黃土坡隧道下伏采空區段施工與變形穩定性分析

姚 少 杰

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

0 引言

隧道下伏采空區會對支護結構的穩定性造成一定影響，尤其是埋深比較淺的采空區很容易造成隧道整體結構出現變形失穩。施工前，對隧道施工范圍內采空區進行有效治理，可有效提高隧道基礎承載力，避免或減少結構變形。省道汾屯線黃土坡隧道下伏采空區，埋深較淺，且隧道圍巖自穩能力較差。隧道開挖施工前制定方案對采空區進行注漿加固處理，在隧道開挖支護過程中開展監控量測，分析隧道圍巖及支護結構的變形情況，作為評價隧道變形穩定性的主要依據。

1 工程簡介

省道汾屯線黃土坡隧道設計全長1 160 m，起訖點里程為K91+430～K92+590。該隧道采用二級公路設計，為單洞雙車道雙向混合交通，洞內路面寬度為11 m，設計縱坡-1.5%，設計車速60 km/h。洞口淺埋段最小埋深為1.5 m，圍巖自穩能力差，屬較軟巖，巖體破碎，鉆探巖芯呈碎塊狀，無地下水，按照勘察結果確定隧道圍巖等級為Ⅴ級。隧道支護結構設計采用鋼拱架(20a工字鋼，縱向間距80 cm)+錨桿(3.5 m中空注漿錨桿+砂漿鎖腳錨桿)+鋼筋網(φ8盤條，200 mm×200 mm)+C25噴射混凝土支護。隧道K91+635～K91+661段下伏采空區，采空區走向與隧道走向夾角接近60°，寬度為1.5 m～3.4 m，高度約2.4 m，與隧道底部凈距約為8.5 m。采空區附近圍巖穩定性較差，較易發生變形失穩現象。

2 下伏采空區處治方案

為了良好控制隧道施工和運營過程中的變形，首先對隧道下伏采空區進行處治，以保證施工安全。經過現場勘查，隧道底部下伏采空區已經出現局部碎落，存在較大變形失穩的風險。結合勘查結果，通過數值計算后制定注漿加固方案。處治范圍為隧道底部和隧道兩側20 m，處治方法采用全充填壓力注漿法。在隧道中心線及中心線兩側分別布置3排注漿孔，注漿孔采用梅花形布置，最外側帷幕注漿孔間距為25 m，其他注漿孔間距為30 m。注漿順序是先進行帷幕孔注漿，再進行其他注漿孔注漿，施工順序為先周邊后中心，由低到高。注漿漿液濃度先稀后稠，稀漿量約占單孔總注漿量的30%。注漿水固比控制在1∶1～1∶1.5，水泥∶粉煤灰=20∶80，漿液凝固后強度不低于3 MPa，隧道底部漿液凝固后強度不低于5 MPa。帷幕注漿應選用較稠的漿液。注漿過程中嚴格控制水灰比和注漿壓力，如發現圍巖裂隙大量冒漿，應暫停注漿，待漿液凝固后再進行注漿。當注漿壓力達到1.0 MPa～1.5 MPa，穩定時間10 min～15 min，即可停止注漿。

3 下伏采空區段隧道圍巖變形穩定性分析

為了準確確定下伏采空區段隧道圍巖和支護結構變形情況，在施工過程中制定監控量測方案，分別對隧道監控量測必測項目和部分選測項目進行量測。文章選取拱頂下沉、周邊位移、圍巖底鼓變形、圍巖支護結構受力等項目的量測結果進行分析，作為確定隧道變形穩定性的主要依據。采空區路段監測間距為5 m，在K91+635～K91+661段布置測點開展監控量測。選取K91+650監測斷面作為研究對象，對隧道圍巖和支護結構變形情況進行監測，測點布置如圖1所示。

3.1 拱頂下沉量測結果分析

在K91+650監測斷面拱頂位置埋設測點，采用精密水準儀和銦鋼尺對隧道拱頂下沉情況進行量測，繪制拱頂下沉曲線如圖2所示。

分析圖2監測斷面拱頂下沉變化曲線，隧道開挖后一周內，該斷面圍巖變形量和變形速率較大，前3天變形速率接近2 mm/d，變形量較大。一周后拱頂下沉變形趨緩，15 d后基本趨于平穩，1個月后基本變形平穩，日平均變形速率不超過0.5 mm/d，累計變形量為25 mm。隧道拱頂下沉在開挖支護后一個月進入穩定階段，量測過程中沒有發現變形量或變形速率突然增大的趨勢。

3.2 周邊位移量測結果分析

分別在隧道拱部、邊墻位置布置測點，使用數據收斂儀進行量測，統計量測結果繪制周邊位移變化曲線如圖3所示。

分析圖3監測斷面周邊位移變化曲線，完工后一周內周邊位移變形量較大，接近2 mm/d。一周后周邊位移變形逐步降低，日平均變形速率不超過1 mm。開挖一個月后變形基本穩定，該監測斷面周邊位移總變形量為20 mm。經過一段時間的監測，該監測斷面周邊位移變形已基本穩定，說明支護結構可以保證隧道結構穩定。

3.3 圍巖底鼓變形量測結果分析

在隧道底部布置測點，對底鼓變形進行監測，收集監測數據繪制底鼓變化曲線如圖4所示。

分析圖4 K91+650監測斷面底鼓變化曲線，完工后一周內變形較大，最大變形速率達到2 mm/d。一周以后底鼓變形速率明顯下降，20 d以后變形基本趨于平穩。隧道底鼓變形主要分布在采空區區域，累積底鼓變形量為20 mm，變形量較小，對隧道結構的影響可以忽略。結合其他斷面監測數據，大多數監測斷面底鼓變形主要出現在開挖后一周內，個別監測斷面開挖3 d后基本沒有產生底鼓變形。說明采空區處理后有效提高了隧道底部圍巖的穩定性，隧道支護結構設計合理，有效控制了圍巖變形。

3.4 圍巖支護結構受力量測結果分析

分別在隧道拱頂、左右拱肩和左右起拱線位置布置測點，布置壓力盒和錨桿拉力計，對隧道圍巖應力和支護結構受力進行了監測，收集拱頂和拱肩數據繪制K91+650監測斷面錨桿拉力變化曲線如圖5所示。

分析圖5所示K91+650監測斷面錨桿拉力變化曲線，隧道左拱肩錨桿拉力最大值為12 kN，右拱肩錨桿最大拉力為13.2 kN，拱頂錨桿最大拉力為10.1 kN。錨桿所承受的拉力早期增加速度較快，各測點埋設2 d錨桿所承受的拉力開始變大，前9天錨桿所承受的拉力增加速度較快，平均變化速率約為1.2 kN/d。從第10天以后錨桿壓力增速開始變緩，平均變化速率為0.2 kN/d。監測25 d錨桿拉力變化基本趨于穩定，且沒有發現隧道圍巖或支護結構出現較大的變形，沒有出現應力集中現象，也沒有出現剪切破壞。

4 結語

結合下伏采空區隧道采空區處治與監控量測實踐，分析隧道監控量測結果，得出以下結論：

1)隧道拱頂下沉和周邊位移量測均在開挖后一周內變形量較大，一周以后變形逐步趨緩，一個月以后處于穩定狀態，且總變形量較小，未發現隧道支護結構出現變形破壞；

2)分析監測斷面底鼓變化曲線，得出一周內變形相對較大，后期逐步趨緩，20 d以后變形基本趨于穩定，隧道累積底鼓變形量較小對隧道結構影響較小，其他監測斷面底鼓變形均較小，個別斷面甚至沒有出現底鼓變形；

3)分析監測斷面錨桿拉力監測結果，隧道右拱肩錨桿軸力最大，為13.2 kN，且呈現開挖后早期錨桿拉力增速快，10 d后逐步變緩，監測25 d達到穩定狀態，沒有發現隧道圍巖或支護結構出現較大的變形、剪切破壞或應力集中現象。

總之，采空區處治后，有效提高了該區域隧道圍巖的穩定度，有效提高了隧道圍巖和支護結構的穩定性，隧道變形穩定性良好。