措施

臺(tái)子山隧道之所以出現(xiàn)病害，主要是由于受隧道底板下的采空區(qū)變形的影響，因此，進(jìn)行采空區(qū)處治是實(shí)現(xiàn)隧道病害根治的重要手段。

4.2.1 采空區(qū)處治設(shè)計(jì)方案

鑒于隧道下方采空區(qū)變形較大，故在施工時(shí)設(shè)計(jì)勘察鉆孔，以鉆孔的技術(shù)參數(shù)來確定采空區(qū)的變形情況。在隧道中線兩側(cè)15 m范圍內(nèi)進(jìn)行處治，即處治寬度為30 m。帷幕注漿孔的間距為10 m，布孔位置為隧道中線4 m處，傾斜角度為66.6°，孔深21.8 m，鉆孔的底部距離隧道中線為12.5 m；注漿孔的設(shè)計(jì)深度為地面至采空區(qū)底板以下0.5 m，注漿孔的注漿長度為采空區(qū)上部最完整基巖頂面以下6 m至采空區(qū)底板，孔口管長度為地表之上1 m至完整基巖以下6 m處的深度[2]。

4.2.2 注漿材料及配合比

a）帷幕注漿孔，采用“水泥+粉煤灰”，水固比為1∶1.0～1∶1.3。水泥占固相的30%～40%，粉煤灰占固相的60%～70%，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度要求大于0.9MPa。

b）注漿孔，采用素水泥漿，水∶水泥為0.6～1.0，在注漿的過程中，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度要求大于1.0 MPa。

在正式施工前，應(yīng)按施工時(shí)使用的水泥、粉煤灰，在實(shí)驗(yàn)室做漿液配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括每立方米干料含量、漿液濃度、最終凝固時(shí)間、結(jié)實(shí)率、試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等。

5 質(zhì)量檢測

5.1 襯砌裂縫加固效果的檢測

5.1.1 物探檢測

隧道工程具有隱蔽性，當(dāng)隧道工程施工完成后，混凝土強(qiáng)度、厚度以及鋼拱架的間距僅從外觀上采用目測、尺量等方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能對工程質(zhì)量進(jìn)行全面完整的評定，施工完成后，用地質(zhì)雷達(dá)和回彈儀對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。

5.1.2 鉆芯

根據(jù)需要可對襯砌進(jìn)行鉆芯，可以掌握噴射厚度，同時(shí)可用取芯試塊進(jìn)行強(qiáng)度測試。

5.2 采空區(qū)處治效果的檢測

依據(jù)山西省已建成的高速公路煤礦采空區(qū)處治工程的經(jīng)驗(yàn)，采用下列方法進(jìn)行工程質(zhì)量檢測。檢查孔：注漿施工結(jié)束6個(gè)月后，進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)。鑒于本工程處治的重要性，檢查孔設(shè)為6個(gè)，檢查孔深度為地面至采空區(qū)底板的深度。通過孔內(nèi)取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，并結(jié)合鉆探過程中循環(huán)液的漏失情況及孔壁的穩(wěn)定性等評價(jià)注漿質(zhì)量，巖芯在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)72 h后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。物探檢測法：對處治后的采空區(qū)采用孔內(nèi)波速測井技術(shù)，測定平均剪切波速，若波速大于160 m/s，則注漿質(zhì)量符合要求。

結(jié)合鉆探和物探資料，在全面分析研究資料的基礎(chǔ)上，確定注漿質(zhì)量是否合格，是否需補(bǔ)充注漿[2]，做出綜合評價(jià)。

6 結(jié)論

a）隧道主要病害為襯砌變形及路面下沉、裂隙。

b）臺(tái)子山隧道病害產(chǎn)生的主要原因是隧址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜且下伏多層不穩(wěn)定采空區(qū)。

c）為保證隧道安全運(yùn)營，針對臺(tái)子山隧道病害特征及成因，采用標(biāo)本兼治的方法進(jìn)行治理。襯砌裂縫主要采用安裝鋼筋網(wǎng)+錨桿，再噴射混凝土進(jìn)行加固；隧道下伏采空區(qū)采用注漿法進(jìn)行處治，并檢測其處置效果。