段家堡隧道穿越采空區(qū)勘察方法及治理設(shè)計研究

董清志

(山西交通規(guī)范勘察設(shè)計院，山西 太原 030012)

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隧道工程

段家堡隧道穿越采空區(qū)勘察方法及治理設(shè)計研究

董清志

(山西交通規(guī)范勘察設(shè)計院，山西 太原 030012)

隧道穿越采空區(qū)，處理不當(dāng)對隧道的施工及以后安全運營都會產(chǎn)生較大影響，因此需要準(zhǔn)確查明采空區(qū)的空間位置，與隧道的交叉情況，分析其穩(wěn)定性，評價采空區(qū)對隧道工程的影響，提出合理的處治設(shè)計方案及檢測方法。通過山西大營至神池高速公路段家堡隧道穿越古采空區(qū)的實例，展示隧道穿越采空區(qū)時的勘察、設(shè)計及后期效果。

隧道；采空區(qū)；勘察；穩(wěn)定性分析；設(shè)計

1 工程概況

大營至神池高速公路是山西省 “3縱11橫11環(huán)”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中第三橫的重要組成部分，也是我省中北部地區(qū)西通陜、甘、寧，東達(dá)京、津、冀的重要戰(zhàn)略通道，路線全長64.673 km。段家堡隧道為分離式隧道位于路線里程右線K20+167～K21+794、左線ZK20+170～ ZK21+804。隧道在左線ZK20+910～ZK21+764、右線K20+906～K21+723段，在華融龍宮煤業(yè)礦區(qū)內(nèi)。

煤礦原名為正南溝煤礦，又名交山煤礦，原井口已掩埋，資料不詳，勘察難度很大。但必須準(zhǔn)確查明采空區(qū)的空間位置，與隧道的交叉情況，分析采空區(qū)的穩(wěn)定性，評價采空區(qū)對公路工程的影響，提出合理的處治設(shè)計，保障隧道安全。

2 自然地理條件

項目區(qū)屬大陸性半干旱氣侯區(qū)，四季分明，地貌單元為構(gòu)造剝蝕基巖山區(qū)。巖層為石炭系太原組(C3t)及二疊系山西組(P1s)，為煤系地層，太原組巖性以深灰、灰黑色頁巖、砂質(zhì)頁巖及灰、灰白色砂巖為主，局部夾有石灰?guī)r，含多層煤層，包括2#、3#、5#和6#共計4層煤，其中2#和5#為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，3#和6#為局部可采或不可采煤層；山西組上部巖性為灰色砂質(zhì)頁巖與細(xì)砂巖互層，下部巖性為灰白色塊狀中～粗粒長石石英砂巖，交錯層理發(fā)育，發(fā)育1#煤層，1#煤層為不可采煤層。地下水的補(bǔ)給與儲存條件差，總體屬于地下水貧乏地區(qū)。

3 采空區(qū)勘察

此項目區(qū)為古采空區(qū)，采用巷道式開采，無規(guī)則，隱蔽性較強(qiáng)，無開采資料及圖紙，應(yīng)側(cè)重于采空區(qū)專項調(diào)查、物探和鉆探。

根據(jù)調(diào)查，煤礦影響路線采空區(qū)分布于路線里程樁號K20+906～K21+950段，長1 044 m。路線影響范圍內(nèi)工作面開采時間為2003年，開采2#、5#煤層。2#煤層采厚3.1 m，5#煤層厚度2.4 m，局部開采，6#煤層厚度為1.4 m，未采。巷道式開采，回采率30%，煤層產(chǎn)狀320°∠18°～20°。還需物探和鉆探進(jìn)一步確定與查明要素。

物探是對有懷疑的影響路線范圍內(nèi)進(jìn)行大面積掃面，對于重點懷疑區(qū)應(yīng)采用兩種物探方法進(jìn)行相互印證，物探結(jié)果出來后在物探異常區(qū)內(nèi)進(jìn)行鉆探驗證確定異常區(qū)的準(zhǔn)確性。布設(shè)驗證鉆孔16個，6個鉆孔鉆至采空區(qū)(掉鉆孔4個鉆孔，最大掉鉆3.4 m，2個鉆孔鉆至采空區(qū)冒落帶)，其他鉆孔鉆至煤層。

通過對疑似采空區(qū)區(qū)域物探與鉆探，最終確定華融龍宮煤業(yè)采空區(qū)，采空區(qū)分布在左線ZK20+910～ZK21+764(右線K20+906～K21+728)，線路范圍內(nèi)采空區(qū)總長度854 m，但ZK20+910～ZK21+113(右線K20+906～K21+118)段采空區(qū)位于隧道頂部30 m以上，對隧道無影響，因此對隧道有影響的采空區(qū)位于ZK21+113～ZK21+764(右線K21+118～K21+728)，采空區(qū)影響路線長度651 m。

采空區(qū)位于地表下埋深76～184 m，段家堡隧道穿過采空區(qū)，采空區(qū)ZK21+133～ZK21+430(右線K21+118～K21+415)為2#、5#雙層采空區(qū)，ZK21+430～ZK21+764(右線K21+415～K21+728)為2#煤單層采空區(qū)，開采方式均為巷道式，2#煤層采厚3.1 m，5#煤層采厚2.4 m，回采率30%，地表未見陷坑和裂縫。在ZK21+113～ZK21+764(右線K21+118～K21+728)，采空區(qū)長度631 m。2#煤層與采空區(qū)交叉段路線樁號為ZK21+312～ZK21+337(右線K21+309～K21+336)，線路ZK21+113～ZK21+312(右線K21+118～K21+309)段采空區(qū)位于在隧道之上，ZK21+337～ZK21+764(右線K21+336～K21+728)段采空區(qū)位于在隧道之下；5#煤層與采空區(qū)交叉段路線樁號為ZK21+198～ZK21+223(右線ZK21+180～ZK21+205)，線路ZK21+113～ZK21+198(右線K21+118～K21+180)段采空區(qū)位于在隧道之上，ZK21+223～ZK21+430(右線K21+205～K21+415)段采空區(qū)位于在隧道之下。

采空區(qū)特征整體如下：

(1)其內(nèi)部構(gòu)造條件較簡單，巖層單傾，但地形高差較大，造成采空區(qū)埋藏變化較大，華融龍宮煤業(yè)采空區(qū)在76～184 m之間。

(2)開采2#和5#煤層，為單、雙層采空區(qū)，采厚2.4～7.0 m。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

隧道開挖改變了隧道應(yīng)力分布，周邊巖土體出現(xiàn)松動變形。一般認(rèn)為，隧道開挖后引起的塑性擾動范圍為隧道開挖半徑的3～5倍，為了避免隧道的破壞，在此范圍內(nèi)的采空區(qū)須處治。因此采空區(qū)頂部洞身及三倍洞徑不穩(wěn)定須處治，隧道頂部30 m以上對隧道無影響無需處治。

多年的穩(wěn)定性的評價方法研究中，出現(xiàn)了多種方法：概率積分法、地表變形觀測法、模糊數(shù)學(xué)方法、采深采厚比等級評價標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行評價及極限平衡分析法等穩(wěn)定性評價方法。線路下覆采空區(qū)為不規(guī)則柱式采空區(qū)，因此應(yīng)根據(jù)其采深采厚比的規(guī)定評價場地穩(wěn)定性。

華融龍宮煤業(yè)采空區(qū)位于地表下埋深14.8～171 m，與設(shè)計線位交叉，設(shè)計線位下采深0～149，2#煤層采深采厚比0～48.6，上部為中硬覆巖，因此為不穩(wěn)定。

5 采空區(qū)處治設(shè)計

采空區(qū)處治有多種方法，但針對無規(guī)律的古采區(qū)，采用全充填壓力注漿法是最適宜的，通過多年實踐及山西粉煤灰材料的運用，宜采用注水泥粉煤灰漿。

隧道采空區(qū)的注漿材料、注漿壓力、充填率及檢測項目如下：水泥、粉煤灰固相比3∶7；終孔壓力為2～3 MPa；充填率為95%；漿液結(jié)石體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不小于2.0 MPa。

采空區(qū)注漿孔需鉆至采空區(qū)地板以下1 m，鉆孔分為帷幕注漿孔和注漿孔。帷幕注漿孔處治范圍最外側(cè)一圈孔，孔距應(yīng)小于一般注漿孔，孔均為10 m。中間區(qū)域為注漿孔，呈梅花型布設(shè)。鉆孔順序為，先鉆帷幕孔，帷幕孔注漿完成后再打一般注漿孔，一般注漿孔應(yīng)按采空區(qū)地板高程從低到高的順序進(jìn)行處治。

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

帷幕孔根據(jù)具體情況，添加速凝劑的方式使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止內(nèi)部一般注漿孔漿液流失。

6 采空區(qū)處治檢測

采空區(qū)處治結(jié)束6個月后，應(yīng)進(jìn)行孔取芯、孔內(nèi)波速測井、孔內(nèi)電視攝像、注漿檢測、地表變形觀測等，進(jìn)行采空區(qū)處治效果檢驗、評價。公路主體工程(隧道)應(yīng)在采空區(qū)處治施工后，經(jīng)檢測認(rèn)為施工質(zhì)量滿足要求后方可開工。

7 結(jié) 論

(1)隧道采空區(qū)易引起結(jié)構(gòu)變形，后期處理難度大，因此在選線時，重視地質(zhì)選線，盡量繞避采空區(qū)。

(2)古采空區(qū)具有隱蔽性和復(fù)雜性，勘察難度大，必須足夠重視。

(3)高速公路影響范圍內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)管，發(fā)生新采或復(fù)采，應(yīng)及時對采空區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充勘察設(shè)計。

[1] 鄭金龍. 穿煤隧道壓煤及其對隧道穩(wěn)定性影響的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2000.

[2] 李曉紅，姜德義等 公路隧道穿越采空區(qū)治理技術(shù)研究[A].巖土力學(xué),2006,(6):910-915

[3] 姜巖, 田茂義. 礦山開采地表下沉與變形預(yù)計新方法[J].礦山壓力與頂板管理,2003,(3):64-67.

2016-08-05

董清志(1983-)，男，河南濮陽人，工程師。

U452.1

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1008-3383(2017)05-0145-02