隧道下伏采空区病害特征分析及治理措施研究

贾晓军

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

山西省煤炭资源丰富，经过多年的开采，已经形成了3×105km2的采空区[1]。随着高速公路的不断发展和建设，高速公路隧道工程不可避免地要跨越或穿越采空区。由于隧道下伏采空区覆岩的不均匀沉降使隧道建成后易出现衬砌结构破坏，隧道轮廓侵入界限，路面下沉，侧沟排水不畅等病害。这些病害的发生不仅使隧道的养护和维修十分困难，也会影响高速公路的正常运营，甚至危及行车安全。本文就以台子山隧道为例，分析采空区对隧道稳定性的影响，在此基础上，探讨其处治措施。

1 工程概况

台子山隧道位于大同市南郊区鸦儿崖乡胡家湾村、官窑村与上窝寨之间，由西至东穿越口泉山脉的台子山隆起段。台子山隧道于2003年4月开工，2004年9月建成通车运营，该隧道为单洞双向隧道，隧道净高5 m，净宽9 m。起止桩号为K1+765—K4+320，长2 555 m，最大埋深309.24 m，其中进口明洞各为15 m。隧道底板下存在煤矿采空区，为减少采空区煤层的冒落、裂隙等对围岩稳定性的不利影响，同时为预防采空区引起的不均匀沉陷，引起隧道的变形，影响隧道的安全运营，施工前首先对采空区进行了注浆处理，同时增设了纵向受力钢筋来加强隧道的整体刚度，在受采空影响范围内的围岩二次衬砌中环向每隔50 cm设φ25的纵向钢筋，纵向钢筋每隔50 m一段。

2 隧道病害特征

台子山隧道2007年5月发现衬砌出现裂隙，随后裂隙宽度逐渐增大，同时电缆沟的盖板也逐渐出现了反翘现象，到2008年9月，衬砌变形已经发展到比较严重的程度，裂缝宽度一般为1～4 mm，洞壁变形严重段裂缝宽度可达5～10 mm，部分裂缝两侧不平整，有的错台，严重段错台达11 mm，电缆沟的盖板反翘其相对高度达6～11 mm。隧道路面也不同程度地出现了下沉和裂缝。目前K2+115—K3+100段隧道衬砌裂缝较大，有的区域衬砌拱顶、拱腰及边墙出现了混凝土剥落，目前该病害有继续发展的趋势。

表1 裂缝程度分布表

3 病害原因分析

隧道穿越的地层有侏罗系砂页岩，山西组砂页岩，太原组砂页岩，本溪组砂页岩、寒武、奥陶系灰岩，在隧道顶上侏罗系7号、8号煤层在隧道上部赋存，厚度0.1～0.7 m，局部可采，其中8号煤距隧道顶板40～70 m；隧道进口K1+765—K3+280段底板下存在11号、14号两层煤层采空区，11号煤层在K2+542以西位于隧道以下，距隧道底板最大距离为20 m，K2+542—K2+596段隧道与煤层相交，K2+596以东位于隧道以上，距隧道顶板58 m，14号煤层位于隧道以下，距隧道底板最大距离40 m。经过多年的开采，两层煤的回采率平均为85%，而且14号煤层仍在自燃，根据有关资料及目前的自燃程度，剩余沉降变形值平均为45%。经过勘察，14号煤层的火区已经延伸到了隧道下伏煤层，随着火区的延伸，14号煤层预留煤柱也发生了不同程度的自燃，由于14号煤层距离隧道底板最大不超过47 m，失去煤柱支撑的上部岩层受重力及外部压力（车辆荷载的作用下）的共同作用，在竖直方向上逐渐产生拉伸变形，发生冒落，最终导致隧道病害的发生。

4 处治措施

针对该隧道病害采取的处治原则：处治后的隧道在运营过程中，衬砌不再发生大的开裂，不产生破坏和影响公路工程正常使用的变形，保证隧道安全营运。

4.1 衬砌裂缝加固措施

裂缝程度一般区域的采用挂网加固的处理方法，即对隧道衬砌安装钢筋网+锚杆，再喷射混凝土进行加固；裂缝程度严重区域采用套拱加固即对隧道衬砌进行套工字钢，再喷射混凝土进行加固。

4.2 采空区处治措施

台子山隧道之所以出现病害，主要是由于受隧道底板下的采空区变形的影响，因此，进行采空区处治是实现隧道病害根治的重要手段。

4.2.1 采空区处治设计方案

鉴于隧道下方采空区变形较大，故在施工时设计勘察钻孔，以钻孔的技术参数来确定采空区的变形情况。在隧道中线两侧15 m范围内进行处治，即处治宽度为30 m。帷幕注浆孔的间距为10 m，布孔位置为隧道中线4 m处，倾斜角度为66.6°，孔深21.8 m，钻孔的底部距离隧道中线为12.5 m；注浆孔的设计深度为地面至采空区底板以下0.5 m，注浆孔的注浆长度为采空区上部最完整基岩顶面以下6 m至采空区底板，孔口管长度为地表之上1 m至完整基岩以下6 m处的深度[2]。

4.2.2 注浆材料及配合比

a）帷幕注浆孔，采用“水泥+粉煤灰”，水固比为1∶1.0～1∶1.3。水泥占固相的30%～40%，粉煤灰占固相的60%～70%，结石体抗压强度要求大于0.9MPa。

b）注浆孔，采用素水泥浆，水∶水泥为0.6～1.0，在注浆的过程中，结石体抗压强度要求大于1.0 MPa。

在正式施工前，应按施工时使用的水泥、粉煤灰，在实验室做浆液配合比试验，试验内容应包括每立方米干料含量、浆液浓度、最终凝固时间、结实率、试块无侧限抗压强度等。

5 质量检测

5.1 衬砌裂缝加固效果的检测

5.1.1 物探检测

隧道工程具有隐蔽性，当隧道工程施工完成后，混凝土强度、厚度以及钢拱架的间距仅从外观上采用目测、尺量等方法还远远不能对工程质量进行全面完整的评定，施工完成后，用地质雷达和回弹仪对隧道衬砌质量进行综合评价。

5.1.2 钻芯

根据需要可对衬砌进行钻芯，可以掌握喷射厚度，同时可用取芯试块进行强度测试。

5.2 采空区处治效果的检测

依据山西省已建成的高速公路煤矿采空区处治工程的经验，采用下列方法进行工程质量检测。检查孔：注浆施工结束6个月后，进行钻孔检验。鉴于本工程处治的重要性，检查孔设为6个，检查孔深度为地面至采空区底板的深度。通过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，并结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性等评价注浆质量，岩芯在标准养护72 h后，进行无侧限抗压强度测试。物探检测法：对处治后的采空区采用孔内波速测井技术，测定平均剪切波速，若波速大于160 m/s，则注浆质量符合要求。

结合钻探和物探资料，在全面分析研究资料的基础上，确定注浆质量是否合格，是否需补充注浆[2]，做出综合评价。

6 结论

a）隧道主要病害为衬砌变形及路面下沉、裂隙。

b）台子山隧道病害产生的主要原因是隧址区工程地质条件复杂且下伏多层不稳定采空区。

c）为保证隧道安全运营，针对台子山隧道病害特征及成因，采用标本兼治的方法进行治理。衬砌裂缝主要采用安装钢筋网+锚杆，再喷射混凝土进行加固；隧道下伏采空区采用注浆法进行处治，并检测其处置效果。