高速公路隧道穿越小型采空区安全施工技术.pdf

速公 路 隧道穿越小 型采空 区安全施工技术 张坤 ，张学民2 ，李斌4 1 ．贵州高速公路开发总公司，贵州 贵阳5 5 0 0 0 4；2 ．贵州省交通规划勘察设计研究院股份公司，贵州 贵阳5 5 0 0 8 2； 3 ． 中南大学土木工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 5 ；4 ．贵州省质安交通工程检测中心有限责任公司，贵k ll 贵阳5 5 0 0 0 1 摘要 高速公路 建设 中 ，地 下采空区问题 一直是 一个棘 手的问题 ，上世 纪非法无序 乱采滥挖遗 留的大量 小煤 窑采空 区对新建隧道施工安全和结构稳定影响极大。结合杭瑞高速公路遵义至毕节段第2 O合同段谢都隧道工程，分析 了小 型采空 区的特点及施工风险 ，探 讨 了隧道拱顶相对采空 区底板不 同径向距 离时的风险分级与安 全施 工技术措施 。隧道 安全通过采空 区地段 ，为今 后类似工程施工提 供借鉴经验。 关键词隧道工程；采空区；小煤窑；施工对策 中图分类号 U 4 5 8 ． 1 文献标识码 B 2 0世纪 末 以来 ，我 国矿 业开采 秩序较 为混乱 ， 非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边 留下了大量 的采空区，对穿越矿区的新建隧道工程危 害极大，极 易造成支护结构的变形、开裂、沉降甚至发生坍方， 个别隧道运营期间仍在持续整治。大量采空区隧道工 程勘察表明，许 多矿 区地下采空区的资料较难搜集 ， 尤其在一些地方小矿及个体小煤窑 ，由于管理混乱 ， 资料短缺 ，很难搜集到比较详细的资料。这使得隧址 影响范围内采空区的勘察工作变得极为复杂，从而给 采空区隧道 的设计和施工带来 了很大的困难 。目前针 对采空区隧道的设计 与施工虽然积累了大量 的经验 ， 但相关设计理论 尚不完善，实际设计、施工 中采用的 工程措施基本以工程类比及施工实践为主 ，实际工程 中因采空区引起 的初期支护大变形 、塌方、涌水、涌 泥及二次衬砌开裂等安全质量事故时有发生。 针对采空区隧道安全施工面临的上述技术难题 ， 以杭瑞高速公路遵义至毕节段第二十合 同段谢都隧道 为依托工程 ，在总结采空区隧道施工风险基础上 ，分 析采空区对隧道安全施工 的影响 ，重点总结隧道下穿 采空巷道的不同处理方案及应用效果。 1 工程概 况 杭瑞高速公路遵义至毕节段第二十合同段谢都隧 道 ，为 2车 道分 离 式 隧道 ，左 幅 隧 道起 讫 桩 号 为 Z K 1 7 2 67 8 0一Z K1 7 2 84 1 5 ，全长 1 6 3 5 m，最 大埋 深为 9 8 m，右 幅隧道 起 讫 桩号 为 Y K 1 7 2 67 3 5 ～ Y K1 7 2 8 4 3 0 ，全长 1 6 9 5 m，最大埋深 9 8 m。左右幅 隧道平 面线形进 口段均位于 R1 6 5 0 m 的圆曲线上 ， 中间为直线 段 ，出 口段 均位于 R6 0 0 0 m 的圆 曲线 上。左右幅隧道均为上坡 ，纵坡为 1 ． 9 ％。 隧道进出口位于岩溶洼地边缘山脚 ，隧道东西 向 穿越山体，最高海拔 1 7 8 8 m，最低海拔 1 6 1 1 m，相对 高差约 1 7 7 m。隧道进 口处坡度较缓 ，坡度 1 O～2 0 。 ； 出口坡度较陡，坡度 3 0 4 0 。 ，局部基岩裸露。隧道 轴线通过地面海拔高程为 1 6 2 91 7 5 0 m，相对高差约 1 2 1 m，隧道 区地 貌类 型属 构 造侵 蚀 ～溶 蚀 型 中低 山貌。 隧道场区上覆第 四系黄、黄褐色粘土 Q 圳 、 碎石土 Q “ ，下伏基岩为二叠系上统龙潭组煤 系地层泥质粉砂 岩、炭质泥岩 ；二 叠系下统茅 口组 P l m灰 一深灰色 中厚 ～厚层状灰岩。隧道洞身 围 岩级别以 I V 、V级为主，自稳性差。隧址区矿业资 源丰富 ，由于 上世 纪 无 序 开采 ，谢 都 隧 道 进 口端 2 0 0 m范围内分布着大量小型采空区 ，直接影 响隧道 安全施工。该段 围岩级别为 V级 ，设计支护参数 如 图 1所示 。 2小煤窑采空区分布规律及塌陷特点 2 ． 1 小煤窑采空区分布情况 谢都隧道进 口端 2 0 0 m范 围内分布 的大量小型采 空区具有上述典型特点。该区段表层为黄色粘土，浅 层为煤线层 与泥质页岩 ，下 伏全风化 ～中风化粉砂 岩，岩体裂隙间填充着黄褐色硫铁矿；底层为向上穿 插且溶槽及溶洞非常发育的石灰岩。 进 口段隧道埋深较浅 ，拱顶埋深约 0～3 0 m，隧 顶地层分布大量小型硫铁矿采空区。采挖坑洞深度在 作者简介张坤 1 9 7 7 一 ，男，贵州平坝人，主要从事高速公路施工与项目管理。 2 0 1 3年 8期 总第 1 0 4期 1 9 5 图 1 V级 围岩 隧道 结 构 加 强 支 护参 数 5～ 3 0 m，多数坑洞底部 向 四周护展 ，形成水平延伸 距离不等、形状不规则的采空区，部分坑道已坍塌， 地表裂缝发育 ，坑道深部积聚 C O 等有害气体 ，给施 工带来极大不利影响。 2 ． 2 小煤窑采空区塌陷特点 地下开采使岩层 内部的原始应力平衡状态遭到破 坏，引起岩层和地表移动及应力重新分布，从而形成 采空区和地表塌陷。工程 中常把采空区上方岩层 内的 开采影响叫 “ 顶三带”，即冒落带、导水裂缝带和弯 曲沉降带。跨落带 、导水裂缝带 、弯曲沉降带统称为 采空区。通常情况下 “ 顶三带” 只有在采深大于 5 0 1 0 0 m时且采空上覆地层岩性属中硬时 ，才能够形 成 明显的 “ 顶三带 ”影 响。采深较 浅的小型采空 区 通常无明显的 “ 顶三带”影响。根据现场调查结果 ， 参考类似工程经验总结 ，浅覆小型采空区的分布特点 可概括为 1 采 空区为典型 的个人或村集体开采 ，开采 范围小，深度 浅 ，多在 5 0 m深 度 以内，规模 不大 ， 但巷道分布具有密集性和不确定性 ，探测难度高。 2 采空区平 面延伸一般为 5 0～2 0 0 m，以巷道 采掘为主 ，分布无规律 。采区巷道高度和宽度一般为 2～3 m，大多不设支撑或开挖中仅设临时支撑 ，大部 分已塌落或部分塌落。常发生抽冒型或切冒型出现不 同程度的地表塌陷 ，地表变形剧烈。 3 因开采范围窄，地表一般未出现明显的移 动盆地 ，但因采深浅且顶板任其跨落 ，一般沉降影响 直达地表 ，出现不同程度的地表沉陷，形成塌陷坑。 4 地表沉陷 以上宽下窄 的地裂缝 和形态多样 的不规则塌陷坑为主，且塌陷坑大多由地裂缝进一步 1 9 6 2 0 1 3年 8期 总第 1 0 4期 发展演化而成 ，规模大小不等。 3 小煤窑采空 区隧道风险分析 3 ． 1 施工风险分析 采空区对隧道 的危害与采空区规模、采空区与隧 道的相互关系、采空区岩层产状、隧道埋深等密切相 关。与大型矿区采空区相比，小煤窑采空区主要是 由 个人或村集体无序开采遗留下来的，规模虽小，但一 般年代久远 ，隐蔽性强，加之开采深度浅 ，勘察期 间 不易发现 ，直接影 响隧道施工安全和支护结构稳定 性。根据隧道相对采空区的相对空间关系，小煤窑采 空区隧道施工风险可概括为 1 大变形或塌方施工风险 当采空区位于隧道拱部一定距离或侧向范围时 ， 受爆破振动及开挖扰动影响 ，围岩发生应力重分布 ， 塑性区和松动区进一步扩大，易引发隧道支护结构的 大变形、失稳及坍方。 2 突水或涌泥施工风险 采空区分布无规律 ，有些空区已塌陷而有些空区 未塌陷，探测难度大 ，当隧道顶部或侧向采空区积聚 大量地下水时 ，施工中揭穿采空区易发生涌水或突泥 等安全事故 。 3 有害气体积聚风险 采空区极 易积 聚瓦斯 、二氧化碳等有毒有 害气 体 ，揭穿采空区后直接危及施工人员生命安全。 4 隧道运营风险 当采空区处理不当时 ，运营期隧道易出现衬砌开 裂 、渗漏水等病 害。特别 是当采空区位于隧底 以下 时，漏探或处理不到位 ，基底出现不均匀沉降而导致 路线纵坡不平顺 ，同时也可能引起隧道整体结构的变 形 、开裂 、路面破坏 ，甚至隧道整体失稳，从而影响 隧道运营安全 。 因此 ，浅埋小煤窑采空区隧道施工相对大型采空 区而言 ，施 工 风 险更 高 ，施 工 中易 发生 安 全 生 产 事故。 3 2 隧道顶部小煤窑采空区施工风险分级 根据谢都隧道超前地质预报结果 ，小型采空区主 要位于隧道拱顶上部地层。为了便于施工管理和采取 相应 的处理方案 ，基于隧道荷载 一结构设计法和 围岩 塌落拱理论，按公式 1 计算隧道垂直等效荷载高 度，以此高度作为施工风险等级划分的参考标准。 h 0 ． 4 52 , - 1 W 1 式中，s 为围岩级别 ，如 I I I 级 围岩 S3 ；W为宽度 影响系数 ，W1i B一5 ；B为隧道 开挖 跨 度 ／ 7 1, ；i 为围岩压力增减率 以 B 5 m为基准 ，当 B 5 m，取 i 0 ． 1 。 谢都隧 道设 计 开 挖宽 度 为 1 2 ． 0 7 m，根据 公 式 1 可得到 V级 围岩垂 直塌落拱 的等效 高度为 1 2 ． 5 m，取安全高度为 1 3 m。根据塌落拱计算高度， 图 1 给出了隧道顶部小煤窑采空区与隧道断面的4种 相对空 间关系 ，据 此进行小 型采空 区隧道施工风 险 分级。 当采空区底板距 离隧道拱部大 于 1 3 m时 ，可认 为采空 区对隧道施工影响较小 ，可按一般浅埋隧道 V 级 围岩组织施工。当采空区底板距离隧道拱部径 向距 离小于 1 3 m或隧道洞身穿 过采空区时 ，根据采 空巷 道与隧道相对空间关系将施工风险分为 3级 ，并据此 分别采取不同施工处理措施 。 a 无风险 b 低风险 ～～ ～～ ～～ ～～ ～～ c 高风险 d 极高风险 图 2 采 空区与隧道相 对空间关 系示意 图 1 低 风险采空 区段 隧道拱顶距离采 空区底 板径向距离 5 ． 0 mh1 3 m，当围岩节理发育 、掌子 面 自稳性差 ，地下水丰富且采空区聚积地下水及有毒 有害气体时 ，隧道施工可能造成掌子面失稳 、涌水 、 突泥或有害气体异常涌出等 ，但可采取合理加 固技术 措施和优化施工工序通过采空区。 2 高风险采空 区段 隧道拱部距离采 空区底 板径 向距离 2 ． 0 m h5 ． 0 m，当围岩富水软 弱，掌 子面 自稳性差时，隧道施工存在拱部支护结构变形、 拱部涌水 、突泥、塌方或有害气体异常涌出等安全事 故。施工 中需遵循采取 “ 超前探、管超前 、短进尺、 弱爆破、强 支护 、勤量测 、早 封 闭” 的原 则 ，合 理 安排施工工序 ，加强超前支护通过采空区。 3 极高风 险采空 区段 隧道拱部距离采 空区 底板径向距离 h2 ． 0 m或采空 区已侵入 隧道 断面上 部 ，隧道拱部更易发生塌方、涌水 、突泥或有害气体 异常涌出等事故。此类采空区施工难度大 ，需要对采 空区采取专 门处治方案通过。 4隧道穿越小型采空区处治方案 4 ． 1 隧道穿越小型采空区施工程序 1 施工前调查 根据原设计图纸 ，该隧道此段没有采空区，勘察 及设计单位均未提供与采空区有关的详细资料。在隧 道施工进洞前对隧址范围内采空区的大小及形态特征 进行详细的调查 、勘测 ，尽可能提前确定采空区与隧 道轴线桩号的准确相对位置，同时掌握采空区内是否 有积水、是否存在有毒有害气体等情况，为针对性制 定安全施工专项案提供数据。 2 施工超前探测 施工过程 中按 3 0 m一个循环对掌子 面前方地层 采用地质雷达进行超前探测 ，确定地质结构 、采空洞 或岩溶分布状况 。基于超前地质预报结果 ，对预报中 潜在洞穴或围岩较差地段掌子面前方及拱顶范围采用 9 m钻杆再作超前钻孔探 测 ，进一步核 准地质状况 ， 查明洞穴分 布形态。探孔沿拱 弧线 向外与掌子 面呈 3 0～4 5 。 角 向外 侧 钻 探 、环 向 间距 3 m、纵 向间距 4 ． 5 m、每排集 中于拱顶钻探 5处，呈伞状布置，如 图 3 所示 。查明采空区位置与地质情况后 ，针对采空 区在隧道内所处不 同方位及地质状况 ，采取不同的处 理措施。 图 3 采 空区超前探测孔布置断 面图 3 采空区施工应对措施 如不同超前探测方法均未发现洞穴或采 空巷道底 部距隧道开挖拱径向距离较大且 围岩较好 ，则按实际 围岩级别进行开挖支护，继续掘进。同时 ，根据不 同 里程隧道埋深及其地表采空坑洞情况，适当加强初期 支护参数 ，如调整钢拱架规格或间距 ，提高初支结构 抗变形刚度 ，防止施工 中拱顶采空区受洞内施工扰动 2 0 1 3年 8期 总第 1 0 4期 1 9 7 而产生坍塌冲击荷载 ，影响隧道结构安全 。 根据超前探测结果 ，如拱顶发现采空区，根据采 空区底板与隧道拱顶之 间的距离 ，划 分施 工风险等 级 ，进而确定不同的风险处治措施。 4 ． 2 隧道穿越小型采空区处治措施 1 隧顶围岩超前注浆预加 固措施 超前注浆加固方案适于采空洞底部距隧道开挖拱 弧径向距离 5 m h1 3 m的低风险采矿区段。超前支 护采用 , ／ 4 24管长 6 m，环 向间距及 纵向排距均为 8 0 c m，梅花形布置 ，同一排钢 花管 自掌子面沿开挖 方 向以隧道 中心线为 中心 1 2 0 。 范 围内呈伞状 布置 ， 并与掌子面呈 4 5 。 角 见 图 4 ，对整个拱 部注浆加 固，形成帷幕注浆加强壳 ，再进行开挖掘进作业 。 向 80cm ，纵 ／ ／／ ／ ／ ／ 初 支 I20b 二衬／ l l I 1 I 1 1 仰 拱 j I 2 0 b 型 钢 拱 架 ， 间 __-_-__ I ／／ ／ ／ ／／ ／ A 图 4超 前 注 浆预 加 固方 案 2 高低双层注浆小导管加 固措施 该方案适于采空洞穴底部距隧道开挖拱弧径向距 离 2 ． O mh5 ． O m 的高风险采矿区段。采用不同插 入角的双层超前小导管注浆 ，并联合钢架挂网、喷射 砼进行支护。小导管的第一层为水平层 ，采用 6 6 0 X 4 、L9 m 注浆钢 花管，环向间距 5 0 c m，倾 角 1 0～ 1 5 。 ；第二层为斜 向小导管 ，采用 24 、L 4 m注 浆钢花管 ，环 向问距 5 0 c m，与水平层小导管间隔布 置，纵 向排距 2 m，倾角 3 0～ 4 5 。 ，如图 5所示。 p 4 2 c mX4 注浆管， L 4 ． O m 4 2 c mX4 注浆管， L 9 ．O m 图5 高低双层注浆小导管加固方案 3 初支结构顶部外侧增设护拱 该方案适 于隧道拱部距离采 空区底 板径 向距离 1 9 8 2 0 1 3年 8期 总第 1 0 4期 h2 ． O m 或采空区已侵入隧道断面上部 的极高风险采 矿区段。具体方法是首先清除采空巷道围岩体 ，后采 用间距为 5 0 c m 2 0 b工钢拱架 ，拱架 顶设 置双层 网眼 均 1 0 X l O c m、规格为 6 ． 5钢筋 网片 ，再分成 喷射 6 0 c m厚 C 2 0喷射混凝 土。待初期支护完毕且混凝土 达到一定强度后 ，再在拱顶上部浇注 1 IT I 厚 C 2 5混凝 土护拱并在护拱顶设 置 1 ． 5 m厚砂粒缓冲层 ，如图 6 所示。在实施初期支护时，根据清空面积计算出预埋 钢管的长度及间距并预埋在初支中作为护拱与缓冲层 的施工通道。 顶板 图 6 高低 双层 注浆 小导管加 固方案 5 结语 无序开采形成的小型采空区直接影响隧道工程施 工安全和结构稳定性 ，易造成隧道支护结构变形 、开 裂、不均匀沉降甚至坍方事故 。 在现场调查和施工风险分析基础上 ，将隧道上部 采空区施工风险分为 3级 ，并制定了相应穿越采空区 的综合治理技术措施 ，在依托工程 中得到成功实施 ， 为今后类似工程提供了参考经验。 参考文献 [ 1 ] 朱勇．小煤窑 采空 区隧道 的勘察设 计．现代 隧道技 术 ， 2 0 0 8， 4 5 31 6 06 4． [ 2 ] 邱钰 ， 童立元 ， 方磊．华南低 山丘 陵区高速公 路穿越 采空 区路 段 治理技术研究．公路交通科技 应用技术版 ， 2 0 1 2 7 6 06 4 ． [ 3 ] 龙彪 ， 李汉光 ， 杜广 印．矿 区老采 空区高速公 路建设 关键技术 分 析．公路交通科技 应用技术版 ， 2 0 0 8 1 2 8 6 8 9 ． [ 4 ] 李辉 ， 炊鹏飞 ， 杨 小红 ， 等．隧道下穿采 空 区的监 测及结果 分析． 地下空间与工程学报， 2 0 1 1 0 4 7 5 37 5 8 ． [ 5 ] 郭海坡．特 长隧道横穿古煤窑及煤层采空 区安全施工技术．隧道 建设 ， 2 0 0 9 s 2 1 2 01 2 4 ． [ 6] 黄磊 ， 卢义玉 ， 粟登峰 ， 等．公路隧道穿越急倾斜采 空区的治理技 术 ．公路交通科技 ， 2 0 1 2 1 1 8 O一8 5 ．