段家堡隧道穿越煤矿采空区处治方法

2018-03-24袁名旺

山西建筑 2018年4期

常炜袁名旺

(中交二公局三公司，陕西西安 710016)

0 引言

随着国民经济的高速发展，交通事业突飞猛进，高速公路建设里程不断攀升，高速公路隧道不断增多，隧道穿越不良地质数量不断加剧，在云南、贵州隧道穿越岩溶地区，在陕西、山西等省隧道穿越煤矿采空区不可避免。由于岩溶与采空区的存在给施工带来极高的施工风险，施工过程中处理不当给高速公路运营造成安全隐患，隧道建成后将出现衬砌结构破坏，隧道轮廓侵入界限，路面下沉，造成路线纵断面不顺畅，侧沟排水不顺，一旦发生病害将危及行车安全，影响高速公路的正常运营，同时隧道的养护工作和维修都将十分困难。当隧道必须穿越熔岩或采空区时，在隧道施工前或施工过程中必须采取有效措施谨慎处理以确保隧道施工过程中的安全以及隧道建成后运营安全。

1 隧道及采空区设计概况

1.1 隧道概况

段家堡隧道位于山西省西北部云中山北侧山系南妥山基岩山区内，隧道穿越的南妥山总体走向呈东西向，隧道与山体走向垂直相交，隧道顶地形起伏不大，进口端为基岩陡崖，出口端为顺层斜坡。隧道进出口皆为冲沟，进口端为芦河，河内常年有水，出口端为碗架板沟，沟内常年有水，水量较小，流至芦河。左线起讫桩号为ZK20+175～ZK21+794长度1 619 m，右线起讫桩号为K20+168～K21+785长度1 617 m，隧道主洞为双行单洞断面，净宽10.25 m，限高5 m，两侧设检修道，内轮廓采用三心圆，紧急停车带净宽13.0 m，两侧设检修道，采用五心圆。地质构造隧道位于山西省西北部原平市红池—碗架板村一带，地质构造复杂，路线穿越的构造单元为吕梁—太行之断块宁武—静乐块城西北部的宁武—静乐向斜西北翼，罅沱河新裂陷西北部，构造主体呈北东—南西向，地层产状一般为335°～350°∠8°～25°。工程地质特征总体评价，本隧道围岩岩性较为复杂，岩体完整性总体较差，煤矿采空区对煤系地层影响较为严重。

1.2 采空区设计概况

该煤矿影响路线采空区分布于路线里程桩号右线为K21+118～K21+728长度为610 m，左线为ZK21+133～ZK21+764长度631 m，路线影响范围内工作面开采时间为2003年，开采2号、5号煤层。2号煤层采厚3.1 m，5号煤层厚度2.4 m，局部开采。6号煤层厚度为1.4 m，未开采。巷道式开采，回采率30%，煤层产状320°∠8°～20°，采深采厚比0～51。该煤矿地表未见塌陷和裂缝。K21+118～K21+415(左线ZK21+133～ZK21+430)段为2号、5号双层采空区，右线2号、5号煤层采空区底板位于地表埋深86 m～171 m之间。

1.3 采空区设计处理方法

该隧道采空区设计采用全充填注浆法进行处治，在采空区地表施工钻孔，钻孔深度达到煤层采空底板，将注浆管密封在煤矿采空区上覆岩层中，采用泥浆泵，将浆液注入煤矿采空塌陷区和其上覆的岩层裂隙带，浆液的结石体阻止上覆岩层及地表的进一步变形，从而达到治理采空区的目的。

浆液配合比设计，根据工程经验，设计确定注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1∶1.5～1∶1.0。水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%。帷幕孔根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺入水泥重量的2%的速凝剂，使注入采空区浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。围护带宽度：隧道B值取20 m；注浆材料∶水泥、粉煤灰固相比3∶7；注浆压力∶终孔压力为2 MPa～3 MPa；充填率：隧道充填率为90%～95%。

前期业主单位组织专业的施工注浆施工单位从隧道的出口端修建施工便道，进场施工机械、施工材料到煤矿采空区对应位置的山顶上进行打孔注浆。

2 隧道施工过程中对采空区的处治措施

2.1 采空区位置及规模

段家堡隧道由出口端掘进方向两次发现四处采空区。第一次在右线K21+345.8，左线ZK21+345位置，第二次在右线K21+214，左线ZK21+225位置采空区。在开挖过程中发现掌子面前方有空洞，采用10 m长的钢筋未能探到底，立即停止掌子面掘进，项目根据上级有关单位意见制定措施探明采空区位置及规模，在隧道的左右线各开挖一条探洞，发现掌子面前方及下方均为煤层采空区，高度2.2 m～3.1 m，隧道两侧及底部均为空腔，在小桩号前方10 m大范围内隧道顶部于两侧均为空腔，空腔内有多处坍塌，左洞中线偏右位置岩体有错动现象，腔内有采煤尾矿堆积。

2.2 对采空区的技术处理措施

采空区与设计图纸相符属于隧道穿越倾斜中厚煤层采空区，采空区位于隧道断面内的底部、两侧及顶部，针对采空区空腔位于隧道不同部位分别处理。

对于整个采空区域，在隧道拱部设管棚，管棚采用φ89 mm长20 m的钢管，纵向间距40 cm，管内压注水泥—水玻璃浆，管内注浆参数水泥浆的水灰比为0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其与水泥浆体积比为0.4∶1。两组管棚间末端搭接长度不小于100 cm。采用双层拱架支护，采用Ⅰ18工字钢，间距75 cm拱架与采用Ⅰ20a工字钢，间距50 cm，拱架交错布置；系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆，长度350 cm，间距80 cm×50 cm；采用双层钢筋网，网眼间距20 cm×20 cm，喷C25早强混凝土25 cm；二次衬砌采用模筑C25钢筋混凝土60 cm。

对于隧道底板空腔，隧道两侧开挖边界外10 m范围对于底板覆土厚度小于3 m的进行明挖，采用C15片石混凝土回填至仰拱底，对于覆土厚度大于3 m位置，在隧道底板范围内垂直打设80 cm×80 cm,梅花形布置φ50mm孔深以3.5 m～20 m打到空腔底部1 m以下。首先在20 m位置以50 cm间距打入三排注浆花管，在拱脚位置以50 cm间距以外插角15°打入三排注浆管，管内压注水泥—水玻璃浆，管内注浆参数水泥浆的水灰比为0.6∶1，水玻璃的波美度Be′=35，其与水泥浆体积比为0.4∶1。然后对隧道其他孔位压注水泥—水玻璃浆。然后按照加强仰拱通过，仰拱厚60 cm。

对于隧道边墙两侧空腔，在隧道衬砌两侧10 m范围塌落部分采用φ50注浆管加固，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，注浆管长度10 m～15 m，隧道边墙两侧空腔采用C15泵送混凝土回填。

对位于隧道拱部上方0 m～4 m的空腔,采用异形钢拱架支撑，拱架采用Ⅰ18工字钢，工字钢间距20 cm，工字钢之间采用Φ22钢筋连接，钢筋环向间距10 cm，在工字钢与长管棚初衬之间采用预埋管压注聚乙烯泡沫轻质混凝土材料，在拱部一定范围预埋泵送混凝土管，泵送1 m厚C25混凝土。

2.3 对采空区的安全处理措施

针对采空区施工采取了多项安全措施，有效防范施工过程安全风险：1)针对采空区施工对施工管理人员以及作业人员进行安全教育及技术培训，掌握煤矿采空区施工安全防护技术，爆破、电工、瓦斯检测等特种作业人员持证上岗。2)施工过程中加强瓦斯监测，隧道技术人员、各作业队负责人均配备便携式瓦斯检测仪，随时对洞内瓦斯含量进行跟踪检测，瓦斯检测专职人员配备便携式瓦斯报警仪及四合一气体检测仪，对整个隧道的瓦斯等有毒有害气体进行全面监控。3)加强洞内通风，施工期间保持隧道持续通风。4)杜绝烟火进洞。5)洞内设备均采用防爆型电气设备，采用双回路直供电源，在洞口设置避雷装置，采用煤矿许用雷管炸药。6)加强地质预报，对潜在的地质隐患进行预报，采用地质雷达和钻探以及挖探的方法摸清采空区的具体位置、规模、走向，为制定施工措施方案提供参考。