上覆煤層采空區(qū)對公路隧道的影響分析及處治技術(shù)

王銳，田嬌

(1.貴州省興義公路管理局，貴州 興義 562400；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

高速公路隧道為線性工程，由于采空區(qū)覆巖的不均勻沉降變形，很容易造成隧道路面錯落起伏、襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂等破壞現(xiàn)象，對高速公路隧道的正常運(yùn)營以及破壞后的補(bǔ)救修復(fù)，構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患和潛在危害。地下采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測等特點(diǎn)，高速公路隧道采空區(qū)的潛在危害性評價(jià)及其處治技術(shù)研究，是高速公路建設(shè)中急待解決且具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題，深入研究采空區(qū)的工程性狀與工程災(zāi)害問題，對于工程的安全運(yùn)營具有重大意義。

近年來，在工程實(shí)踐中關(guān)于采空區(qū)的勘察、穩(wěn)定性評價(jià)和治理方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，諸多學(xué)者在這些方面也做了大量研究并取得了較好的成果，但研究對象大多為下伏采空區(qū)，對于上覆采空區(qū)的研究很少，特別是上覆采空區(qū)與隧道的相互影響及相應(yīng)的處治技術(shù)方面尤為欠缺?，F(xiàn)行JTG/T D31-03-2018《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》對上覆采空區(qū)也僅作了原則性規(guī)定，其操作性及對類似工程的指導(dǎo)性不強(qiáng)。該文以某公路隧道為例，以現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值計(jì)算為手段，分析上覆采空區(qū)對該公路隧道穩(wěn)定性的影響，總結(jié)采空區(qū)與隧道的安全距離，探討上覆采空區(qū)高速公路隧道有效的處治方法。

1 工程概況

某隧道為雙向四車道公路隧道，隧道洞身圍巖均為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M煤系地層，出口端分布有大量民間采煤煤洞，隧道通過地區(qū)采煤層數(shù)為兩層，煤層厚度0.4～2.5 m，煤層層間間距2.0～3.5 m，采空區(qū)與隧道緩傾斜相交，采空區(qū)的高度約為5.5 m，隧道與采空區(qū)的距離最大約為70 m，往隧道出口方向延伸，采空區(qū)距隧道頂部的距離不斷減小，在洞口處，隧道頂部標(biāo)高與采空區(qū)標(biāo)高幾乎相同，如圖1所示。

圖1 隧道出口端縱斷面示意圖

1.1 工程特征

(1)場地整體穩(wěn)定性極差。該地區(qū)采煤時(shí)間較長，煤層的開采使得大面積采空區(qū)存在于隧道洞身及其影響范圍內(nèi)，采空區(qū)冒落帶、裂隙帶發(fā)育范圍大，破壞了原有圍巖體的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致該隧道所處場地整體穩(wěn)定性極差。

(2)圍巖強(qiáng)度低。洞身圍巖為第四系碎石土及煤系地層強(qiáng)至中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層，隧道出口端碎石土覆蓋層很厚，圍巖本身強(qiáng)度不高，加上采空區(qū)老窯積水使得圍巖強(qiáng)度大大降低。

(3)地表沉降控制要求嚴(yán)。隧區(qū)地表居民住房密集，過往煤層開采出現(xiàn)過致使地表沉降過大、民房開裂的情況。隧道位于淺埋段，產(chǎn)狀水平，圍巖自穩(wěn)性差，施工過程中對場地的擾動及采空區(qū)的影響易引起隧道洞身圍巖失穩(wěn)坍方及地表塌陷，從而對地表住房產(chǎn)生影響引起涉農(nóng)問題。因此該隧道的施工對地表沉降的控制尤其嚴(yán)格。

1.2 工程難點(diǎn)

全洞段均位于含煤地層內(nèi)，隧洞出口洞段均位于采空變形區(qū)內(nèi)，整體成洞條件差，隧洞開挖易出現(xiàn)垮塌，危及洞頂及附近村民房屋及其他建筑物安全。現(xiàn)行規(guī)范對采空區(qū)僅作了原則性規(guī)定，對工程的指導(dǎo)性不強(qiáng)，該隧道建設(shè)需評價(jià)采空區(qū)對公路隧道穩(wěn)定性的影響，分析確定采空區(qū)與隧道的安全距離，并提出有效的處治方法。

2 采空區(qū)范圍隧道圍巖穩(wěn)定性分析

選用MidasGTS NX數(shù)值計(jì)算軟件分析上覆采空區(qū)對隧道的影響。選取隧道距采空區(qū)0～10、10～30、30～50、50～70 m共4個段落，對在既有上覆采空區(qū)條件下開挖隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析圍巖的穩(wěn)定性。計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

隧道與采空區(qū)相對位置縱斷面如圖2所示，各區(qū)段的計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

各區(qū)段隧道豎向位移最大值及處治建議見表2。

表1 計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道與采空區(qū)相對位置縱斷面示意圖(單位：m)

圖3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表2 采空區(qū)各區(qū)段隧道最大豎向位移及處治建議

當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離為0～10 m時(shí)，圍巖塑性區(qū)貫通至地表，大范圍出現(xiàn)大變形，已經(jīng)遠(yuǎn)超隧道周邊設(shè)計(jì)允許變形值[(0.2～0.8)B=26～104 mm，覆蓋層越薄，要求越嚴(yán)格]，上覆采空區(qū)的存在對隧道影響很大，需對隧道進(jìn)行處治；當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離為10～30 m時(shí)，上覆采空區(qū)的存在對隧道有一定的影響，圍巖的變形量不是很大，但是塑性區(qū)與采空區(qū)貫通，避免隧道開挖再次擾動采空區(qū)引起較大塌陷，需對隧道進(jìn)行適當(dāng)處治，保證圍巖穩(wěn)定；當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離大于30 m時(shí)，上覆采空區(qū)對隧道影響很小，可以忽略采空區(qū)的影響。

3 采空區(qū)范圍隧道圍巖處治方案

對隧道與采空區(qū)距離為0～10 m的段落，采用超前管棚注漿、斜向鋼花管注漿及環(huán)向鋼花管注漿的方式對隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固處理：φ108 mm×6 mm超前管棚，長9 m，環(huán)向間距40 cm，縱向排距400 cm，外插角5°～8°；φ42 mm×4 mm斜向(環(huán)向)注漿鋼花管，長4.5 m，間距50 cm×80 cm(縱×環(huán))，梅花形布置。對隧道與采空區(qū)距離為10～30 m的段落，采用超前小導(dǎo)管注漿及中空注漿錨桿注漿的方式對隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固處理：φ42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管注漿，長4 m，環(huán)向間距40 cm，縱向排距200 cm，外插角10°～15°；φ25 mm中空注漿錨桿，長3.5 m，間距50 cm×120 cm(縱×環(huán))，梅花形布置。

施工過程中對隧道圍巖進(jìn)行超前加固處理確保圍巖穩(wěn)定后方可進(jìn)行下道工序施工，且在施工過程中必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及對有害氣體的檢測、防止老窯積水從裂隙滲出流入隧道引起突水突泥等問題、避免對隧道洞身造成大的擾動、加強(qiáng)注漿質(zhì)量控制。

對處治后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，超前支護(hù)及加固區(qū)計(jì)算模型如圖4所示，超前支護(hù)及加固區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，其余參數(shù)與表1相同。

圖4 超前支護(hù)及加固區(qū)計(jì)算模型

表3 超前支護(hù)及加固區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)

各區(qū)段隧道在圍巖注漿加固處理后的豎向位移如圖5所示。由圖5可以看出：經(jīng)加固處理后，隧道的最大沉降值分別為12.9 mm(隧道距采空區(qū)0～10 m)及9.3 mm(隧道距采空區(qū)10～30 m)，符合變形控制的要求。

圖5 圍巖注漿加固后的豎向位移(單位：m)

4 處治效果評價(jià)

將采空區(qū)范圍內(nèi)隧道圍巖不處治及處治情況下的位移計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

表4 采空區(qū)各區(qū)段隧道豎向位移對比分析

由表4可知：經(jīng)處治，較好地控制了圍巖穩(wěn)定，達(dá)到變形控制要求。對比分析可知，當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離為0～30 m時(shí)，對隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固處理，有效地減少了隧道變形量。位移實(shí)測值與處治后的位移計(jì)算值較接近，驗(yàn)證了處治方法的有效性，同時(shí)證明了數(shù)值分析的可靠性。

該隧道于2018年6月27日正式通車運(yùn)營，在運(yùn)營期隧道處于正常服役狀態(tài)，說明該隧道采取了較好的處治措施，控制了隧道及地表變形，順利通過了煤層采空區(qū)。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離小于10 m時(shí)，上覆采空區(qū)的存在對隧道影響很大，需對隧道圍巖進(jìn)行處治以確保隧道正常施工及運(yùn)營。

(2)當(dāng)隧道與采空區(qū)的距離大于10 m且小于30 m時(shí)，上覆采空區(qū)的存在對隧道有一定影響，需對隧道圍巖進(jìn)行適當(dāng)處治以避免再次擾動采空區(qū)，確保圍巖穩(wěn)定。

(3)對于Ⅴ級圍巖，上覆采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)影響的安全距離可取30 m。

(4)當(dāng)采空區(qū)處于隧道上方，且隧道與采空區(qū)的距離小于二者的安全距離時(shí)，對隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固處理，能起到較好的效果，可以基本消除采空區(qū)對隧道的影響。

(5)通過工程實(shí)踐給出了上覆采空區(qū)公路隧道的有效處治方法，并通過數(shù)值分析驗(yàn)證了方法的可靠性。