段家堡隧道穿越采空区勘察方法及治理设计研究

董清志

(山西交通规范勘察设计院，山西 太原 030012)



隧道工程

段家堡隧道穿越采空区勘察方法及治理设计研究

董清志

(山西交通规范勘察设计院，山西 太原 030012)

隧道穿越采空区，处理不当对隧道的施工及以后安全运营都会产生较大影响，因此需要准确查明采空区的空间位置，与隧道的交叉情况，分析其稳定性，评价采空区对隧道工程的影响，提出合理的处治设计方案及检测方法。通过山西大营至神池高速公路段家堡隧道穿越古采空区的实例，展示隧道穿越采空区时的勘察、设计及后期效果。

隧道；采空区；勘察；稳定性分析；设计

1 工程概况

大营至神池高速公路是山西省 “3纵11横11环”高速公路网规划中第三横的重要组成部分，也是我省中北部地区西通陕、甘、宁，东达京、津、冀的重要战略通道，路线全长64.673 km。段家堡隧道为分离式隧道位于路线里程右线K20+167～K21+794、左线ZK20+170～ ZK21+804。隧道在左线ZK20+910～ZK21+764、右线K20+906～K21+723段，在华融龙宫煤业矿区内。

煤矿原名为正南沟煤矿，又名交山煤矿，原井口已掩埋，资料不详，勘察难度很大。但必须准确查明采空区的空间位置，与隧道的交叉情况，分析采空区的稳定性，评价采空区对公路工程的影响，提出合理的处治设计，保障隧道安全。

2 自然地理条件

项目区属大陆性半干旱气侯区，四季分明，地貌单元为构造剥蚀基岩山区。岩层为石炭系太原组(C3t)及二叠系山西组(P1s)，为煤系地层，太原组岩性以深灰、灰黑色页岩、砂质页岩及灰、灰白色砂岩为主，局部夹有石灰岩，含多层煤层，包括2#、3#、5#和6#共计4层煤，其中2#和5#为稳定的全区可采煤层，3#和6#为局部可采或不可采煤层；山西组上部岩性为灰色砂质页岩与细砂岩互层，下部岩性为灰白色块状中～粗粒长石石英砂岩，交错层理发育，发育1#煤层，1#煤层为不可采煤层。地下水的补给与储存条件差，总体属于地下水贫乏地区。

3 采空区勘察

此项目区为古采空区，采用巷道式开采，无规则，隐蔽性较强，无开采资料及图纸，应侧重于采空区专项调查、物探和钻探。

根据调查，煤矿影响路线采空区分布于路线里程桩号K20+906～K21+950段，长1 044 m。路线影响范围内工作面开采时间为2003年，开采2#、5#煤层。2#煤层采厚3.1 m，5#煤层厚度2.4 m，局部开采，6#煤层厚度为1.4 m，未采。巷道式开采，回采率30%，煤层产状320°∠18°～20°。还需物探和钻探进一步确定与查明要素。

物探是对有怀疑的影响路线范围内进行大面积扫面，对于重点怀疑区应采用两种物探方法进行相互印证，物探结果出来后在物探异常区内进行钻探验证确定异常区的准确性。布设验证钻孔16个，6个钻孔钻至采空区(掉钻孔4个钻孔，最大掉钻3.4 m，2个钻孔钻至采空区冒落带)，其他钻孔钻至煤层。

通过对疑似采空区区域物探与钻探，最终确定华融龙宫煤业采空区，采空区分布在左线ZK20+910～ZK21+764(右线K20+906～K21+728)，线路范围内采空区总长度854 m，但ZK20+910～ZK21+113(右线K20+906～K21+118)段采空区位于隧道顶部30 m以上，对隧道无影响，因此对隧道有影响的采空区位于ZK21+113～ZK21+764(右线K21+118～K21+728)，采空区影响路线长度651 m。

采空区位于地表下埋深76～184 m，段家堡隧道穿过采空区，采空区ZK21+133～ZK21+430(右线K21+118～K21+415)为2#、5#双层采空区，ZK21+430～ZK21+764(右线K21+415～K21+728)为2#煤单层采空区，开采方式均为巷道式，2#煤层采厚3.1 m，5#煤层采厚2.4 m，回采率30%，地表未见陷坑和裂缝。在ZK21+113～ZK21+764(右线K21+118～K21+728)，采空区长度631 m。2#煤层与采空区交叉段路线桩号为ZK21+312～ZK21+337(右线K21+309～K21+336)，线路ZK21+113～ZK21+312(右线K21+118～K21+309)段采空区位于在隧道之上，ZK21+337～ZK21+764(右线K21+336～K21+728)段采空区位于在隧道之下；5#煤层与采空区交叉段路线桩号为ZK21+198～ZK21+223(右线ZK21+180～ZK21+205)，线路ZK21+113～ZK21+198(右线K21+118～K21+180)段采空区位于在隧道之上，ZK21+223～ZK21+430(右线K21+205～K21+415)段采空区位于在隧道之下。

采空区特征整体如下：

(1)其内部构造条件较简单，岩层单倾，但地形高差较大，造成采空区埋藏变化较大，华融龙宫煤业采空区在76～184 m之间。

(2)开采2#和5#煤层，为单、双层采空区，采厚2.4～7.0 m。

4 采空区稳定性评价

隧道开挖改变了隧道应力分布，周边岩土体出现松动变形。一般认为，隧道开挖后引起的塑性扰动范围为隧道开挖半径的3～5倍，为了避免隧道的破坏，在此范围内的采空区须处治。因此采空区顶部洞身及三倍洞径不稳定须处治，隧道顶部30 m以上对隧道无影响无需处治。

多年的稳定性的评价方法研究中，出现了多种方法：概率积分法、地表变形观测法、模糊数学方法、采深采厚比等级评价标准，进行评价及极限平衡分析法等稳定性评价方法。线路下覆采空区为不规则柱式采空区，因此应根据其采深采厚比的规定评价场地稳定性。

华融龙宫煤业采空区位于地表下埋深14.8～171 m，与设计线位交叉，设计线位下采深0～149，2#煤层采深采厚比0～48.6，上部为中硬覆岩，因此为不稳定。

5 采空区处治设计

采空区处治有多种方法，但针对无规律的古采区，采用全充填压力注浆法是最适宜的，通过多年实践及山西粉煤灰材料的运用，宜采用注水泥粉煤灰浆。

隧道采空区的注浆材料、注浆压力、充填率及检测项目如下：水泥、粉煤灰固相比3∶7；终孔压力为2～3 MPa；充填率为95%；浆液结石体强度标准不小于2.0 MPa。

采空区注浆孔需钻至采空区地板以下1 m，钻孔分为帷幕注浆孔和注浆孔。帷幕注浆孔处治范围最外侧一圈孔，孔距应小于一般注浆孔，孔均为10 m。中间区域为注浆孔，呈梅花型布设。钻孔顺序为，先钻帷幕孔，帷幕孔注浆完成后再打一般注浆孔，一般注浆孔应按采空区地板高程从低到高的顺序进行处治。

泥粉煤灰浆液水固比1∶1～1∶1.2，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%。

帷幕孔根据具体情况，添加速凝剂的方式使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止内部一般注浆孔浆液流失。

6 采空区处治检测

采空区处治结束6个月后，应进行孔取芯、孔内波速测井、孔内电视摄像、注浆检测、地表变形观测等，进行采空区处治效果检验、评价。公路主体工程(隧道)应在采空区处治施工后，经检测认为施工质量满足要求后方可开工。

7 结 论

(1)隧道采空区易引起结构变形，后期处理难度大，因此在选线时，重视地质选线，尽量绕避采空区。

(2)古采空区具有隐蔽性和复杂性，勘察难度大，必须足够重视。

(3)高速公路影响范围内加强监管，发生新采或复采，应及时对采空区进行补充勘察设计。

[1] 郑金龙. 穿煤隧道压煤及其对隧道稳定性影响的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2000.

[2] 李晓红，姜德义等 公路隧道穿越采空区治理技术研究[A].岩土力学,2006,(6):910-915

[3] 姜岩, 田茂义. 矿山开采地表下沉与变形预计新方法[J].矿山压力与顶板管理,2003,(3):64-67.

2016-08-05

董清志(1983-)，男，河南濮阳人，工程师。

U452.1

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1008-3383(2017)05-0145-02