煤田采空区水工隧洞加固处理技术

□路玉萍 □路 明 □杜克勤（三门峡市槐扒黄河供水工程有限责任公司）

1.工程基本情况

某大型提水工程设计提水流量7m3/s，提水总扬程359m，隧洞轴线从某煤田穿过，隧洞围岩主要为ⅠⅠⅠ～ⅠV类。输水隧洞进出口桩号分别为3+564.03、11+032.41，全长7468.34 m，坡降1/1000，隧洞为城门洞型，C20素混凝土衬砌，净宽2.8 m，净高2.9m，其中直墙段高2.0m，隧洞上部覆盖层厚度100m。

2008年夏，因某大型企业在隧洞底板下300m处回采隧洞预留保护煤柱，采煤厚度2～3m，宽度100m，形成采空区，造成整个山体沉陷变形。从而导致隧洞洞身沉降变形，长度达882m(9+344～10+226)，最大沉降量达130cm。设计坡度为1/1000的隧洞混凝土底板，现已变得松散、破碎、凹陷不平。为此，管理单位在2008年下半年对隧洞进行临时支护（钢拱架），但因不负严重的山体变形压力，洞身混凝土已严重破裂，局部已经掉块，隧洞随时都有坍塌的可能。一旦隧洞坍塌，将导致供水中断，危及当地居民生活和工业企业生产用水。

2.处理方案的比选

隧洞在2008年秋冬即基础采空的第一年变形较快，最大沉降量达800mm,2009年最大沉降量达300mm,2010年最大沉降量达200 mm，2011年最大沉降量达100 mm，2012年最大沉降量达20mm，经过近5年的连续沉降，变形发展趋于相对稳定态势。

结合隧洞沉降变化规律，输水隧洞初拟3种处理方案，分别是原隧洞加固、隧洞重建、原隧洞加固与原线重建相结合。

2.1 原隧洞加固

在现状9+566.75～10+414隧洞内架立间距为1.5 m格栅，防止衬砌混凝土及围岩的塌落。对局部开裂严重的衬砌粘贴碳纤维布，抗裂防渗。对局部剥落、塌落的衬砌混凝土，提高整体强度。对该区间围岩进行固结灌浆，形成承载圈。顶拱和侧壁布设系统锚杆，提高围岩的稳定性。

由于该区间隧洞衬砌破损严重，已严重影响到衬砌整体结构性能，局部修补不能保证衬砌的长期稳定。同时桩号9+826.6～10+206.4隧洞出现较大的沉降，采用加固措施不能恢复隧洞原设计过流能力。经计算，如仅采用以上加固措施，加固后隧洞的过流能力为1.71m3/s。

2.2 隧洞重建

重建可采用改线和原线两种重建方案，改线重建是废弃部分现有隧洞，开挖新的隧洞绕开采空区。由于隧洞周边均为煤矿采空区，无处可绕，暂不考虑。

原线重建是将该洞段按先管棚支护，然后拆除原混凝土衬砌并扩挖，再通过锚喷和架立格栅形成支护，最后浇筑钢筋混凝土衬砌及对周围围岩灌浆加固，使该段恢复原有设计输水能力。

经比选，采用原线重建方案，既可保证原设计输水能力，又能有效提高围岩及衬砌结构的稳定性，确保输水隧洞长期安全运行。

3.原线重建方案

参考类似工程处理经验，设计采取两方面措施，一是隧洞采空区地基灌浆处理，解决隧洞基础整体沉降问题；二是对沉降破坏的隧洞衬砌结构进行拆除，重新衬砌，过水断面保持原设计不变，以维持工程设计规模。

3.1 采空区地基处理。

采空区地基处理方案有井下和地面两种充填措施。

3.1.1 井下充填措施

主要有水砂充填、风力充填、矸石自溜充填和带状充填。水砂充填是井下利用充填设备将水砂充填至采空区，河砂、山砂、卵石、碎石、井下矸石、粉煤灰等均可用作充填料。风力充填是指将地面充填材料通过垂直管道溜入井下储料仓，然后由运输机输送到风力充填机，风力充填机利用风压通过充填管道将充填材料送入采空区充填，风力充填效果不如设施充填，但对材料、设备要求较低。矸石自溜充填是指矸石在自重的作用下，沿煤层底板自溜充填采空区，这种方法减小地表变形效果不大。带状充填是指沿工作面方向每隔一定距离垒一个矸石带来支撑顶板，构造面向前推进，矸石带也随之延长，此种方法应保证矸石带有足够的强度支撑上部覆岩。

3.1.2 地面充填方法

从地面对已沉陷的采空区冒落带及断裂带进行大口径灌浆并辅以骨料充填的处理方法。

结合矿区的实际情况，设计采用注浆法对黄李隧洞采空区地基进行加固处理。

注浆孔采用梅花状布孔均匀布设，根据同类工程的施工参数，设计排距20m，孔距15m，注浆顺序为首先对边界实施隔断性帷幕注浆，以减少和阻止注入浆液的流失和浪费，然后对中间孔进行深层注浆施工。

根据采空区冒落带、断裂带和弯曲带的特性，从隧洞洞壁外20m按岩层移动角向下扩散至采空区底部，以此确定洞底采空区灌浆范围。土层移动角采用45°、岩层移动角采用75°。经布置，采空区处理范围为：处理长度1000m，处理宽度253.4m。钻孔从地面开始钻，钻至采空区冒落带煤层底板下1.5m以内终孔。

注浆材料采用42.5级普通硅酸盐水泥和粉煤灰，按水：固=1：1，其中水泥：粉煤灰 =0.15：0.85，另为改善浆液流动性，提高注浆加固效果，在浆液中可根据实际情况加入平流剂等外加剂。

3.2 隧洞结构处理

隧洞结构拟拆除重衬，按先管棚支护，拆除原衬砌混凝土，再喷锚支护，最后衬砌钢筋混凝土的顺序施工。本次隧洞处理长度1000m。

3.2.1 支护设计

原混凝土衬砌拆除前，在隧洞拱部及两侧墙采用φ75 mm@500 mm大管棚超前支护，管长10 m，每9 m一环，环间搭接0.5m。拆除原衬砌混凝土,局部下沉塌陷部位按设计断面扩挖。顶拱和侧壁采用φ25系统锚杆支护，单根锚杆长3.0m，间距1.5m，梅花形布置，φ8@120mm×120mm钢筋网全断面封闭。架钢支撑，每榀钢支撑采用4根φ25钢筋，中间采用φ12 mm箍筋焊接，宽150 mm。钢支撑间距l.0 m，每榀钢支撑间设φ28 mm联系筋，喷C25混凝土厚150 mm。全断面挂第二层φ8@120mm×120mm钢筋网，再喷C25混凝土厚50mm。

3.2.2 衬砌结构设计

R2=2R1标准马蹄形断面设计，净高与净宽2.9m，为便于施工，侧墙外缘采用垂直直线形。隧洞衬砌采用C25钢筋混凝土，抗渗等级W4，厚度400mm。钢筋采用HRB335级，双层钢筋，保护层厚度50mm，衬砌混凝土水灰比不宜＞0.5。

对10+002～10+186采空中心区、沉降量较大地段，隧洞混凝土衬砌分段长度为6m，施工缝缝宽为30 mm，以适应持续沉降变形；其余两端采空影响带，隧洞混凝土衬砌分段长度为9m，施工缝缝宽为20mm。为保证隧洞沉降后，过水断面不减小，还在10+002～10+186采空中心区预留了沉降高度——对隧洞净空高增加了150mm。

3.2.3 伸缩缝处理

横向伸缩缝填充聚乙烯闭孔泡沫板，埋设E4652型橡胶止水，迎水面用聚硫密封胶封闭。反拱底板纵向伸缩缝埋设紫铜片止水（厚1mm）。止水内侧（背水面）填充单层油毛毡，止水外侧（迎水面）填充L-600低发泡塑料板。

3.2.4 混凝土与岩面之间的灌浆处理

为增强岩体的整体性和充填混凝土与围岩之间缝隙，在支护、衬砌完成后，对洞身进行固结灌浆和回填灌浆。预埋灌浆管为50钢管，壁厚3mm，灌浆孔直径≥φ38。

回填灌浆范围为顶拱120°以内，孔距和排距均为3.0 m，灌浆孔深入围岩100mm。回填灌浆待混凝土强度达到70%设计强度后方可进行，灌浆压力为0.2～0.3MPa。

固结灌浆范围为隧洞采空区段全断面，分两序进行，灌浆孔沿洞身全断面呈梅花状布设，灌浆孔深入岩层3.0m，孔距1.5m，排距3.0m。固结灌浆待回填灌浆结束7-14d后进行，灌浆压力为 0.2～0.3MPa。

回填灌浆和固结灌浆均从低向高进行，灌浆压力和开灌水灰比根据现场试验确定具体采用值。

3.2.5 排水孔

在顶拱设排水孔，左中右3排。孔排距3m，左右排水孔比拱脚高150mm。排水管采用预埋φ50PVC管，在地下水丰富的破碎、断层、裂隙处排水孔适当加密。

4.投资估算

依据河南省豫水建[2006]52号文《河南省水利水电工程概预算定额及设计概（估）算编制规定》、《建筑工程概算定额》、《施工机械台时费定额》及2010年第三季度信息价格，经计算本工程修复静态总投资为11885.94万元。其中采空区岩体加固工程投资（含材料价差）7110.01万元，隧洞修复工程投资（含材料价差）2350.22万元。