赣南地区某铁路隧道穿越复杂采空区地层综合整治技术

2013-08-15江胜林

河南科技 2013年10期

江胜林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 工程背景

1.1 隧道出口段采空区分布状况及工程地质概况

该隧道出口段同时位于区域复杂地质构造带，导致地层极复杂。地层上部局部为采空区，分布有C1z粉砂岩、炭质页岩夹煤层，岩质较软，DK86+870～+998段为Q1dl+pl含砾粉质黏土，褐黄色、灰黄色，硬塑，具有弱膨胀性，厚20～37m，下伏C2h灰岩，岩溶发育。局部地段存在煤层，并可能存在瓦斯富集，围岩级别为Ⅴ级，洞顶、洞身不稳定，洞口稳定性差，综合工程地质条件差，设计和施工时应采取针对性措施，预防发生坍塌、冒顶及突水、突泥等事故。

1.2 施工情况

隧道自2011年2月从出口施工，首先进行明挖段(DK86+998～+960段)上台阶开挖及临时边仰坡开挖及防护，并施作管棚。2011年3月，因受连日降雨影响，饱和富水碎石土层稳定性急剧降低，导致出口已施作喷混凝土防护的边仰坡出现大范围垮塌，坡面防护及洞口长管棚毁损严重。在此情况下，参建各方研究后决定暂缓隧道进洞施工，对DK86+790～DK86+860段碎石土层及煤系地层采空区实施地表注浆加固处理，同时施作洞口锚固桩、护拱并补充施作洞口长管棚。

洞口地表注浆自2011年4月9日开始施工，共完成注浆钻孔231个，钻孔总深度7921.5米，其中已注浆孔128个，注满浆液的孔数72个，未注满浆液的孔数56个;注浆总体积1458.6立方米，水泥总用量1093.95吨，注浆数量偏大，难以实现设计要求的注浆效果。随后对可能有采空区的地段内进行探灌结合地表钻孔(Φ200mm)孔吹砂、注浆，但未找到明显的采空区，吹砂量很少。因地表注浆效果不理想，洞口段施工基本陷入停顿状态，隧道工期压力增大。

2 隧道出口段主要难点问题及原因分析

2.1 出口段施工中出现的主要难点问题

(1)隧道洞口施工赶上雨季，位于富水碎石土层上的边仰坡稳定性差，若不采取有效措施，临时边仰坡会进一步垮塌并极可能导致洞口山体失稳，将严重阻碍洞口段掘进施工。

(2)隧道出口采空区分布比设计推断的情况更为复杂，碎石土层注浆效果不理想，主要表现为:注浆压力难以达到设计要求;注浆量难以控制，部分钻孔注浆量偏大且存在注不满的情况;浆液流失快，注浆加固土体效果难以得到保证。

(3)出口段受制于注浆施工，其它工序难以有效开展，施工组织困难，未能形成有效的施工能力，工期滞后严重。

2.2 主要原因分析

(1)出口段地质条件复杂。根据隧道勘察地质资料及前期开挖揭示的情况，本隧道出口段(DK86+998～+750段)自出口向小里程方向可分为三个地质单元:

第一单元(DK86+998～+900段):洞身通过碎石土层，透水性强，雨季饱和富水，隧道底部下伏有灰岩，发育有串珠状岩溶;

第二单元(DK86+900～+800段):洞身地层为粉砂岩夹炭质页岩，并含有煤层，为采煤通道，分布有不规则的采空区;

第三单元(DK86+800～+750段):F4断层及其影响带，该断层横向正穿隧道洞身，地下水极其丰富。

实施地表注浆的地段为碎石土层，注浆主要问题是在部分钻孔注浆压力不大的情况下注浆量较大，浆液流失现象明显。结合该段特殊的地形地质条件，其主要原因为:①碎石土层渗透性高，连日降雨使土体富水饱和，加剧了浆液流动扩散;②注浆区域直接与前方煤系地层采空区相连，现场调查发现采空区煤洞均有不同程度积水，洞内补水条件好，水流不断。受此影响，浆液更有可能扩散流失。

3 隧道出口段综合整治技术方案

鉴于出口段复杂的地质条件，根据施工揭示的情况，有必要进一步对有关设计施工技术措施进一步调整，确保施工安全顺利，并形成有效的施工能力。

3.1 分地质单元采取针对性术措施

第一单元(DK86+998～+900段):洞身通过碎石土层，透水性强，雨季饱和富水，隧道底部下伏有灰岩，发育有串珠状岩溶;该段采用地表注浆、基底岩溶注浆措施，暗洞地段采用锚固桩+护拱+长管棚联合支护体系加固措施，明挖段采用喷锚网加固临时边坡。

第二单元(DK86+900～+800段):洞身地层为粉砂岩夹炭质页岩，并含有煤层，为采煤通道，分布有不规则的采空区;该段施工前对采空区进行抽水回填，酌情采用注浆、吹沙、回填气泡轻质土等回填措施，地表采用注浆加固隧道开挖土体及其上方一定范围内的松散土体，系统锚杆采用注浆小导管，并加大预留变形量。洞内采用洞身长管棚预支护。

第三单元(DK86+800～+750段):F4断层及其影响带，该断层横向正穿隧道洞身，地下水极其丰富。该段施工采用洞身长管棚预支护，洞内采用5m超前预注浆，系统锚杆采用注浆小导管，并加大预留变形量。

3.2 对采空区煤洞进行抽水回填

施工中应仔细研究采空区资料，加强现场核对，同时采用进一步的勘探措施准确掌握采空区煤洞的数量、分布状况，现场放样标示，酌情采取处理措施，主要有:

(1)现场核查采空区煤洞位置，做好编号标示。对距离隧道中线100米范围内的煤洞洞口，洞口施作一圈搞50cm的浆砌片石挡水围坝，厚30cm。煤洞洞口布设抽水设施，力争抽干洞内积水，雨季加强抽水，做好抽水记录。

(2)除保留部分洞底标高较低的煤洞用作抽排水外，大部分煤洞应予以回填。距离隧道中线100m以外的煤洞，洞口采用土石回填密实;距离隧道中线50m以内的煤洞，一般采用回填气泡轻质土(位于洞顶上方，且体积较大)、注浆回填(采空区体积小)或开挖后采用浆砌片石回填(采空区位于隧道下方)。采用气泡轻质土回填时，预先钻设φ200mm吹浆孔和φ100mm排气孔(各两根，与采空区相连)。根据调查的情况做好采空区处理施工方案，以有效指导下步施工。

3.3 地表注浆措施调整

做好采空区煤洞抽水回填后方可继续进行地表注浆。施工中应做好注浆试验，根据试验结果调整注浆参数。注浆施工前，施工单位应提交完备的注浆方案，经各方确认后方可进行施工，严格控制注浆工程数量。对有关预设计的注浆措施调整如下:

(1)注浆孔间距为2m*2m，竖向注浆范围为拱顶10m～下部采空区范围内采用袖阀管分段注浆，横向宽度为隧道量测9～10m。

(2)注浆压力控制在0.5～0.8Mpa，注浆材料采用1:1水泥砂浆，当注浆压力较低而注浆量较大时(单孔注浆量达到8～12m3，根据注浆长度选用)，可考虑采用水泥-水玻璃双液浆。注浆量异常时，应及时反馈并采取有效调整措施。

(3)注浆钻孔时做好钻孔记录，并根据钻孔突进等异常现象进一步判识采空区情况。

3.4 重新施作临时边坡防护，施作锚固桩+护拱+长管棚支护

对前期毁损的坡面防护进行必要的修整，并施做喷锚网防护。坡面采用L=3.5m、φ42钢花管，间距2m*2m，交替注浆(不注浆钢花管作为泄水孔)。

DK86+960和DK86+950处左右两侧各设置2.5m*2.5m锚固桩，锚固桩长约25m～30m，锚固桩之间采用钢筋混凝土纵梁和横梁连接(纵横梁高1m)，其中DK86+960处两侧锚固桩通过厚1.5m护拱连接，护拱同时作为重新施作的φ159长管棚导向墙。锚固桩施作前其开挖轮廓线外1.5m处布置两环注浆孔，孔间距1.5m*1.5m。锚固桩采用厚0.5m钢筋混凝土护壁防护。

DK86+960处重新施作L=60m、φ159长管棚，环向间距为0.4m，长管棚应与护拱有效连接形成整体支护效果。