段家堡隧道穿越煤礦采空區處治方法

常 煒 袁名旺

(中交二公局三公司，陜西 西安 710016)

0 引言

隨著國民經濟的高速發展，交通事業突飛猛進，高速公路建設里程不斷攀升，高速公路隧道不斷增多，隧道穿越不良地質數量不斷加劇，在云南、貴州隧道穿越巖溶地區，在陜西、山西等省隧道穿越煤礦采空區不可避免。由于巖溶與采空區的存在給施工帶來極高的施工風險，施工過程中處理不當給高速公路運營造成安全隱患，隧道建成后將出現襯砌結構破壞，隧道輪廓侵入界限，路面下沉，造成路線縱斷面不順暢，側溝排水不順，一旦發生病害將危及行車安全，影響高速公路的正常運營，同時隧道的養護工作和維修都將十分困難。當隧道必須穿越熔巖或采空區時，在隧道施工前或施工過程中必須采取有效措施謹慎處理以確保隧道施工過程中的安全以及隧道建成后運營安全。

1 隧道及采空區設計概況

1.1 隧道概況

段家堡隧道位于山西省西北部云中山北側山系南妥山基巖山區內，隧道穿越的南妥山總體走向呈東西向，隧道與山體走向垂直相交，隧道頂地形起伏不大，進口端為基巖陡崖，出口端為順層斜坡。隧道進出口皆為沖溝，進口端為蘆河，河內常年有水，出口端為碗架板溝，溝內常年有水，水量較小，流至蘆河。左線起訖樁號為ZK20+175～ZK21+794長度1 619 m，右線起訖樁號為K20+168～K21+785長度1 617 m，隧道主洞為雙行單洞斷面，凈寬10.25 m，限高5 m，兩側設檢修道，內輪廓采用三心圓，緊急停車帶凈寬13.0 m，兩側設檢修道，采用五心圓。地質構造隧道位于山西省西北部原平市紅池—碗架板村一帶，地質構造復雜，路線穿越的構造單元為呂梁—太行之斷塊寧武—靜樂塊城西北部的寧武—靜樂向斜西北翼，罅沱河新裂陷西北部，構造主體呈北東—南西向，地層產狀一般為335°～350°∠8°～25°。工程地質特征總體評價，本隧道圍巖巖性較為復雜，巖體完整性總體較差，煤礦采空區對煤系地層影響較為嚴重。

1.2 采空區設計概況

該煤礦影響路線采空區分布于路線里程樁號右線為K21+118～K21+728長度為610 m，左線為ZK21+133～ZK21+764長度631 m，路線影響范圍內工作面開采時間為2003年，開采2號、5號煤層。2號煤層采厚3.1 m，5號煤層厚度2.4 m，局部開采。6號煤層厚度為1.4 m，未開采。巷道式開采，回采率30%，煤層產狀320°∠8°～20°，采深采厚比0～51。該煤礦地表未見塌陷和裂縫。K21+118～K21+415(左線ZK21+133～ZK21+430)段為2號、5號雙層采空區，右線2號、5號煤層采空區底板位于地表埋深86 m～171 m之間。

1.3 采空區設計處理方法

該隧道采空區設計采用全充填注漿法進行處治，在采空區地表施工鉆孔，鉆孔深度達到煤層采空底板，將注漿管密封在煤礦采空區上覆巖層中，采用泥漿泵，將漿液注入煤礦采空塌陷區和其上覆的巖層裂隙帶，漿液的結石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形，從而達到治理采空區的目的。

漿液配合比設計，根據工程經驗，設計確定注漿漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比為1∶1.5～1∶1.0。水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%。帷幕孔根據具體情況，采用較稠的漿液或在漿液中摻入水泥重量的2%的速凝劑，使注入采空區漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止漿液流失。圍護帶寬度：隧道B值取20 m；注漿材料∶水泥、粉煤灰固相比3∶7；注漿壓力∶終孔壓力為2 MPa～3 MPa；充填率：隧道充填率為90%～95%。

前期業主單位組織專業的施工注漿施工單位從隧道的出口端修建施工便道，進場施工機械、施工材料到煤礦采空區對應位置的山頂上進行打孔注漿。

2 隧道施工過程中對采空區的處治措施

2.1 采空區位置及規模

段家堡隧道由出口端掘進方向兩次發現四處采空區。第一次在右線K21+345.8，左線ZK21+345位置，第二次在右線K21+214，左線ZK21+225位置采空區。在開挖過程中發現掌子面前方有空洞，采用10 m長的鋼筋未能探到底，立即停止掌子面掘進，項目根據上級有關單位意見制定措施探明采空區位置及規模，在隧道的左右線各開挖一條探洞，發現掌子面前方及下方均為煤層采空區，高度2.2 m～3.1 m，隧道兩側及底部均為空腔，在小樁號前方10 m大范圍內隧道頂部于兩側均為空腔，空腔內有多處坍塌，左洞中線偏右位置巖體有錯動現象，腔內有采煤尾礦堆積。

2.2 對采空區的技術處理措施

采空區與設計圖紙相符屬于隧道穿越傾斜中厚煤層采空區，采空區位于隧道斷面內的底部、兩側及頂部，針對采空區空腔位于隧道不同部位分別處理。

對于整個采空區域，在隧道拱部設管棚，管棚采用φ89 mm長20 m的鋼管，縱向間距40 cm，管內壓注水泥—水玻璃漿，管內注漿參數水泥漿的水灰比為0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其與水泥漿體積比為0.4∶1。兩組管棚間末端搭接長度不小于100 cm。采用雙層拱架支護，采用Ⅰ18工字鋼，間距75 cm拱架與采用Ⅰ20a工字鋼，間距50 cm，拱架交錯布置；系統錨桿采用φ25中空注漿錨桿，長度350 cm，間距80 cm×50 cm；采用雙層鋼筋網，網眼間距20 cm×20 cm，噴C25早強混凝土25 cm；二次襯砌采用模筑C25鋼筋混凝土60 cm。

對于隧道底板空腔，隧道兩側開挖邊界外10 m范圍對于底板覆土厚度小于3 m的進行明挖，采用C15片石混凝土回填至仰拱底，對于覆土厚度大于3 m位置，在隧道底板范圍內垂直打設80 cm×80 cm,梅花形布置φ50mm孔深以3.5 m～20 m打到空腔底部1 m以下。首先在20 m位置以50 cm間距打入三排注漿花管，在拱腳位置以50 cm間距以外插角15°打入三排注漿管，管內壓注水泥—水玻璃漿，管內注漿參數水泥漿的水灰比為0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其與水泥漿體積比為0.4∶1。然后對隧道其他孔位壓注水泥—水玻璃漿。然后按照加強仰拱通過，仰拱厚60 cm。

對于隧道邊墻兩側空腔，在隧道襯砌兩側10 m范圍塌落部分采用φ50注漿管加固，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，注漿管長度10 m～15 m，隧道邊墻兩側空腔采用C15泵送混凝土回填。

對位于隧道拱部上方0 m～4 m的空腔,采用異形鋼拱架支撐，拱架采用Ⅰ18工字鋼，工字鋼間距20 cm，工字鋼之間采用Φ22鋼筋連接，鋼筋環向間距10 cm，在工字鋼與長管棚初襯之間采用預埋管壓注聚乙烯泡沫輕質混凝土材料，在拱部一定范圍預埋泵送混凝土管，泵送1 m厚C25混凝土。

2.3 對采空區的安全處理措施

針對采空區施工采取了多項安全措施，有效防范施工過程安全風險：1)針對采空區施工對施工管理人員以及作業人員進行安全教育及技術培訓，掌握煤礦采空區施工安全防護技術，爆破、電工、瓦斯檢測等特種作業人員持證上崗。2)施工過程中加強瓦斯監測，隧道技術人員、各作業隊負責人均配備便攜式瓦斯檢測儀，隨時對洞內瓦斯含量進行跟蹤檢測，瓦斯檢測專職人員配備便攜式瓦斯報警儀及四合一氣體檢測儀，對整個隧道的瓦斯等有毒有害氣體進行全面監控。3)加強洞內通風，施工期間保持隧道持續通風。4)杜絕煙火進洞。5)洞內設備均采用防爆型電氣設備，采用雙回路直供電源，在洞口設置避雷裝置，采用煤礦許用雷管炸藥。6)加強地質預報，對潛在的地質隱患進行預報，采用地質雷達和鉆探以及挖探的方法摸清采空區的具體位置、規模、走向，為制定施工措施方案提供參考。

3 段家堡采空區處理效果

通過項目部以及第三檢測數據顯示，段家堡隧道采空區段落拱頂沉降、周邊收斂以及底板沉降均在合理范圍內，檢測數據在一定時間內逐漸收斂，曲線趨于平緩穩定。在交工驗收以及運營中未曾出現質量安全問題。

4 結語

段家堡隧道在施工過程中處理煤礦采空區從技術措施、安全管理方面進行了科學的謀劃，施工過程精心組織，施工安全質量達到預期效果，為今后隧道穿越類似采空區以及溶洞提供了一定的參考。