隧道采空区的施工处理技术

盛明

(中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

1 采空区概况

新建铁路准格尔至东胜线虎石至准格尔召段公沟隧道洞身经过内蒙古满世忽吉图村煤矿与敖家沟煤矿的分界线处，隧道进口及进口端路堑大部分已经采空，开采的主要为3#煤，采空顶底板标高1316－1321m，采空区高度2.5－4m，开采方法为房柱式开采，留有不规则煤柱，据其特征将其归为现代小煤窑采空区，其中DⅡK45+422～DⅡK45+500段地面严重塌陷，岩体破碎，裂缝发育，塌陷间距一般3～5m，塌陷及裂缝走向主导方向为N40度。

2 采空区处理方案

该段采空区钻孔预注浆加固采取地面钻孔注浆相的方式，布置七排钻孔，最外缘两排为地面帷幕注浆孔，中间五排为地面填充注浆孔。

地面帷幕注浆孔偏离隧道中线15m，纵向间距为4m，为竖直钻孔。填充注浆孔以隧道中线为轴按梅花型对称布置，纵向间距均为4m，填充注浆钻孔均改为直孔。

该方案降低了施工难度，易于作业，避免了因隧道与采空区交叉施工造成的人员、机械设备的浪费，大大降低了成本;使注浆质量更好的得到保证，本隧道进口在进洞前要进行深路堑的开挖成型才能进洞，该方案使采空处理可以在路堑开挖和隧道进场前完成，使隧道开挖的安全系数得到了很大提高，总工程进度提前。

3 钻孔的施工

地面帷幕注浆孔20个，累计进尺1451.57m;填充注浆孔90个，累计进尺3648.12m;检查孔累计进尺461.46m;合计总进尺为5561.24m。

成孔工艺根据本采空区的特点，钻探施工情况为:

(1)地面帷幕注浆孔和填充注浆孔成孔。采用地质钻机－300型，配Φ130mm合金钻头(不取心钻头)开孔，钻至完整基岩4.5m后，下入Φ121mm×6mm热轧无缝钢管(孔口管)，换Φ108mm合金钻头(不取心钻头)钻进至设计孔深。

(2)检查孔成孔。地面帷幕注浆孔拟采用地质钻机－300型，配φ91mm合金取心钻头或复合片取心钻头开孔，取心钻进至设计孔深;填充注浆孔拟选用MK—5s型全液压钻机，配φ91mm合金取心钻头或复合片取心钻头开孔，在隧道内取心钻进至设计孔深。

4 注浆施工

4.1 注浆材料的配制

4.1.1 帷幕注浆原设计采用压注配合比为1:0.6－0.8 (水:粘土)，干料中水泥掺量为20%;填充注浆采用压注配合比为1:0.4－0.6(水固比)砂浆强度宜为M7.5，注浆过程发现空洞时，及时填灌细碎石和粗砂，边填边注浆，压浆过程发现注浆量很大，加水玻璃和氯化钙速凝剂，掺加量通过试验确定。

4.1.2 压注前应我们先通过模拟试验，对配比进行合理的调整，将压注配合比为0.8:0.4:0.5(水:水泥:粘土)，这样确保了灌注质量。28天结石强度应≥440kpa。注浆过程发现空洞时，填灌细碎石和粗砂，边填边注浆，压注浆液应加3%速凝剂，试验是用架子管搭起架子到一定高度，下方用与钻孔孔径相同的钢管，地面做一个与采空巷道类似的木箱，按设计配比注入浆液看其最终塌落、密实度和流动性，丈量其形成的回填体，计算钻孔间距和巷道大小，看其是否能填充完全，两个钻孔是否纯在间隙，理论见(3)。下位模拟图:

4.2 注浆参数

4.2.1 注浆压力

注浆压力提供浆液在岩体裂隙扩散、流动、渗透、挤压、劈裂等作用所需要的能量。实践表明，注浆压力愈大，浆液扩散范围愈大，结石体强度愈高，固结的岩体强度提高幅度愈大，注浆加固破碎岩体的效果愈好。但对于局部注浆加固的工程，过大的压力可能导致浆液扩散很远，造成浆液的大量浪费。注浆压力的选取没有统一的标准，工程中一般根据工程性质凭经验选取注浆压力。影响注浆压力选取的主要因素有地层深度、静水压力、岩体结构特性、裂隙和结构面大小、注浆材料及其性能、注浆方法和注浆工艺等。对于采动断裂带注浆加固，在注浆初期一般为孔口无压力注浆;在后期可施加一定的孔口压力以保证有效裂隙的充分充填、渗透，施加的孔口压力p

可按下式计算:

45p=0.02H(MPa)(4—3)

式中H为注浆段到地表的深度，m。

4.2.2 浆液扩散半径

浆液扩散半径是本论文研究的重点。浆液扩散半径影响注浆加固范围内岩体的密实性，在给定注浆孔间距条件下，浆液扩散半径越大，各注浆孔浆液扩散圈重叠范围越大，则岩体裂隙的充填密实度越好，注浆效果越好。扩散半径影响注浆孔布置和钻孔工程量，扩散半径大，注浆孔间距可增大，从而节省钻孔工程量及其工程费用;但注浆孔间距过大有时可能难以保证注浆质量，浆液扩散半径受岩体结构特性、裂隙方向、浆液粘度、注浆压力、注浆量、注浆孔直径、岩体非均匀性和各向异性等因素的影响。从实验的结果来看，影响浆液扩散半径最大的因素是注浆压力，其次是地层特征，浆液的性能对扩散半径影响相对较小。

4.2.3 注浆量

为了获得良好的注浆加固效果，必须注入足够的浆液量，确保浆液的有效扩散半径。

4.3 单孔注浆结束标准

(1)在每个注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当孔口压力在0.5～1.0PMa，注浆泵吸浆量小于70L/min稳定继续注浆10～15分钟的情况下，方可结束单孔注浆。

(2)当注入一定浆量，孔口压力＜0.3MPa，若出现地表裂隙大量跑浆时，即可结束该孔的注浆施工。

(3)对于单孔注浆量按该孔钻探资料预计注浆量小很多或注浆过程中突然起压的钻孔，应进行待机扫孔反复注浆的方式进行注浆，一直达到预计注浆量和单孔注浆结束标准后方可终止该孔注浆。

4.4 注浆技术要求

(1)每个孔在注浆前根据钻孔揭示的资料分析该孔可能遇到的注浆情况，如果是遇到煤柱，则适宜采用稀浆灌注，掉钻时则应准备好骨料(砂)，在注浆中若注浆量较大时应提高浆液浓度同时适当加入速凝剂并做好投放骨料(砂)的准备，或者采用间歇式注浆的方式进行注浆。

(2)对于一次连续注浆量超过1500m3的钻孔，宜采用间歇式注浆法进行注浆，间歇时间不小于8小时。

(3)根据设计要求，每孔注浆采用先稀后稠的浆液配比方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度

(4)注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，应采用间歇式注浆，或减小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。

(5)同一排上的注浆孔采用间隔跳跃或分三个次序注浆。同一次序的孔可以同时施工，不同次序的孔应按照规定的次序进行。

(6)注浆工作结束后，拆除孔口套管及止浆装置，用注浆的浆液将孔内的残浆全部置换或新鲜浆液，直至孔口地面进行封孔。

(7)做好注浆全部技术资料和基础数据的记录，包括浆孔深度、注浆压力、每段注浆导管的孔内长度及每段的注入浆量、终止压力、各段注浆或辅助工作起、止时间、浆液配比、单孔注浆量、间歇式重复注浆次数、终止注浆压力、泵量等，确保浆液质量和单孔注浆量的准确性。

(8)严格按规定进行注浆间歇，以实现设计意图、达到预期的注浆效果。

5 质量检查

质量检查分三期进行。

I期:全部浆液结石体28天后，钻质量检查孔取岩芯，评价空洞的填充是否达到质量标准要求的填充率不得小于75%，填充物28天的结石抗压强度≥0.44MPa，结实率 ＞90%。经检查注浆质量需达到设计要求。

Ⅱ期:采用注水试验，检查空洞填充率是否达到要求，经检查需达到设计要求。

Ⅲ期:主要进行沉降观测，在隧道内布置沉降观测桩，对运营前后进行观测，运营一年后的总沉降量为5mm，小于设计要求的10mm，符合要求。

6 总结

在此次隧道采空区施工中，进场前进行了施工方案的详细论证，从现场实际出发，考虑到施工难度、工程质量、安全风险、工程经济、工程进度等多方面因素，对原设计方案进行了优化，经过施工证实该方案经济合理、安全可靠，具有一定的推广价值。

［1］李锐.东都至平邑铁路下伏大型采空区处理整治技术.城市建设理论研究，2012(4)

［2］崔玖江，郭建国.铁山隧道采空区处理.石家庄铁道学院学报，1998(S1)

［3］张高青.大运公路介休至霍州段灵石隧道采空区处理技术研究.长安大学，2011(5)