隧道下伏煤层采空区处理设计以周家湾隧道为例

（厦门市市政工程设计院有限公司，福建 厦门 361000）

一、项目概况

（一）工程概况

我国是煤炭资源大国和开采大国，煤矿资源开采所产生的采空区分布十分广泛。随着国家公路网建设的进一步推进，一些新建公路必然要穿过采空区。煤层采空区对隧道结构的稳定性有很大影响，若处理不当，容易引起隧道基础不均匀沉降、路面错台起伏、衬砌结构变形开裂等，对公路隧道的建设运营构成严重安全隐患，必须最大限度消除潜在风险。

本文以湖北省恩施市周家湾隧道为例，设计了多种检测方式，对采空区处理效果综合检验。周家湾隧道位于公路桩号K4+160～K4+775段，长615m，二级公路，设计车速40km/h，隧道形式为单洞双向两车道，建筑界限为5m～10m。其中K4+160～K4+750段隧道位于老窑头煤业2#、10#煤层双层采空区；K4+750～K4+775段隧道位于五星煤业2#、10#煤层双层采空区。周家湾隧道下伏采空区处理平面图，如图1所示。

图1 周家湾隧道下伏采空区处理平面图

（二）煤层采空区概况

老窑头煤业开采2#、10#煤层，开采年份为1984年～2007年，目前仍处于沉陷移动变形期，主要影响周家湾隧道K4+160～K4+750，地表出现裂缝每米1条～2条，方向以北东向为主，最宽0.30m，最长10m左右。钻孔ZK4（K2+400）揭示31.5m处遇到裂隙带，46m～49m处遇到2#煤层采空区；89.9m～92.5m遇到10#煤层冒落带及采空区，破碎掉钻；ZK5（K2+540）揭示38.5m处遇到裂隙带，40m～44m处遇冒落带，50m～55m处遇到2#煤层采空区，破碎掉钻；89m～90m遇到10#煤层冒落带及采空区，破碎掉钻；ZK7（K4+400）揭示111.5m处遇到裂隙带，147.7m～161.7m处遇冒落带及采空区，破碎掉钻；206.6m～209.3m遇到10#煤层冒落带及采空区，破碎掉钻。设计标高下煤层开采深度与厚度之比低于标准值，采空区残余倾斜值、曲率值和水平变形值均大于隧道允许变形值，处于不稳定状态，需要处理。

五星煤业开采2#、10#煤层，开采年份为1985年～2006年，目前仍处于沉陷移动变形期，主要影响路线K4+750～K4+775段隧道工程，地表出现裂缝每米1条左右，方向以北东向为主，最宽0.10m，最长5.0m。设计标高下煤层开采深度与厚度之比低于标准值，采空区残余沉降大于隧道允许变形值，采空区不稳定，需要处理。

二、采空区处理设计

（一）设计标准

该段采空区处理设计标准如下：地表残余倾斜值≤3mm/m、曲率值≤0.2mm/m2、水平变形值≤2mm/m、浆液结石体强度≥2.0MPa。

（二）设计方案

依据采空区的特点，该设计方案选择了全充填压力注浆法。

（三）处理设计

1.主要设计参数

围护带宽度为20m；注浆材料采用水泥和粉煤灰，水泥、粉煤灰浆料的配比为1：1.0～1：1.3，水泥、粉煤灰分别占比30%、70%；注浆压力为2MPa～3MPa（终孔）；浆液充填率为95%；浆液结石率为75%。

2.采空区处理范围

采空区的处理范围包含处理的长度和宽度。处理的宽度计算公式为：L=D+2B+2（H1•ctgφ+H2•ctgβ），公式中L指处理宽度，D指隧道宽度，B指围护带（隧道取20m），H1指松散层平均厚度，H2指覆岩平均厚度。φ指松散层移动角为50o，β指根据地勘报告。采空区上覆岩体加权平均单向抗压强度＜30MPa，属于软弱覆岩，回采率为50%，故岩层移动角β为75o。经计算周家湾隧道采空区处理宽度为58m～110m。处理长度计算方法可参照处理宽度计算。

（四）注浆孔设计

注浆孔分为帷幕注浆孔和普通注浆孔。帷幕注浆孔布置于隧道两侧外缘，间距为10m～15m。周家湾隧道采空区共布置105孔，平均孔深172m。普通注浆孔沿隧道两侧梅花型布设，排距15m，孔距15m。周家湾隧道采空区共布置270孔，平均孔深182m。

（五）采空区注浆量计算

采空区注浆量算法如下：

在该公式中，S指处理面积，该项目为74218m2；M指平均采厚，取值4.5m；DV指残余空隙率（%），取值40%；K指回采率（%），取值50%；A指浆液损耗系数，取值1.1；h指充填率，取值95%；c指浆液结石率，取值75%；a指岩层倾角，取值8°；经计算周家湾隧道采空区注浆量为155970m3。

（六）浆液配合比设计

在确定水泥、粉煤灰浆料的配比后，需要让帷幕注浆孔采用较稠的浆液以缩短固化时间、尽快成形，避免浆体外渗。

三、注浆工艺设计

注浆系统由料场、一级搅拌池、二级搅拌池、供水系统、注浆泵、压力表、注浆管道和投砂漏斗等组成。

该工程施工工艺流程图，如图2所示。

图2 施工工艺流程图

四、采空区处理检测

在给隧道采空区注浆180天后，必须检验处理效果，检验方法包括钻孔检测、孔内波速测试、注浆检测、地表变形观测等。

（一）钻孔检测

钻孔位置确定原则包括，检测采空区有代表性的地方；检测施工过程中出现过异常状况的位置；每50m～100m布置一个检查孔，总孔数不小于总注浆孔数的1/50。此外，在结石体强度检测中，需要对受注段结石体岩芯实施抗压实验，标准为无侧限抗压强度不小于2.0MPa。

（二）孔内波速测试

在已完成检查的孔中采用声波波速测试，标准为横波波速大于350m/s。

（三）注浆检测

在已完成检查的孔中以2MPa～3MPa压力注入水泥浆，当符合设计条件时，即停止注浆，若浆液注入量小于单孔平均注浆量的5%，即合格，反之不合格。当检测结果不合格时，应综合分析，找出原因，必要时补充注浆。

（四）地表变形观测

在隧道上设置长期变形观测点，直至沉降达到稳定状态。

（五）处理效果评价

如果某项检测指标没有达到设计要求，则该采空区处理效果不合格。当遇到不合格的情况，工程师需要分析原因，制定整改方案，并对项目复验收。当所有检测指标符合设计要求后，才可对隧道工程后续施工。