中國既有隧道下伏煤礦采空區(qū)問題研究現狀及進展

張彩亮， 張玉芳,2， 姜惠峰

(1. 中國鐵道科學研究院研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所， 北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所， 北京 100081)

既有道路下采煤最基本的要求是保證車輛的安全運營。中國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一，煤炭資源儲量大，種類齊全，在全國范圍內廣泛分布。煤炭資源開采引起的地表沉陷易導致出現建筑物(構筑物)開裂倒塌、改變局部水文地質分布等病害，給礦區(qū)基礎設施建設留下大量安全隱患。作為中國傳統(tǒng)能源的煤炭，在為中國經濟持續(xù)發(fā)展提供可靠能源保障的同時，也產生了大量難以治理的采空區(qū)?，F階段中國煤炭采空區(qū)分布呈現老采空區(qū)、小窯采空大量存在，新采空區(qū)和規(guī)劃中的準采空區(qū)覆蓋區(qū)域不斷增加的態(tài)勢，采空范圍的擴大給礦區(qū)基礎設施建設，尤其是鐵路、公路等線狀工程的建設造成嚴重威脅。根據公開數據顯示，截至2018年底，中國鐵路營業(yè)里程超過13萬km，投入運營的鐵路隧道15 117座，總長16 331 km[1]。同時，得益于中國公路隧道建設的飛速發(fā)展，每年新增隧道里程超過1 100 km，目前中國公路隧道的建設數量、規(guī)模、建設速度均居世界首位。據不完全統(tǒng)計，截至2019年8月，中國已建、在建、規(guī)劃中的超長公路隧道總數24座[2]，超長隧道的全長均超過10 km。龐大的隧道數量和全疆域的空間覆蓋范圍決定了既有和待建隧道均不可避免地要穿越煤炭采空區(qū)。中國相關領域的專家、學者對采空區(qū)與隧道二者相互影響關系問題進行了一系列的研究，下面從以下幾個方面介紹現階段中國采空區(qū)隧道病害處治技術的應用與發(fā)展。

1 標準建設

中國在20世紀便認識到采空區(qū)的危害性，原鐵道部、交通運輸部、國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局、國家能源局等部門，頒布實施了一系列行業(yè)規(guī)范、規(guī)程和細則，從國家層面對采空區(qū)病害的處治進行了指導和規(guī)范。

1.1 鐵路隧道壓煤開采

鐵路壓煤開采主要依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定的建筑物、水體、鐵路，即俗稱的“三下”采煤技術?！叭隆辈擅杭夹g的研究歷史最先可追溯到19世紀的國外對礦區(qū)教堂的保護[3]。中國“三下”采煤技術的研究始于20世紀50年代，當時中外主要產煤國如中國、蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國、加拿大、波蘭和英國等均對三下采煤技術進行了詳細研究[4]。經過60多年的不斷實踐與發(fā)展后，中國的“三下”采煤技術已實現由學習國外先進經驗到逐漸形成中國特色的防治技術的轉變，其中部分技術的發(fā)展已屬世界先進，研究的最新成果為基于相關法律法規(guī)及規(guī)程編制的《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范2017年版》[5]。規(guī)程中明確了編寫目的、適用范圍、各方責任劃分、適用的保護性開采方法如采取井下充填、地面加固維修、房柱或條帶式開采等方面內容。

1.2 鐵路隧道建設

國家鐵路局2017年1月25日頒布實施的《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB 10003—2016)中指出，應根據采空區(qū)年代、規(guī)模、分布范圍、與隧道空間關系來評價采空區(qū)對隧道的影響程度，并明確應進行采空區(qū)處治的預設計。對施工中隧道應進行隱伏采空區(qū)的探測，評估其對隧道長期運營的影響，并對采空區(qū)段隧道的處治措施給出了設計建議[6]。對隧道建設過程中瓦斯的治理和防治工作主要依據《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》(TB 10120—2019)進行[7]。新建隧道及運營中發(fā)現采空區(qū)病害的既有隧道地段，在依據上述規(guī)范進行設計和治理前，并應先依據《鐵路工程不良地質勘察規(guī)程》(TB 10027—2012)查明采空區(qū)的規(guī)模、范圍、隧道病害成因，提出處理措施，并編制相關勘察資料[8]。

1.3 公路隧道建設

中國在高速公路建設中同樣積累了大量的寶貴經驗，結合國內研究成果，針對采空區(qū)的勘察、評價和治理方面的特點，編寫和頒布了《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31—03—2011)[9]。

上述標準的編制實施為中國建(構)筑物壓煤開采，鐵路和公路采空區(qū)隧道的勘察、設計、病害治理，提供了基本依據，在中國交通運輸建設過程中發(fā)揮了重要的作用。

2 探測手段

采空區(qū)空間位置、范圍、邊界的確定對于采空區(qū)的工程建設和采空區(qū)病害治理具有重要意義。由于采空區(qū)地質力學條件的復雜性，僅依靠調查訪問、既有采空區(qū)資料收集、工程地質測繪難以實現對采空區(qū)全面和正確的認知，因此常結合物探解譯、鉆探等勘察方法對上述采空區(qū)資料進行更深入的揭示。

物探技術在采空區(qū)的勘察工作中發(fā)揮了重要作用。在國外，除將物探技術用于采空區(qū)的探測外，還在解決廢棄礦井陷洞危險性評價，礦區(qū)塌陷敏感性分析，廢棄礦井巷道和考古工作中古隧道定位，甚至解決礦盤位置沖突引起的訴訟案件等類似工程背景的問題中得到拓展應用[10-14]。

目前，中國采空區(qū)探測常用的物探方法主要有微重力法、放射性法、電磁法、高密度電法、微地震法、地質雷達法、三維激光掃描法等，另外針對地質條件復雜、物探結果呈現多解性的情況，還常采用綜合物探法以提高探測精度。上述探測技術在中國的諸多工程項目中均有實踐和應用。

2.1 微重力法

郇恒飛等[15]為查明撫順煤礦采空區(qū)的規(guī)模和實際分布范圍情況，考慮到勘察區(qū)域位于城區(qū)存在機電和人文活動、地形地質條件復雜等不利因素，導致電磁法、電法、微地震法等常規(guī)物探手段受到局限的情況下，探討了高精度重力測量方法在城市采空區(qū)中的評價作用。張旭等[16]在研究遼源市區(qū)地下采空區(qū)分布時，因采空區(qū)大部分位于市區(qū)內導致無法采用交流電法、微地震法等探測手段，探測過程中選用了微重力法，并采用小子域濾波法進行場分離，然后采用邊界識別和聚焦反演的解釋方法，實現了采空區(qū)位置的確定。王延濤等[17]在山西中南部鐵路通道建設期間，需探明潞安北礦區(qū)內峪里、掩村村辦小煤礦的采空盲區(qū)，但因受王莊煤礦、漳澤電廠、高壓廊道影響地電信號干擾大，無法采用電磁法；工區(qū)距離長(治)邯(鄲)高速公路較近，受來往車輛和王莊煤礦采煤震動干擾，同時考慮安全因素，故無法選用微地震法；項目最終選用僅受高精度地形測量及高精度微伽重力儀影響的微重力法查明了采空區(qū)邊界，并進行了現場鉆探驗證，經分析，采空區(qū)巖層移動變形規(guī)律與勘探成果相符合。

2.2 放射性法

蘇彥丁等[18]利用煤層采空后會導致氡氣富集的原理，采用氡氣放射性異常探測法與瞬變電磁法相結合的探測手段，揭示了山西省呂梁地區(qū)臨縣縣城南某工作區(qū)采空區(qū)的范圍。應用經驗表明，氡放射性測量法雖具有探測速度快、資料處理快、費用低的優(yōu)勢，但其探測結果易受采空區(qū)形態(tài)、埋深、破碎帶等因素影響，應用中宜作為其他探測方法的輔助手段。張吉振等[19]認識到小煤窯采空區(qū)因歷史久遠、分布不規(guī)律、缺乏可供參考的采空資料對鐵路建設和運營威脅大的特點，研究中采用不受電磁和車輛等因素干擾的測氡法，并結合少量鉆探資料，確定了小煤窯采空區(qū)及其影響范圍。該研究成果對解決類似工程問題具有示范和指導作用。劉敦旺等[20]采用活性炭測氡法和瞬變電磁法相結合的勘察手段對古交市南巖村山鑫煤礦采空區(qū)進行探測，在證明活性炭測氡法探測煤礦采空區(qū)可行性的同時，指出測氡法雖具有靈敏度高、精度高、抗干擾性強、探測深度大等優(yōu)點，但并不能確定產生采空的具體煤層和確定采空區(qū)的深度，如要解決這兩個問題則必須同時結合高分辨率電阻率法對采空區(qū)進行共同探測。

2.3 瞬變電磁法

徐曉培[21]為調查山西某煤礦采空區(qū)的分布及積水情況，選用瞬變電磁勘探法進行勘探，通過對采集數據的整理分析，查明了采空區(qū)范圍及積水情況，并采用鉆探對勘察成果進行驗證，證明瞬變電磁勘探法在解決該類問題時具有高效和高精度的優(yōu)點。孫英峰等[22]采用瞬變電磁法探測兼并重組整合礦井采空區(qū)的方法，在物探工作開展前，按基本均勻分布的原則完成了勘探區(qū)背景場的測量和調查，并采用瞬變電磁法分別對通合2號煤層工業(yè)廣場和生產區(qū)的采空區(qū)進行了探測，探測數據解譯結果表明，上述二者分別存在3處和8處采空異常區(qū)。王鵬[23]在認識到將瞬變電磁法應用于埋深小于50 m的超淺層采空區(qū)時會存在最小深度極限及其導致異常響應等問題，為論證瞬變電磁法應用于超淺層采空區(qū)時的可行性，以陜北某煤礦為例，采用與現場監(jiān)測相結合的方法進行深入研究。經過鉆探驗證后的研究結果表明，瞬變電磁法最小探測深度以外的K型地電斷面結構能被準確反映，依據電性標志層特征變化圈定的采空區(qū)與鉆探結果一致，該方法可用于探測超淺層采空區(qū)，但最小探測深度極限等技術細節(jié)還有待深入研究。

2.4 高密度電法

劉國勇等[24]調查貴州省六盤水市某煤礦采空區(qū)的分布及積水情況，采用高密度電法進行勘探，并結合數值模型對采空區(qū)的不同填充類型進行分析，上述二者為高密度電法勘探數據精確解釋提供了有效的理論參考。張建強等[25]為研究內蒙烏海高壓供電線路上的小煤窯采空區(qū)的分布，選用高密度電阻率法進行探測，并對解決該類問題時的觀測布置、資料處理和地質解釋的基本原則進行說明。探測結果顯示對50號塔基穩(wěn)定性產生影響的根源為東北方向14號煤層的開采，并依據該探測結果對塔基的加固處理給出了建議，論證了高密度電阻率法對探測采空區(qū)的有效性。牟義等[26]為研究淺埋深采空區(qū)高密度電阻率法精細探測體系，以已知采空區(qū)分布的鄂爾多斯范家村煤礦為工程背景，采用分布式高密度電阻率法進行參數優(yōu)化試驗和采空區(qū)識別特征研究。研究結果表明，淺埋深采空區(qū)高密度電阻率法精細探測體系對淺埋采空區(qū)的探測效果較好。

2.5 微地震法

廉潔等[27]為查明義馬礦區(qū)煤層分布及小煤礦采空區(qū)位置，采用槽波地震透射法與反射法對上述煤層條件下的槽波響應進行分析研究。試驗結果表明，槽波地震勘探技術可以準確預測工作面內煤厚變化及確定采空區(qū)邊界，同時，槽波地震透射法與反射法相較于地面地震的方法，勘測結果的精度和可信度更高。金磊等[28]考慮到為確保寶日希勒露天礦南幫安全生產，常規(guī)探測手段探測小窯采空區(qū)70%的準確率已無法滿足安全生產的要求，為提高探測準確率，提出了井地地震技術。該技術對中國現代化大型露天煤礦的小窯采空區(qū)探測提供了一種實用的創(chuàng)新手段，并在該礦南幫進行了實驗驗證。苑昊等[29]認識到現有基于靜態(tài)時間地震數據的三維地震勘探技術只能定性確定采空區(qū)位置，無法準確圈定采空區(qū)的邊界和塌陷范圍。為了解決這一問題，利用地下煤層不斷開采后的地震反射特征會隨之改變的特點與油藏開采過程非常類似的現象，借鑒現代油氣藏動態(tài)監(jiān)測方法中的四維地震勘探技術，提出了采用四維地震探測方法的煤礦采空區(qū)識別方法，實踐證明依據該方法對淮南煤田張集煤礦的地震特征解譯可以識別和定量圈定采空范圍。

2.6 地質雷達法

王雪濤[30]在烏東煤礦綜放工作面頂板及采空區(qū)探測過程中應用地質雷達探測技術，準確探測了采煤工作面0～40 m范圍頂板垮冒及采空區(qū)的充填情況。李東亮等[31]認識到地質雷達是一種快速、高效的物探方法，但其探測距離受地質雷達功率和地質條件影響；探測精度則受限于地質雷達主頻，主頻越大分辨率越高，高頻電磁波對水的穿透能力極弱。為充分掌握ZTR 12礦用地質雷達在晉城礦區(qū)的適用性，選取了多個礦井進行試用。結果表明，數據反演時采用0.16 m/ns計算精度較高。地質雷達主頻分別選用50 MHz和200 MHz時，對應的分辨率分別為2 m和0.6 m異常體，探測距離應分別保持在50 m和24 m內。劉陽[32]研究了采用探地雷達技術對隱伏采空區(qū)目標進行提取的理論，建立了用于分析不同填充條件下采空區(qū)的反射和成像特征的采空區(qū)正演模型，研究成果為實際工程中的應用提供了重要依據。

2.7 三維激光掃描法

邱建龍等[33]采用新型三維激光掃描技術對河北省某民采礦山的采空區(qū)進行探測，與傳統(tǒng)物探技術相比，三維激光掃描技術可實現快速、安全、遠距離動態(tài)探測，同時三維掃描獲得的輪廓數據為后期導入FLAC3D、MIDAS/GTS等數值模擬軟件中生成采空區(qū)三維模型，進行穩(wěn)定性計算奠定了基礎。王瑞等[34]為解決傳統(tǒng)探測技術難以準確計算采空區(qū)體積的技術難題，采用三維激光掃描技術建立采空區(qū)的數值模型，理論模型與實際充填量對比計算誤差僅3.6%，該方法為采場充填體設計提供了依據。丁鑫品等[35]采用CALS鉆孔式三維激光掃描儀對平朔礦區(qū)安家?guī)X露天煤礦和東露天煤礦地下采空區(qū)進行探測，與傳統(tǒng)物探技術相比，三維激光掃描技術的探測資料更為詳盡，可測繪出采空腔體的埋深、形狀、走向、面積等參數，提高勘探效率，節(jié)約生產成本。

2.8 綜合物探法

薛國強等[36]對近年來常用的煤礦采空區(qū)探測技術如地震法、瞬變電磁法、高密度電法、微動法、放射性法和探地雷達法等地球物理方法的發(fā)展進行了概括，同時指出由于煤層開采年代常難以確定及地質條件的復雜性，需要根據不同地球物理方法的有效性選擇勘探手段，必要時需要采用綜合地球物理方法探測，以提高采空區(qū)探測的準確性。陳都等[37]以內蒙古包頭至陜西神木縣的大柳塔的鐵路沿線采空區(qū)探測工程為例，在應用瞬變電磁法對該礦區(qū)進行初步圈定的基礎上，采用共偏移距法、反射波法、天然源面波法以及人工源面波法4種探測方法結合的綜合物探技術進行勘測，實際工作效果證明上述綜合探測技術在該煤礦采空區(qū)的探測中非常適用，能夠比較精確定位采空區(qū)的范圍。于國明等[38]在解決某大廠區(qū)因煤層采空區(qū)充水，引起坡體蠕滑，導致主廠房產生嚴重的斷裂變形問題時，采用高精度微重力法、瞬變電磁法、人工地震法等相結合的綜合物探技術對坡體下埋深150～300 m、厚2～3 m的深部煤層采空區(qū)的范圍和邊界及地下水情況進行了探測，探測成果為治理坡體蠕滑變形提供了可靠依據。

2.9 物探原理及使用條件

根據上述最新研究成果，對各種物探技術的探測原理和適用條件進行總結，如表1所示。

表1 物探技術匯總及主要特點Table 1 Summary and main characteristics of geophysical prospecting technology

3 機理分析

目前，對采空區(qū)隧道病害產生的機理研究主要包括兩方面內容。一方面，常采用數值模擬和室內試驗的方法，通過考慮采空區(qū)與隧道的空間位置關系，例如距離、隧道下伏煤層傾角等影響因素，來認識采空區(qū)隧道病害發(fā)生發(fā)展過程；另一方面，利用相關理論和探測成果確立采空區(qū)穩(wěn)定性評價方法。

中國工程技術人員針對上述工作開展了大量研究和工程實踐。

3.1 數值模擬與室內試驗研究

李劍波等[40]結合某隧道工程實例，采用有限元軟件對高速公路隧道穿過采空區(qū)時二者的相互影響問題進行深入分析，得出隧道施工對采空區(qū)頂板局部應力分布有較大影響，但對采空區(qū)頂板整體穩(wěn)定性影響不大的結論，并根據計算結果得出確保二者穩(wěn)定性的最小安全距離。符亞鵬等[41]以達州—萬州高速公路天坪寨隧道為工程背景，采用有限元軟件針對不同傾角的下伏薄煤層采空區(qū)公路隧道施工問題展開研究，得出下伏采空區(qū)對隧道洞周位移、初期支護內力、圍巖塑性區(qū)的分布影響較大，特別是當傾角減小，洞周位移、隧道拱頂軸力均增大，塑性區(qū)范圍縮小，對隧道開挖穩(wěn)定性影響不利的結論。方勇等[42]為研究近接雙煤層采空區(qū)下隧道開挖引起的冒落帶疊加問題，基于第二相似定理建立室內模型試驗，試驗結果揭示了上述工況施工時采空區(qū)地層移動及隧道初期支護內力的分布規(guī)律，為評估該類隧道開挖對采空區(qū)地層穩(wěn)定性的影響提供了一種試驗模擬手段。張志祥等[43]針對交通荷載作用下既有隧道下伏采空區(qū)的重新“活化”問題，根據實際隧道工程地質條件采用相似定理建立室內模型，總結該類工況下采空區(qū)覆巖移動及地表殘余變形規(guī)律，并參考相關標準進行穩(wěn)定性評價。Fang等[44]采用縮尺模型對臨近上覆采空薄煤層的隧道施工對圍巖擾動后隧道結構的穩(wěn)定性問題進行了研究，模型考慮了不同垮落帶距離和煤層傾角的影響，試驗結果表明垮落帶距離對水平煤層的垂向壓力影響較大，傾角對傾斜煤層側壓力影響較大。Fang等[45]為了研究采空區(qū)圍巖的變形趨于穩(wěn)定后，因附近隧道開挖而活化的問題，以關斗山雙隧道為例，建立了考慮不同空間尺度效應的老采空區(qū)下穿隧道一系列模型試驗，研究了采空區(qū)對隧道襯砌的受力性能的影響，研究中將不同塌落帶-隧道距離和埋深作為重要影響因素，為采用試驗手段研究隧道下穿采空區(qū)問題提供了重要參考。

劉書斌等[46]采用FLAC3D數值分析軟件，對小凈距隧道近接下穿0°、15°、25°、40° 5種不同傾角薄煤層采空區(qū)開挖引起的采空區(qū)塌陷問題展開研究，研究結果表明采空區(qū)傾角會導致地層產生偏壓，該種情況下小凈距隧道的開挖易引起采空區(qū)塌落，通過先行洞中間斷面洞周位移、初期支護內力的數值結果分析，得出采空區(qū)地層、后行洞開挖對先行洞初期支護穩(wěn)定性產生影響的規(guī)律。

3.2 穩(wěn)定性評價方法研究

孔德民等[47]以山西省張家灣2號隧道采空區(qū)的勘察治理為例，對于大型煤礦長壁式機械化綜采形成的新采空區(qū)，依據《礦山開采沉陷學》中的剩余變形預計法，對老采空區(qū)依據《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31—03—2011)，采用力平衡分析法中的巷道臨界采深法，劃分采空區(qū)冒落帶、裂隙帶的范圍定量地評價了采空區(qū)對隧道穩(wěn)定性的影響。王樹仁等[48]在研究青島—銀川高速公路康家溝大橋與廟梁隧道下伏康家溝煤礦采空區(qū)時，為確保隧道工程安全，基于MIDAS/GTS有限元程序構建了FLAC三維計算模型，對施工過程中地表沉陷盆地特征、地層-隧道初襯結構相互作用等進行了數值模擬分析，并對隧道初襯結構關鍵部位的變形和受力進行了預測分析。姜紹祖等[49]通過調查獲取基本參數后，采用ANSYS有限元分析軟件模擬鐵路隧道下伏煤層開采后頂板巖體的應力、位移和破壞特征，采用概率積分法預測采空區(qū)范圍的地表變形、移動，兩種結果相互驗證后綜合評價采空區(qū)的穩(wěn)定性。韓憲軍等[50]在研究下伏采空區(qū)新建鐵路隧道問題時，認識到隧道圍巖的穩(wěn)定性與地下采空區(qū)存在相互作用關系。針對某實際工程，采用FLAC3D軟件建立擬建隧道與下伏采空區(qū)三維模型，分析結果表明，下伏采空區(qū)對隧道拱頂位置圍巖豎向沉降量及水平應力有顯著影響。Li等[51]針對既有巴岳山隧道受煤礦采動沉陷影響產生嚴重開裂問題，為評價采空區(qū)對隧道現在及其將來穩(wěn)定性的影響，采用概率積分法對隧道變形和沉降進行了計算，證明PIM經驗函數法可用于評價地下采煤引起的隧道徑向變形。Guo等[52]為研究廢棄采空區(qū)上方高速公路的失穩(wěn)風險，以模糊理論為基礎建立了風險評價模型。為提高評價模型的可靠性和準確度，采用灰色關聯(lián)分析法對風險評價因子的權重展開研究，并將德爾菲法和建立隸屬函數分別用于確定定性和定量因子的隸屬度。所建模型在烏云高速公路建設中得到成功應用，兩年多的監(jiān)測結果間接驗證了穩(wěn)定評價結果和路基處理方法的可靠性。

3.3 小結

上述研究雖然增進了人們對于采空區(qū)隧道病害產生機理的認識，確立采空區(qū)穩(wěn)定性評價的基本方法，但相關成果系統(tǒng)性不強，鮮見有將區(qū)域工程地質條件、采空區(qū)形成歷史、地表位移及裂縫展布規(guī)律和隧道病害相結合，進行系統(tǒng)性研究的報道[53]。研究過程中雖然形成了大量的研究成果，但研究過程數據難以直接為病害治理過程中的既有隧道的安全運營提供實時監(jiān)測和預警信息。

4 治理方法

目前，中國在采空區(qū)鐵路、公路隧道病害的治理工作方面，取得不少科研成果，并積累了一定的工程經驗。采空區(qū)采取的處治措施主要包括充填法、注漿法、回填法、跨越法、水誘導沉陷法等，其中對于既有隧道病害的治理仍以注漿法最為常用。

4.1 鐵路隧道下伏采空區(qū)病害治理

楊征等[54]以晉煤鐵路專用線棗園隧道下伏采空區(qū)治理工程為例，在保證隧道運行安全前提下，對注漿充填法施工過程中出現的問題進行深入分析，并提出相應的處理方法，為既有隧道下伏采空區(qū)的處治提供成功經驗。金鑫光等[55]分析了采空區(qū)對鐵路隧道工程的危害，針對晉城市王坡煤礦柏樹底隧道下伏規(guī)模大小不等、開采時間各異、自然跨落頂板管理方式的6個煤礦采空區(qū)，結合隧道下伏采空區(qū)的環(huán)境和工程地質條件，選用全充填壓力注漿的采空區(qū)的處治措施，并給出了注漿質量的檢驗方法。

4.2 公路隧道下伏采空區(qū)病害治理

Zhang等[56]認識到高速公路經過采空區(qū)時二者存在相互作用關系，采用有限元方法對高速公路建成后采空區(qū)的應力和變形特征進行研究，并建立了二維有限元模型，研究結果指出高速公路下采空區(qū)的變形尚未完成，必須采取相應的治理措施。吳永全[57]指出對于隨意穿越采空區(qū)的公路隧道工程，采空區(qū)處治措施選定的關鍵因素是采空區(qū)與隧道的空間位置關系，其根據兩者的位置關系將采空區(qū)分為4類，分別為上位式采空區(qū)、側位式采空區(qū)、下位式采空區(qū)、重疊式采空區(qū)。茍德明等[58]針對當前按照《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》進行下伏小煤窯采空區(qū)高速公路隧道施工風險治理費用高、施工難度大、治理范圍保守的問題。采用數值模擬方法對魚洞Ⅰ號隧道洞內注漿的整治效果進行分析，分析和實踐結果表明，相較于地表注漿，該措施可控制隧道結構變形，減小整治費用和施工難度。李昌龍等[59]基于廣東省韶關市芙蓉隧道工程，采用MSC-MARC數值分析軟件對采空區(qū)段隧道按照不處理、加強隧洞圍巖、采空區(qū)加強三種處治方案進行對比分析，最終優(yōu)選的加強措施為采空區(qū)區(qū)域40 m左右。

5 既有隧道采空區(qū)病害研究不足

中國隧道下伏煤礦采空區(qū)病害的研究多集中于新建隧道，雖然取得了顯著的成果，但尚未形成系統(tǒng)性的理論，尤其對于既有線隧道下伏采空區(qū)病害的研究更是鮮有報道。一方面，既有鐵路、公路隧道病害的治理，尤其是正線鐵路常有確保正常通車的要求，施工天窗點時間短，現場作業(yè)要求高，使病害調查、現場踏勘、病害治理的難度成倍提高。另一方面，既有隧道病害的治理過程常要求為正常通車提供預警信息。但現有隧道監(jiān)測技術如襯砌應力監(jiān)測，隧道洞內CPⅢ控制網測量；礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測手段如光電儀器測量法、GNSS測量法、INSAR法等[60-62]，均無法實現預警實時或達到精確性的要求。

既有隧道采空區(qū)病害的治理方面。中國對既有隧道采空區(qū)病害的治理仍以注漿法為主[52-53]，但治理理念有兩種。一種是采用各種探測手段，結合相關資料，查明病害產生的原因。明確病害產生的機理是由新采區(qū)采動、老采區(qū)活化、復雜山嶺隧道山體滑坡或其他原因引起的，然后對癥下藥進行治理。該種方法更科學規(guī)范，但勘察治理周期長，病害徹底治理周期長，需2年以上；另一種方法是對于時間緊迫搶險保通類項目，根據初步踏勘成果分析病害原因，借鑒以往類似工程經驗，采取措施進行臨時搶救性治理。該類方法作為一種應急處置手段雖可獲得一定的治理效果，但選用的臨時治理方案主觀性高，一般僅作為臨時性工程考慮。

6 結論及展望

6.1 結論

煤炭采空區(qū)對隧道的影響涉及區(qū)域工程地質和水文地質情況、隧道的設計方法和施工工法，隧道工程質量管理，隧道下伏煤礦的開采方法、安全煤柱留設方法、開采范圍的大小、有無私挖偷采現象等諸多因素的，其中各因素相互影響，病害生成機理復雜。但隨著采空區(qū)對隧道建設影響的研究不斷深入，目前對采空區(qū)在建隧道正在形成可靠的探測手段、分析和試驗方法，但對既有隧道病害研究相對較少。常規(guī)的研究方法是通過物探確定疑似采空區(qū)位置后，科學布設孔位開展工程鉆探，通過巖芯揭示采空區(qū)地層分布情況。根據鉆探結果，驗證疑似采空區(qū)位置，并對所采巖芯進行力學試驗。根據巖性資料和采空區(qū)空間位置，利用數值分析軟件分析采空區(qū)對隧道的大致影響范圍和規(guī)律，為病害處理決策提供依據。其中按照相似原理考慮各種影響因素而設計的室內模型試驗也得到不斷改進和發(fā)展。上述探測手段分析和試驗方法已被業(yè)界廣為認可，在隧道采空區(qū)病害的探測和治理的應用中取得了相當的工程經驗，為認識采空區(qū)病害的產生機理提供了必要的技術手段。另外關于采空區(qū)隧道建設已形成一系列標準可供工程技術人員選用。

6.2 展望

近年來，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，煤炭作為傳統(tǒng)能源，為人類提供便利的同時，也帶來大量的采空區(qū)問題。隨著大規(guī)模開采的進行，采空區(qū)對建筑物的不利影響問題日益凸顯。

6.2.1 建立健全法律法規(guī)

捷克學者David等[63]在研究捷克上西里西亞煤盆地卡爾維納地區(qū)地下煤礦開采引起的地面沉降對教堂的影響時曾發(fā)現，位于捷克東北部礦業(yè)城市卡爾維納郊區(qū)的阿爾坎塔拉圣彼得教堂，經歷2個世紀后的最大沉降量高達37 m，最大豎向傾斜值為6°47′。教堂原位于一座小山上，墓地位于山下谷底中，但是因地表沉降，目前教堂地面標高已低于墓地標高。由此可見，煤礦開采引起的地面沉降在特定地質條件下引起的地表變化是非常劇烈的。

美國在20世紀80年代便認識到采空引起的地面沉降問題是一個重要的環(huán)境問題，同時指出沉降對環(huán)境的影響可能是物理的、經濟的或心理的，在極端情況下還可能是災難性的。美國政府基于此進行了采礦有關沉降問題的立法建設[64]。

對于地面建筑來說，不均勻沉降對建筑的危害一般要大于均勻沉降，以捷克圣彼得教堂為例，教堂寬12 m、高17.5 m，教堂200年內沉降37 m后，最高點偏離垂直線2.09 m，其建筑用鋼帶分層加固、基礎經注漿加固后，至今仍聳立于地表[60]。但對于線狀地下工程來說，基本上不存在某區(qū)間段的均勻沉降，因此該類工程經過煤礦采空區(qū)影響范圍時，一旦發(fā)生沉降，常易超過構筑物抵抗變形的閾值，繼而會產生難以修復的病害。

因此在展開采空區(qū)隧道病害監(jiān)控、預警及治理技術研究的同時，根據采空區(qū)建筑物的重要性及產生病害后治理的難易程度，制訂專門的法律法規(guī)以規(guī)范煤炭企業(yè)、隧道參建各方和運營單位的正常生產和使用維護行為是非常有必要的。

6.2.2 新的探測手段

既有隧道下伏采空區(qū)病害的治理過程中常要求保障正常的通車條件，常規(guī)簡化計算、室內試驗或數值仿真分析雖然可以幫助技術人員正確認識采空區(qū)巖土體的變形規(guī)律，為病害的治理提供重要的理論依據，但是依賴上述方法的過程數據難以為既有線隧道提供實時安全監(jiān)測的災害預警信息。此外，由于受復雜工程地質條件的影響，隧道周圍深部巖土體位移兼具不確定和突發(fā)性的特點，工程技術人員憑借既有監(jiān)測手段對于采空區(qū)病害的治理往往具有滯后性，尤其對于是否正常通車的重大決策難以提供直接技術資料，正常運行的通車風險難以量化，交通中斷與否的決策常帶有主觀性。然而，正常通車又以嚴苛的安全保障為前提，因此在既有線下伏采空區(qū)病害的治理中，為獲得直接有效的預警信息，對隧道周圍深部巖土體的變形及位移輔以安全監(jiān)測手段十分必要。一方面實時監(jiān)測可以為正常通車提供預警保障，另一方面可通過監(jiān)測數據分析掌握采空區(qū)隧道周圍巖土體的變形和位移規(guī)律，為病害的科學處治提供依據。

通過布設高精度位移傳感器對既有隧道周圍深部巖土體位移進行實時監(jiān)測，以獲取直接可靠的預警信息必將是未來該研究領域的一個具有重大現實意義的新課題。目前，中國基于陣列式位移傳感器的深部位移監(jiān)測技術在深基坑和邊坡工程中得到應用，并收獲了良好的效果[65-66]，現階段已嘗試將該技術應用于既有鐵路隧道監(jiān)測預警中。

6.2.3 新設計理念和治理方法

未來采空區(qū)隧道病害的治理不能僅著眼于災后的治理，除在選線階段盡量繞避不良地質區(qū)域，加強隧道周邊煤礦開采的監(jiān)管力度外，可根據采空區(qū)變形特征，適當提高隧道基礎的自適應能力。例如Liu等[67]在研究位于山區(qū)地下煤礦開采區(qū)的山西省1 000 kV特高壓輸電線路基礎時，采用FLAC3D數值模擬軟件研究了采空區(qū)對輸電塔基礎穩(wěn)定的影響問題。研究指出塔基變形主要受采煤影響，受巖石邊坡滑動的影響不大。并基于研究結果，對塔式基礎設計和構造進行改進，監(jiān)測數據表明改造后的基礎可保證礦區(qū)輸電塔的安全和穩(wěn)定性，收獲了良好的技術效果。上述理念可供鐵路、公路隧道工程設計人員借鑒，即在線路無法繞避采空區(qū)時，可通過隧道設計階段的調整，主動提高構筑物適應不良地質條件的能力。

對于采空區(qū)病害治理常采用的注漿法，雖然現階段的治理效果顯著，但是當用于大埋深隧道病害的治理時，若采用地表注漿法，不但注漿量耗費大，而且注漿范圍不易控制，效費比偏低。目前一種多次分段控制注漿技術被應用于邊坡加固工程中并取得了成功，其可以根據地層鉆探情況控制注漿實現對軟弱巖土體精確定位加固[68]，該類技術可在既有隧道采空區(qū)加固中進行推廣應用，特別是對于隧洞內因行車無施工條件采用地表注漿時，該方法在控制注漿位置和范圍方面具有明顯的技術優(yōu)勢，開展類似精確定位加固技術在采空區(qū)病害治理方面的應用性研究工作具有重要現實意義。但注漿加固技術的應用效果，一方面受限于待加固區(qū)域的巖土體性質；另一方面該類型注漿加固機理的研究匱乏，注漿方法和范圍的控制及注漿后效果的評價，也缺少可供借鑒的先例。

6.2.4 信息化

既有隧道與新建隧道下伏采空區(qū)病害采空區(qū)的治理存在共性，但又具有明顯差異，尤其對于需要保證正常通車運營的線路，除安全性要求更嚴格外，常需要根據監(jiān)測情況提供預警功能。監(jiān)測預警數據具有種類多、數量大、處理過程繁雜的特點。未來建立綜合信息平臺，將所有監(jiān)測數據均實時上傳，實現病害隧道實時監(jiān)控預警，一鍵式生成監(jiān)測報告，將會是未來研究的重點方向。