軌道交通采空區(qū)隧道施工難點(diǎn)及技術(shù)

溫元平

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)重慶有限公司，重慶 401331）

1 引言

隨著軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，在穿越高山林地、峽谷溪流時(shí)，常遇到隧道穿越采空區(qū)的情況，如何保障安全以及提高隧道施工質(zhì)量至關(guān)重要。 由于既有采空區(qū)隧道施工條件的特殊性，需要深入研究施工難點(diǎn)及施工技術(shù)，在安全的環(huán)境中順利完成既有采空區(qū)隧道的施工并保障后續(xù)運(yùn)營安全。 本文對施工難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹與分析。

2 工程概況

重慶軌道交通27 號線的璧山站—虎溪站區(qū)間工程，隧道左線起訖里程ZDK1+270~YDK4+246，長度2 957 m；隧道右線起訖里程YDK1+285~YDK4+250，長度2 946 m。 隧道為雙洞單線隧道，復(fù)合式襯砌，埋深4.8~248m，開挖高度9 160~12 190 mm， 開挖寬度7 820~11 670 mm， 共設(shè)置8 座聯(lián)絡(luò)通道，縱向最大坡度為2.5%。 隧址區(qū)礦產(chǎn)資源豐富且開采年代久遠(yuǎn)，隧道施工范圍內(nèi)存在諸多采空區(qū)，分布不規(guī)律，地質(zhì)條件差，隧道施工難度大。

3 采空區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 施工風(fēng)險(xiǎn)類型

采空區(qū)對隧道的危害與采空區(qū)巖層產(chǎn)狀、 采空區(qū)規(guī)模等因素有關(guān)，屬于多因素共同作用的結(jié)果[1]。 對于小煤窯采空區(qū)，其產(chǎn)生主要與個(gè)體或村集體開采有關(guān)， 此類采空區(qū)的開采規(guī)模較大，開采深度淺，隱蔽性強(qiáng)，且距今已經(jīng)有較長的時(shí)間，因此隧道勘察期間不易被發(fā)現(xiàn)，在隧道施工期間面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)。主要風(fēng)險(xiǎn)類型有以下幾方面。

3.1.1 大變形或塌方風(fēng)險(xiǎn)

受爆破振動及開挖擾動的影響， 位于隧道拱部一定距離或側(cè)向范圍的采空區(qū)內(nèi)的圍巖應(yīng)力重新分布， 形成愈發(fā)明顯的松動區(qū)和塑性區(qū)，地質(zhì)條件變差，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可能失穩(wěn)、變形，威脅隧道施工安全。

3.1.2 涌水和突泥風(fēng)險(xiǎn)

采空區(qū)分布無規(guī)律，各自的狀態(tài)不盡相同，部分采空區(qū)未塌陷，而部分采空區(qū)已存在明顯的塌陷，若隧道側(cè)向或頂部采空區(qū)積聚地下水，在隧道建設(shè)過程中可能引起涌水、突泥事故。

3.1.3 有害氣體積聚風(fēng)險(xiǎn)

采空區(qū)的有毒有害氣體包含二氧化碳、瓦斯等，若直接在有毒有害氣體含量較高的地區(qū)進(jìn)行隧道施工，揭穿采空區(qū)后，有毒有害氣體釋放從而威脅人員的人身安全。

3.1.4 隧道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)

隧道施工期間未妥善處理采空區(qū)時(shí)， 由于采空區(qū)的特殊性，隧道運(yùn)營過程中可能出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水等問題，影響隧道運(yùn)營安全。 尤其是采空區(qū)位于隧底以下位置時(shí)，可能因基底的不均勻沉降而影響路線縱坡的平順性， 還有可能誘發(fā)隧道開裂、變形等問題，存在諸多隧道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 施工風(fēng)險(xiǎn)分級

小型采空區(qū)主要集中在隧道拱頂上部地層， 在初步確定小型采空區(qū)的分布特點(diǎn)后，以圍巖塌落拱理論為指導(dǎo)，引入隧道荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，按照公式（1）計(jì)算隧道垂直等效荷載高度hq，根據(jù)計(jì)算高度劃分采空區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級。

式中，s 為圍巖級別；w 為寬度影響系數(shù)，w=1+i（B-5），其中B為隧道開挖跨度，m；i 為圍巖壓力增減率，當(dāng)B＜5 m 時(shí)i=0.2，B＞5 m 時(shí)i=0.1。

隧道圍巖等級為Ⅴ級，開挖寬度為12.07 m，根據(jù)公式（1）計(jì)算，得知圍巖垂直塌落拱的等效高度為12.5 m，出于安全考慮，取13 m。 若采空區(qū)底板與隧道拱部的距離超過13 m，則隧道受采空區(qū)的影響相對較小， 設(shè)計(jì)和施工按一般淺埋隧道Ⅴ級圍巖進(jìn)行即可。 若距離在13 m 以內(nèi)或隧道洞身穿越采空區(qū)，將施工風(fēng)險(xiǎn)劃分為3 級，再根據(jù)采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)等級采取針對性的處理措施[2]。

以隧道拱頂與采空區(qū)底板徑向距離h 為準(zhǔn)， 按照h 值的不同分如下3 種情況考慮。

1）低風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段：5 m＜h＜13 m，若地下水豐富，圍巖節(jié)理發(fā)育，掌子面自穩(wěn)性差，采空區(qū)積聚有毒有害氣體和地下水，施工條件較差，隧道施工時(shí)可能發(fā)生涌水、突泥、有毒有害氣體涌出等事故，但風(fēng)險(xiǎn)相對較小，在優(yōu)化施工工序以及采用科學(xué)可行的加固技術(shù)后，仍可安全地通過采空區(qū)。

2）高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段：2 m＜h＜5 m，若掌子面自穩(wěn)性差，圍巖富水軟弱，隧道施工時(shí)可能發(fā)生拱部涌水、突泥、拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、有毒有害氣體涌出等事故。 針對采空區(qū)隧道的特殊施工條件，加強(qiáng)超前支護(hù)，合理安排施工工序，根據(jù) “超前探、管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)” 的基本原則順利通過采空區(qū)。

3）極高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段：h＜2 m 或采空區(qū)已侵入隧道斷面上部時(shí)，在采空區(qū)隧道施工過程中極容易發(fā)生涌水、突泥、塌方、有毒有害氣體涌出等事故，需要考慮極高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段的特殊條件，制訂專項(xiàng)處治方案，從而安全通過采空區(qū)。

4 隧道穿越小型采空區(qū)的施工方法

4.1 基本施工流程

4.1.1 超前探測

每30 m 為一個(gè)循環(huán)，用地質(zhì)雷達(dá)超前探測各循環(huán)掌子面前方地層，探明地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采空區(qū)分布位置，根據(jù)超前探測結(jié)果確定潛在洞穴或圍巖較差地段掌子面前方及拱頂范圍，再采用鉆孔探測的方法詳細(xì)探測現(xiàn)場地質(zhì)條件。 鉆孔探測采用9 m 鉆桿，探孔沿拱弧線向外布置，環(huán)向間距3 m，縱向間距4.5 m， 與掌子面呈30°~45°的夾角， 每排集中于拱頂鉆探5處，呈傘狀布置。 經(jīng)過超前探測和鉆孔探測后，查明采空區(qū)的位置及地質(zhì)條件，以掌握的探測信息為參考，制訂采空區(qū)處治方案，保障隧道安全通過采空區(qū)。

4.1.2 采空區(qū)的處治措施

超前探測未發(fā)現(xiàn)洞穴時(shí)，按實(shí)際圍巖級別開挖支護(hù)，繼續(xù)進(jìn)行隧道的掘進(jìn)施工。 初期支護(hù)參數(shù)根據(jù)里程隧道埋深及其地表采空坑洞的分布情況而定， 可以考慮提高初支結(jié)構(gòu)抗變形剛度、調(diào)整鋼拱架間距等方法，經(jīng)過全面的支護(hù)后，維持拱頂采空區(qū)的穩(wěn)定性，不會由于隧道施工的擾動而導(dǎo)致局部坍塌。若超前探測結(jié)果顯示隧道拱頂分布采空區(qū)， 則需要確定分布位置，判斷采空區(qū)底板與隧道拱頂?shù)木嚯x，據(jù)此劃分施工風(fēng)險(xiǎn)等級，如低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)，再采取相應(yīng)的處治措施。

4.2 隧道穿越小型采空區(qū)的施工要點(diǎn)

4.2.1 超前注漿預(yù)加固

對于5 m＜h＜13 m 的低風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段，可采取超前注漿預(yù)加固處理措施。 超前支護(hù)采用的是長度為6 m 的φ42 cm×4 m 注漿管，呈梅花形布置，環(huán)向間距和縱向排距均為80 cm，同一排鋼花管自掌子面沿開挖方向呈傘狀布置， 布設(shè)在以隧道中心線為中心的120°范圍內(nèi)，與掌子面呈45°夾角，具體如圖1 所示。 鋼花管布設(shè)到位后，對拱部注漿，漿液固結(jié)從而形成穩(wěn)定可靠的帷幕注漿加強(qiáng)殼，可提升現(xiàn)場巖土體的穩(wěn)定性，營造良好的隧道開挖掘進(jìn)施工條件[3]。

圖1 超前注漿預(yù)加固示意圖

4.2.2 高低雙層注漿小導(dǎo)管加固

對于2 m＜h＜5 m 的高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段， 采用高低雙層注漿小導(dǎo)管加固技術(shù)。 以不同的插入角打設(shè)雙層超前小導(dǎo)管，結(jié)合鋼架掛網(wǎng)，噴射混凝土后固結(jié)成型。 小導(dǎo)管分層布置，第一層為長度9 m 的φ60 cm×4 m 注漿管，傾角10°~15°，環(huán)向間距為50 cm；第二層為長度4 m 的φ42 cm×4 m 注漿管，傾角30°～45°，環(huán)向間距50 cm，縱向排距2 m，與水平層小導(dǎo)管間隔布置，且均為斜向小導(dǎo)管。 經(jīng)由小導(dǎo)管注漿，漿液固結(jié)后可加固巖土體，以便隧道通過高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段。

4.2.3 初支頂部外側(cè)增設(shè)護(hù)拱

對于h＜2 m 的極高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段，或采空區(qū)已侵入隧道斷面上部的區(qū)段，可在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部外側(cè)增設(shè)護(hù)拱，強(qiáng)化支護(hù)效果。 施工要點(diǎn)為：清理采空區(qū)巷道圍巖體，避免現(xiàn)場存在松散的巖土塊；設(shè)置20b 工鋼拱架，間距控制在50 cm，拱架頂部設(shè)置雙層φ6.5 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)眼均為10 cm×10 cm；噴射C20 混凝土，厚度為60 cm；經(jīng)過初期支護(hù)且混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，在拱頂上部澆筑護(hù)拱，材料采用的是C25 混凝土，厚度控制在1 m，再設(shè)置厚度為1.5 m 的砂粒緩沖層[4]。 在初支頂部外側(cè)設(shè)置護(hù)拱時(shí)， 需要根據(jù)清空面積計(jì)算預(yù)埋鋼管的長度和布設(shè)間距，將鋼管穩(wěn)定置于初支結(jié)構(gòu)中，由此形成緩沖層與護(hù)拱的施工通道。 極高風(fēng)險(xiǎn)采空區(qū)段的加固方案如圖2 所示。

圖2 初支頂部外側(cè)增設(shè)護(hù)拱加固示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，由于以往煤礦資源的開采，產(chǎn)生諸多采空區(qū)，且在長期無序開采的生產(chǎn)模式下，小型采空區(qū)的數(shù)量多，分布位置錯(cuò)綜復(fù)雜，地質(zhì)條件特殊，若直接在采空區(qū)施工隧道，可能出現(xiàn)初支結(jié)構(gòu)變形、局部不均勻沉降、有毒有害氣體涌入等事故。 經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，將隧道上部采空區(qū)分為低風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級， 按照風(fēng)險(xiǎn)等級的不同采取針對性的處治措施，如超前注漿加固、高低雙層注漿小導(dǎo)管加固、初支頂部外側(cè)增設(shè)護(hù)拱，有效減小采空區(qū)對隧道施工的影響，在安全的環(huán)境中順利完成隧道施工，施工技術(shù)的應(yīng)用效果良好，對類似工程有參考價(jià)值。