太原西山隧道竖井采空区处治

刘喜春

(山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012)

1 工程概况

太原至古交高速公路起点位于太原西北环高速公路东社枢纽，经太原市万柏林区化客头乡、王封乡、古交市大南坪乡，到达终点古交市河口镇。本项目共有两座隧道，其中太原西山隧道全长13 680 m，为特长隧道。隧道长度位居亚洲第二长、山西第一长。该隧道是目前我国第一座由公路行业设计单位设计完成的最长公路隧道。本隧道考虑到隧道长度、施工期限、隧道通风、逃生救灾等情况，共设2座竖井和2座斜井，其中1号竖井位于隧道左线左侧45 m处，井深365 m，内轮廓7.9 m，地质围岩为Ⅲ级～Ⅳ级。

2 地质概况

太原西山隧道位于吕梁山脉东翼的石千峰山北麓，地貌特征属中低山区，地形复杂、山势陡峻，海拔高程介于888 m～1 385 m，相对高差497 m。地质条件复杂，隧址区山梁、山坡被第四系黄土覆盖，沟谷基岩裸露，隧道围岩以奥陶系中统上马家沟组中～厚层状石灰岩为主，产状平缓，倾角较小，断层、岩溶、采空区、煤层、瓦斯、涌水等不良地质共存。煤矿采空区主要分布在K4+600～K7+400段，对主洞无影响，1号斜井和1号竖井均穿越采空区，煤层为石炭系太原组(Ct3)8号、9号煤层，煤层厚2.4 m～3.6 m，为低瓦斯工区。隧道1号竖井穿越煤矿采空区埋深102 m，采厚2.3 m，采深采厚比44，一次采全高，回采率25%。竖井范围8号煤层采空区底板标高1 165 m～1 190 m。采空区有积水。采空区顶板岩性为厚层状石灰岩，底板为薄层泥岩。从采掘工程平面图上计算煤层产状为225°∠9°。

3 采空区处治

竖井采空区小窑采空区，回采率低，充水，采空区具有隐蔽性和复杂性，其变形特点具有持续性和突发性。处治除加固竖井围岩、阻隔采空区积水与竖井范围的水力联系外，考虑到浆液的凝固时间和工期因素，竖井范围采用纯水泥浆加2%～4%的速凝剂进行注浆充填处治。

采空区处治采用水泥与粉煤灰的重量比为2∶8的配比进行处治。采空区经处治后，采空区残余空洞和松散冒落物岩体得到充填和有效的加固，提高隧道围岩基本质量指标。同时，通过注浆，在竖井一定范围形成环形柱状水泥浆液结石体，隔断采空区积水涌入，有利于安全，便于施工。

3.1 处治标准

采空区注浆压力及充填率等采用如下参数:

1)注浆压力:竖井采空区处治终孔压力为 2.0 MPa～3.0 MPa。2)充填率:充填率为90%。3)结束时吸浆量:小于50 L/min，持续时间为10 min～15 min。4)浆液结石体强度:竖井采空区处治结石体无侧限抗压强度大于5 MPa。5)浆液中速凝剂用量不超过水泥重量的4%。6)浆液配比宜采用由稀到浓的次序，逐级采用水灰比1∶1.0～1∶1.8。

3.2 注浆孔设计

1号竖井采空区以竖井中心为圆心，半径15 m范围进行灌浆处治。环形布设，孔距10 m。采空区注浆孔的设计深度为地表至采空区底板以下1.0 m。孔口管采用φ=50 mm钢管。竖井考虑采空区充填加固为冒落带松散岩体，注浆管长度为地表至中～微风化的较厚灰岩，每百米孔斜不超过2°。

3.3 注浆材料及其质量要求

水泥为符合国家标准的32.5号普通硅酸盐水泥，粉煤灰需符合GB 1596用于水泥和混凝土中的粉煤灰国家Ⅲ级标准。速凝剂可选用水玻璃等。

3.4 浆液配合比

1号竖井采空区注浆采用纯水泥浆，浆液水固比根据现场试验确定。施工时视水泥浆的凝结情况，在浆液中掺速凝剂，含量为水泥重量的3%左右。

4 竖井结构设计

在采空区治理并达到设计强度要求的80%后，进行隧道竖井施工，并采用超前小导管和中空注浆锚杆进行补充注浆。预留变形量为10 cm～13 cm。采空区地段衬砌采用全封闭式瓦斯段衬砌，向不含采空区段延伸10 m～20 m。喷射混凝土和二次衬砌混凝土中须掺NF-B抗透气型防水剂，提高混凝土的密实性和抗渗性，以防瓦斯溢出。喷射混凝土的透气系数小于10-10cm/s。模筑混凝土透气系数小于10-11cm/s。水泥采用硅酸盐水泥;砂不得采用细砂，细度模数Mx≥2.7，含泥量不大于1%;石子最大粒径不大于40 mm，含泥量不大于1%，针片状颗粒含量不大于15%。防水板全环向铺设，施工缝处全环向设置膨胀型橡胶止水带。要求施工时必须做好瓦斯的探测工作，制定好瓦斯的稀释措施、防爆措施、紧急救援措施等。

5 工程实践情况

在竖井采空区处治后，设计强度达到设计要求后，开始对竖井进行开挖等施工。在竖井达到采空区顶部标高前20时，进行超前钻孔探测，发现无突涌水可能后，继续对竖井进行开挖和衬砌作业。当达到竖井采空区标高时，进行了超前小导管注浆，注浆采用φ42超前小导管，在进入采空区标高范围时，局部有少量出水，又进行了环向小导管注浆。处治后，采用波纹管对较小出水点进行引排处理。到目前为止，该工程无不良现象发生。通过工程实践表明，本文所述采空区治理方案是合理可行的。

6 结语

采空区会对工程产生不良影响，因此，选线时应尽量避免通过采空区。在勘测、设计中应对采空区的具体情况进行全面的勘察，根据采空区和隧道的相对关系采取可靠而有效的处治措施。我们应总结出适用于公路隧道的采空区处治方法及标准，并把其中成熟的经验纳入规范，以便指导今后公路隧道的施工;并逐步完善和提高隧道采空区的设计、施工技术水平，为保证结构的长期稳定安全提供保障。

［1］ JTG B01-2003，公路工程技术标准［S］.

［2］ JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.