赣深铁路同乐山隧道穿越采空区探测及处置技术

摘 要：【目的】隧道在穿越采空区施工时容易出现由于开挖扰动造成的大變形、塌方等灾害，因此有必要对采空区地质灾害的探测及处置技术进行研究。【方法】本研究以赣深铁路同乐山三号隧道为背景，对施工中出现的问题进行归纳总结。【结果】研究表明：在采空区地段采用“地面调查法+高密度电阻率法+钻探法”为主的综合探测手段，可以取得很好的效果；地表矿洞采用回填注浆封堵，洞内采用超前支护+径向注浆处理，可以保证隧道安全顺利地通过不良地质段。【结论】本研究成果可为今后类似工程提供施工参考。

关键词：隧道；穿越；采空区；探测手段；处置技术

中图分类号：U455.49            文献标志码：A         文章编号：1003-5168（2023）10-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.014

Abstract：  [Purposes] The tunnel is prone to large deformation， collapse and other disasters caused by excavation disturbance during construction through goaf， so it is necessary to study the detection and disposal technology of geological disasters in goaf.  [Methods] Based on the background of Tongleshan No.3 Tunnel of Jiangxi-Shenzhen Railway， this study summarized the problems in construction. [Findings] The research shows that the comprehensive detection method based on "ground survey method + high density resistivity method + drilling method" can achieve good results in the goaf area. The backfill grouting is used to seal the mine tunnel on the surface， and the advance support + radial grouting is used in the tunnel to ensure that the tunnel passes through the bad geological section safely and smoothly. [Conclusions] The research results can provide construction reference for similar projects in the future.

Keywords： tunnel; crossing; goaf; detection means; disposal technology

0 引言

随着我国铁路工程的快速发展，采空区的不良地质问题越来越突出，在隧道施工过程中很容易出现由于二次扰动带来的大变形及坍塌等灾害，严重影响施工进度与安全。孙洪硕［1］以娄邵铁路明清堂隧道为背景总结了在安全距离及近距离下隧道施工控制技术；梁健刚［2］依托二龙关（滇黔省界）至镇雄县高速公路张基屯隧道，采用数值模拟手段确定了上覆采空区段对隧道强度影响区域长度范围的分界值；还有许多专家学者研究了隧道穿越采空区围岩稳定性情况［3-10］。目前对隧道穿越采空区的研究很多，但大部分集中在施工控制方面，对于采空区空洞探测及处置相对较少。本研究以赣深铁路同乐山三号隧道为背景，根据施工过程中遇到的问题，详细介绍适用于采空区的探测手段及后续处置措施，可为今后类似工程施工提供借鉴参考。

1 工程概况

新建赣深铁路同乐山三号隧道位于江西省赣州市赣县境内，线路近正南北走向。场区地貌以丘陵为主，地形起伏，局部陡峭，沟谷狭长，多呈“V”形。隧道位于江西省赣州市南康区深坑里—赣县下湾金矿普查区。隧址属丘陵区地貌，总体地势为中间高两端低，中部地势较陡，两侧稍缓和，区内植被发育，最高海拔为321.86 m，自然坡度25°～45°，相对高差为40～90 m，隧道最大埋深约为51 m。隧道起讫里程为DK29+263.98～DK29+595，长度331.02 m。隧道区为单斜构造，倾向右侧，岩层产状345°∠71°，岩层走向与线路走向夹角87°。DK29+570处附近F1断层与隧道斜交，倾向北西（倾向小里程），与线路方向夹角约为18°，断层影响范围约30 m。

隧道区丘坡表层为第四系粉质黏土（Q4el+dl），红褐色，可塑，厚2～3 m，下伏基岩为震旦系（Z1+2）变质砂岩，局部夹千枚岩，全风化层呈红褐色～黄褐色，风化呈土状，夹强风化碎块，厚度约15 m；强风化层呈黄褐色～灰褐色，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎块状，厚10.2～10.6 m；弱风化层呈青灰色，变余砂状结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎。地下水类型为基岩裂隙水，主要赋存于强～弱风化的基岩裂隙中。本隧道洞身主要位于强风化～弱风化层中，其中变质砂岩饱和抗压强度Rc=50.4 MPa，属硬质岩，围岩节理裂隙发育，岩体较破碎，地下水不发育，隧道已开挖部分未见明显渗水。勘察中在DK29+265左30 m处发现探矿坑洞，直径约1 m，由于坑洞较隐蔽，分布无规律性，不排除局部坑洞侵入隧道洞身范围。

2 施工情况

同乐山三号隧道从进口组织施工，通过地质素描、弹性波反射法（TSP203）、地質雷达、超前水平钻孔（1孔）及加深炮孔（3孔）等超前地质预报手段进行综合判识，在原设计不良地质地段及周壁20 m范围内未探测出矿坑存在。

2019年6月14日，该隧道上导掌子面掘进到DK29+499处，左拱腰出现掉块现象，掌子面地质为强风化灰褐色变质砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎夹全风化土状黄褐色碎块，经现场踏勘发现，在隧道左拱腰处发现矿坑采空区，掌子面坑洞已被泥土填充，沿大里程方向延伸；左拱腰残留的坑洞，直径约1 m，与隧道DK29+499拱腰斜交；向小里程线路左侧延伸10 m左右，并向线路小里程左侧上方延伸如图1所示，其矿洞与隧道位置关系如图2所示。

2019年6月14日—29日，对同乐山三号隧道进行边探测边施工。2019年6月29日，隧道掌子面施工至DK29+511处时，DK29+498.6～DK29+511段已完成初期支护段发生侵限，最大侵限83.4 cm，平均侵限35.5 cm，具体数据见表1。在发生大变形后项目部立即采取反压回填、增设锁脚等措施阻止初期支护继续变形。

3 施工处置

3.1 综合探测手段

在地表调查法方面，组织人员对同乐山三号隧道地表进行全面踏勘，发现隧道地表及出口位置存在20处直径约1 m的矿坑，对各个矿坑进行标注。

在物探方面，由于施工前期主要采用地质雷达及TSP203超前地质预报手段进行探测，但效果不佳，经过比选采用高密度电阻率法进行采空区矿坑探测。在隧道上方设置3条测线ERT1、ERT2、ERT3，其中ERT1位于隧道中线，ERT2及ERT3分布于两边，三条测线线距15 m，相互平行，探测结果如图3所示。

根据探测结果发现隧道前方存在采空区，采空区位于隧道主线及偏东方向，大小为30 m×30 m×30 m。

通过钻探手段对物探结果进行进一步验证，即在DK29+548.32右侧3 m、DK29+548右侧12 m处分别布置1个勘探孔对低阻异常区进行验证，如图4所示，钻探揭示地层岩性与原设计基本一致，全风化变质砂岩厚10～15 m，以下为厚约20 m的强风化变质砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎。两个钻孔均在地表5 m以下发现坑洞，高约1.5 m，坑洞周边岩体较松散，与地表发现的其他矿坑类似，未发现大的坑洞。

3.2 施工处理方案

3.2.1 后续未开挖里程段。对该段与线路相交的地表矿洞采用地表回填注浆处理（先回填M10砂浆，后回填水泥浆），确保注浆回填密实；对矿洞可见延伸长度内采用回填处理，采用5 m厚沙袋回填，表面采用不小于1 m厚的黏土隔水层回填，防止地表水下渗。为保证施工安全，在暗洞施工前地表监控量测稳定后，对地表塌坑采用10%水泥土回填密实。对DK29+511～DK29+531段洞内采用Φ89 mm洞身管棚+I型小导管超前注浆预加固，管棚长度20 m，环向间距40 cm，小导管长4.5 m，外插角45°，环向间距50 cm。初期支护完成后，采用拱墙范围5 m径向注浆加固洞身周边围岩，注浆孔按浆液扩散半径1.2 m梅花形布设，孔口管采用1 m长Φ50 mm无缝钢管，壁厚3.5 mm，管口设置止浆阀，选用普通水泥浆，注浆压力控制在1～1.5 MPa。该段仰拱施工前，通过对隧底隐伏矿洞不良地质进行钻孔验证，如存在空洞、不密实等不良地质情况或基底承载力不满足设计要求时，采用基底注浆、基底钢管桩加固等处理措施，确保基底稳定。

3.2.2 初期支护变形侵限段落。对该段拱墙范围5 m径向注浆加固周边围岩。对发现的矿坑采用5 m厚沙袋回填，地表采用1 m厚黏土隔水层回填，防止地表水下渗。已施作初期支护侵限地段，待仰拱封闭成环及洞内径向注浆加固施工完成并达到效果之后，自小里程向大里程进行换拱施工，换拱时加强现场监控量测，确保在原初期支护稳定的情况下，采用人工风镐对侵限段初期支护及临时护拱钢架进行逐节逐榀拆除，拆除一榀后立即安装一榀钢架并喷射混凝土。当拆换长度达到衬砌台车长度后，及时进行二衬混凝土浇筑。

3.2.3 初期支护已完成，二次衬砌未施作段落。根据开挖揭示情况及物探情况，必要时洞内采用5 m径向注浆加固洞身周边围岩，注浆范围、长度根据矿坑位置设置。

3.2.4 二次衬砌已完成段落。对地表矿坑在隧道洞身范围20 m范围内、隧道埋深不大的地段，矿坑采用地表回填处理。

3.3 现场监控量测

设置地表监测网：DK29+498.6～DK29+568.25段纵向间距10 m布设地表观测桩，观测断面左侧宽50 m，右侧宽50 m，测点横向间距5～10 m。洞内监控量测断面间距5 m布置一个测点，每个量测断面至少布置一个拱顶下沉点和三条净空水平收敛量测线。施工过程中加密测量频次、量测频率不小于3次/d。加强量测成果的回归分析，发现问题立即停止施工。同时采用断面扫描仪对已施工的初支段落进行扫描分析。根据扫描的结果，后续施工段落均未出现初支侵限的情况。

4 结语

本研究针对隧道穿越采空区施工技术进行研究，针对前期采空区空洞探测效果差等问题，提出了“地面调查法+高密度电阻率法+钻探法”的综合探测手段进行采空区预测，并取得较好的效果，根据探测结果对后续施工及已完成段落制定针对性解决方案，有力地保障了隧道施工安全及进度。该探测手段及处置方案可为今后类似工程提供施工参考。

参考文献：

［1］孙洪硕.穿越既有采空区隧道施工控制技术［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2014.

［2］梁健刚.张基屯隧道穿越采空区稳定性及治理措施数值模拟研究［D］.西安：西安科技大学，2019.

［3］黄海涛，程桦，赵红飞，等.高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析［J］.科学技术与工程，2020，20（26）：10900-10906.

［4］李建旺，冯仕文，周喻.隧道下穿采空区施工围岩灾变演化的力学机制［J］.中南大学学报（自然科学版），2021，52（2）：543-554.

［5］向晋扬，黄锋，王毅，等.采空区隧道二衬受力特性模型试验与耦合分析［J］.地下空间与工程学报，2021，17（3）：918-926.

［6］孙克国，刘旭，袁子义，等.下伏缓倾煤层开采对既有铁路隧道安全性影响分析［J］.中国铁道科学，2022，43（2）：86-95.

［7］潘锐，杜文正，程桦，等.隧道下穿采空区初期支护围岩变形及受力研究［J］.采矿与安全工程学报，2022，39（5）：901-910，920.

［8］崔文杰.公路下伏浅层采空区稳定性及变形特性研究［D］.济南：山东大学，2022.

［9］张朗.穿越采空区的隧道施工安全性分析与影响评价研究［D］.长沙：中南林业科技大学，2022.

［10］李锋.广州市某地铁穿越煤层采空区稳定性分析［D］.西安：西安科技大学，2021.

收稿日期：2022-12-07

作者简介：孙斌（1986—），男，本科，工程师，研究方向：隧道及地下工程施工管理。