隧道過采空區施工技術探討

郭 濤

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

1 概論

1.1 地形地貌

忻保高速全長為190.2 km，分布在山西北中部忻州、原平兩市境內，郝家里煤礦采空區位于山西省保德縣橋頭鎮，根據施工圖設計階段工程地質勘查報告，煤礦采空區分布在黃土丘陵區。微地貌表現為黃土梁、峁、坡地和沖溝。沖溝方向為北西—南東向，寬度10 m～120 m，切割深度為8 m～50 m，形態呈樹枝狀。溝底兩側有小面積的基巖出露。由于人工整修，地表多為臺階和耕地，大多與路線斜交。海拔高程在1 104 m～886 m之間。植被稀少，以農作物為主，局部有灌木。

1.2 氣象

項目區內地處中緯度地帶的晉西北黃土高原，既遠離海洋，又受山岳阻隔和內蒙古沙漠的影響，屬典型的溫帶大陸性半干旱氣候區，地形復雜，多為山地丘陵，地形切割劇烈。降水少，晝夜溫差大。區內年平均氣溫為8.8℃，1月份溫度最低，7月份溫度最高。極端最低氣溫－25.5℃，極端最高氣溫37.2℃。區內降水量受地形地貌的控制而出現差異性，隨海拔標高增高降水量增大，春季偏少，夏季集中，全年降水集中7月～9月三個月，保德縣年平均降水量493.6 mm，年最大降水量862.4 mm，年最小降水量194.8 mm。無霜期161 d。凍結期始于11月上旬，解凍期為3月中旬，最大凍土深度150 cm。

1.3 施工條件

1)交通:施工地點距岢嵐至保德省道很近，交通方便。

2)通訊:可在施工現場安裝固定電話，亦可使用移動電話。

3)居住條件:現場附近租用民房，亦可自建臨設。

4)施工用電:可通過煤礦接動力電，也可自備電源。

5)施工用水:朱家川河水。

1.4 勘察成果概述

郝家里煤礦對工程影響嚴重，左線采空區長度1 413 m，右線采空區長度1 365 m，左右線累計長度2 778 m。剩余空洞總體積169 159 m3。

郝家里煤礦性質為村辦，開采時間為1995年～2006年，已關閉，年生產能力5萬t，斜井開拓，房柱式開采，開采8號、10號和11號煤層，采厚分別為3 m，2 m，2 m，回采率60%，煤層產狀270°∠5°，煤層偽頂偽底均為泥巖，老頂為厚層狀砂巖，老底為砂質泥巖。采空區埋深0 m～52 m，最大累計采厚7 m，采深采厚比0～11。煤礦采空區對郝家里隧道影響嚴重。

煤礦采空區分布于左線ZK174+790～ZK174+830為10號和11號煤層雙層采空區;右線 K174+790～K175+000，左線ZK174+830～ZK174+970為8號、11號煤層三層采空區，右線K175+000～K176+217，左線 ZK174+970～ZK176+115為8號煤層單層采空區。

2 處治設計原則和依據

2.1 設計原則

采空區經過處治后，地基能夠更有效地保證穩定性，達到公路工程的標準要求。

2.2 設計依據

本設計文件所依據和參考的主要技術文件有:《忻保線初步設計階段煤礦采空區工程地質勘察報告》《高速公路采空區勘察設計與施工手冊》。

2.3 處治標準

本項目的采空區處治設計依據采空區勘察成果，結合工程類型及其重要程度采用不同治理標準，工程類型分橋隧和路基兩大類，治理范圍、注漿材料、注漿壓力及充填率、檢測視工程類型有所差異。

1)圍護帶(B):橋隧B值取20 m。

2)注漿材料:橋隧水泥、粉煤灰固相比為3∶7。

3)注漿壓力:橋隧終孔壓力一般為2 MPa～3 MPa。

4)充填率:橋隧充填率為90%～95%。

3 處治工程設計

3.1 處治方案的選取

依據我省在大運高速公路、太長高速公路、離軍等高速公路對采空區的處治經驗，本方案采用全填充注漿法來處治。

郝家里煤礦巷道塌落，井口封閉，不能進行井下巷道砌筑。綜合考慮采用水泥粉煤灰漿液充填法進行處治。

3.2 灌漿孔設計

灌漿孔分帷幕孔和注漿孔。帷幕孔孔距為20 m～25 m，注漿孔孔距為20 m～30 m。

采空區灌漿孔設計深度一般都在地表至采空區底板1 m以下。每百米孔斜不超過2°。

采用φ=50 mm鋼管對孔口管進行注漿，注漿管長度為地面之上1 m至完整基巖下6 m處的深度。

花管注漿采用φ=75 mm的PVC管，注漿管長度為地面至采空區底板的深度。

3.3 漿液配合比設計

采空區治理的標準應視所處工程類型的重要程度有所差異，對橋隧工程，用水泥粉煤灰作為注漿漿液，漿液配比、注漿壓力、充填率及結石率等參數取高值，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，水固比1∶1.5～1∶1.0。

3.4 采空區注漿量設計

考慮在注漿過程中漿液損失，注漿量按下式計算:

其中，A為漿液損耗系數，取值1.1;ΔV為采空區剩余空隙體積，m3;η為漿液充填率，取值0.9;C為漿液結石率，取值80%～85%。

橋隧及路基工程處治標準參數對比見表1。

表1 橋隧及路基工程處治標準參數對比

3.5 本項目工程量

總鉆孔數460個，鉆探總進尺53 789 m，注漿總量169 159 m3。

4 工藝設計

4.1 注漿系統

注漿系統由料場、一級攪拌池(機)、二級攪拌池(機)、供水系統、注漿泵、壓力表、封孔裝置、注漿管道和投砂漏斗等構成。

4.2 施工工藝及要求

本工程施工工藝流程見圖1。

本工程制漿工藝流程見圖2。

圖2 工程制漿工藝流程

5 工程質量檢測

工程質量檢測包括施工過程中的質量檢測和施工結束后的工程質量檢驗。

5.1 施工過程中的工程質量檢驗

施工技術人員必須掌握采空區治理工程的目的、加固原理、技術要求和質量評定標準等。施工中應有專人負責質量控制和檢測，并做好施工記錄。

施工單位的自檢:原材料檢驗，包括水泥、粉煤灰、砂或細骨料的檢驗，原材料的出廠檢驗單、每批量的檢驗等。每班對漿液配合比、漿液參數如結石率、粘度進行測試和試塊制作。

5.2 施工結束后工程質量檢驗和驗收

采空區處治效果的檢驗和評定在處治結束后的3個～6個月后進行。

工程質量檢驗的方法:有鉆探、物探、漿液結石體物理力學參數指標測試、地表變形觀測、孔內二次注漿和電視攝影等方法。

隧道的檢查孔按每100 m布置一個，孔位按左右線跳隔設置，隧道的進出口深30 m須設置檢查孔。

6 施工注意事項

1)采空區的施工經檢測驗證，符合設計標準后，才能進行下一工序即主體工程的施工。2)PVC花管注漿先做現場試驗，根據實際情況進行工藝調整。3)協調煤礦留設高速公路保安煤柱，避免形成新的采空區，對公路工程造成影響。

[1] JTJ 076-95，公路工程施工安全技術規程[S].

[2] JTJ 041-2000，公路橋涵施工技術規范[S].

[3] 建設工程安全生產管理條例[S].

[4] 中華人民共和國安全生產法[S].

[5] 忻保線初步設計階段煤礦采空區工程地質勘察報告[R].2009.

[6] 山西省建設廳.高速公路采空區空洞勘察設計與施工治理手冊[M].北京:人民交通出版，2006.