隧道采空區的施工處理技術

盛明

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

1 采空區概況

新建鐵路準格爾至東勝線虎石至準格爾召段公溝隧道洞身經過內蒙古滿世忽吉圖村煤礦與敖家溝煤礦的分界線處，隧道進口及進口端路塹大部分已經采空，開采的主要為3#煤，采空頂底板標高1316－1321m，采空區高度2.5－4m，開采方法為房柱式開采，留有不規則煤柱，據其特征將其歸為現代小煤窯采空區，其中DⅡK45+422～DⅡK45+500段地面嚴重塌陷，巖體破碎，裂縫發育，塌陷間距一般3～5m，塌陷及裂縫走向主導方向為N40度。

2 采空區處理方案

該段采空區鉆孔預注漿加固采取地面鉆孔注漿相的方式，布置七排鉆孔，最外緣兩排為地面帷幕注漿孔，中間五排為地面填充注漿孔。

地面帷幕注漿孔偏離隧道中線15m，縱向間距為4m，為豎直鉆孔。填充注漿孔以隧道中線為軸按梅花型對稱布置，縱向間距均為4m，填充注漿鉆孔均改為直孔。

該方案降低了施工難度，易于作業，避免了因隧道與采空區交叉施工造成的人員、機械設備的浪費，大大降低了成本;使注漿質量更好的得到保證，本隧道進口在進洞前要進行深路塹的開挖成型才能進洞，該方案使采空處理可以在路塹開挖和隧道進場前完成，使隧道開挖的安全系數得到了很大提高，總工程進度提前。

3 鉆孔的施工

地面帷幕注漿孔20個，累計進尺1451.57m;填充注漿孔90個，累計進尺3648.12m;檢查孔累計進尺461.46m;合計總進尺為5561.24m。

成孔工藝根據本采空區的特點，鉆探施工情況為:

(1)地面帷幕注漿孔和填充注漿孔成孔。采用地質鉆機－300型，配Φ130mm合金鉆頭(不取心鉆頭)開孔，鉆至完整基巖4.5m后，下入Φ121mm×6mm熱軋無縫鋼管(孔口管)，換Φ108mm合金鉆頭(不取心鉆頭)鉆進至設計孔深。

(2)檢查孔成孔。地面帷幕注漿孔擬采用地質鉆機－300型，配φ91mm合金取心鉆頭或復合片取心鉆頭開孔，取心鉆進至設計孔深;填充注漿孔擬選用MK—5s型全液壓鉆機，配φ91mm合金取心鉆頭或復合片取心鉆頭開孔，在隧道內取心鉆進至設計孔深。

4 注漿施工

4.1 注漿材料的配制

4.1.1 帷幕注漿原設計采用壓注配合比為1:0.6－0.8 (水:粘土)，干料中水泥摻量為20%;填充注漿采用壓注配合比為1:0.4－0.6(水固比)砂漿強度宜為M7.5，注漿過程發現空洞時，及時填灌細碎石和粗砂，邊填邊注漿，壓漿過程發現注漿量很大，加水玻璃和氯化鈣速凝劑，摻加量通過試驗確定。

4.1.2 壓注前應我們先通過模擬試驗，對配比進行合理的調整，將壓注配合比為0.8:0.4:0.5(水:水泥:粘土)，這樣確保了灌注質量。28天結石強度應≥440kpa。注漿過程發現空洞時，填灌細碎石和粗砂，邊填邊注漿，壓注漿液應加3%速凝劑，試驗是用架子管搭起架子到一定高度，下方用與鉆孔孔徑相同的鋼管，地面做一個與采空巷道類似的木箱，按設計配比注入漿液看其最終塌落、密實度和流動性，丈量其形成的回填體，計算鉆孔間距和巷道大小，看其是否能填充完全，兩個鉆孔是否純在間隙，理論見(3)。下位模擬圖:

4.2 注漿參數

4.2.1 注漿壓力

注漿壓力提供漿液在巖體裂隙擴散、流動、滲透、擠壓、劈裂等作用所需要的能量。實踐表明，注漿壓力愈大，漿液擴散范圍愈大，結石體強度愈高，固結的巖體強度提高幅度愈大，注漿加固破碎巖體的效果愈好。但對于局部注漿加固的工程，過大的壓力可能導致漿液擴散很遠，造成漿液的大量浪費。注漿壓力的選取沒有統一的標準，工程中一般根據工程性質憑經驗選取注漿壓力。影響注漿壓力選取的主要因素有地層深度、靜水壓力、巖體結構特性、裂隙和結構面大小、注漿材料及其性能、注漿方法和注漿工藝等。對于采動斷裂帶注漿加固，在注漿初期一般為孔口無壓力注漿;在后期可施加一定的孔口壓力以保證有效裂隙的充分充填、滲透，施加的孔口壓力p

可按下式計算:

45p=0.02H(MPa)(4—3)

式中H為注漿段到地表的深度，m。

4.2.2 漿液擴散半徑

漿液擴散半徑是本論文研究的重點。漿液擴散半徑影響注漿加固范圍內巖體的密實性，在給定注漿孔間距條件下，漿液擴散半徑越大，各注漿孔漿液擴散圈重疊范圍越大，則巖體裂隙的充填密實度越好，注漿效果越好。擴散半徑影響注漿孔布置和鉆孔工程量，擴散半徑大，注漿孔間距可增大，從而節省鉆孔工程量及其工程費用;但注漿孔間距過大有時可能難以保證注漿質量，漿液擴散半徑受巖體結構特性、裂隙方向、漿液粘度、注漿壓力、注漿量、注漿孔直徑、巖體非均勻性和各向異性等因素的影響。從實驗的結果來看，影響漿液擴散半徑最大的因素是注漿壓力，其次是地層特征，漿液的性能對擴散半徑影響相對較小。

4.2.3 注漿量

為了獲得良好的注漿加固效果，必須注入足夠的漿液量，確保漿液的有效擴散半徑。

4.3 單孔注漿結束標準

(1)在每個注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當孔口壓力在0.5～1.0PMa，注漿泵吸漿量小于70L/min穩定繼續注漿10～15分鐘的情況下，方可結束單孔注漿。

(2)當注入一定漿量，孔口壓力＜0.3MPa，若出現地表裂隙大量跑漿時，即可結束該孔的注漿施工。

(3)對于單孔注漿量按該孔鉆探資料預計注漿量小很多或注漿過程中突然起壓的鉆孔，應進行待機掃孔反復注漿的方式進行注漿，一直達到預計注漿量和單孔注漿結束標準后方可終止該孔注漿。

4.4 注漿技術要求

(1)每個孔在注漿前根據鉆孔揭示的資料分析該孔可能遇到的注漿情況，如果是遇到煤柱，則適宜采用稀漿灌注，掉鉆時則應準備好骨料(砂)，在注漿中若注漿量較大時應提高漿液濃度同時適當加入速凝劑并做好投放骨料(砂)的準備，或者采用間歇式注漿的方式進行注漿。

(2)對于一次連續注漿量超過1500m3的鉆孔，宜采用間歇式注漿法進行注漿，間歇時間不小于8小時。

(3)根據設計要求，每孔注漿采用先稀后稠的漿液配比方法，注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種現象，收集原始數據，并根據實際情況及時調整注漿量和漿液濃度

(4)注漿過程中若出現地表裂隙大量跑漿時，應采用間歇式注漿，或減小泵量及采取地表充填裂隙的措施，阻止漿液從地面大量流失。

(5)同一排上的注漿孔采用間隔跳躍或分三個次序注漿。同一次序的孔可以同時施工，不同次序的孔應按照規定的次序進行。

(6)注漿工作結束后，拆除孔口套管及止漿裝置，用注漿的漿液將孔內的殘漿全部置換或新鮮漿液，直至孔口地面進行封孔。

(7)做好注漿全部技術資料和基礎數據的記錄，包括漿孔深度、注漿壓力、每段注漿導管的孔內長度及每段的注入漿量、終止壓力、各段注漿或輔助工作起、止時間、漿液配比、單孔注漿量、間歇式重復注漿次數、終止注漿壓力、泵量等，確保漿液質量和單孔注漿量的準確性。

(8)嚴格按規定進行注漿間歇，以實現設計意圖、達到預期的注漿效果。

5 質量檢查

質量檢查分三期進行。

I期:全部漿液結石體28天后，鉆質量檢查孔取巖芯，評價空洞的填充是否達到質量標準要求的填充率不得小于75%，填充物28天的結石抗壓強度≥0.44MPa，結實率 ＞90%。經檢查注漿質量需達到設計要求。

Ⅱ期:采用注水試驗，檢查空洞填充率是否達到要求，經檢查需達到設計要求。

Ⅲ期:主要進行沉降觀測，在隧道內布置沉降觀測樁，對運營前后進行觀測，運營一年后的總沉降量為5mm，小于設計要求的10mm，符合要求。

6 總結

在此次隧道采空區施工中，進場前進行了施工方案的詳細論證，從現場實際出發，考慮到施工難度、工程質量、安全風險、工程經濟、工程進度等多方面因素，對原設計方案進行了優化，經過施工證實該方案經濟合理、安全可靠，具有一定的推廣價值。

［1］李銳.東都至平邑鐵路下伏大型采空區處理整治技術.城市建設理論研究，2012(4)

［2］崔玖江，郭建國.鐵山隧道采空區處理.石家莊鐵道學院學報，1998(S1)

［3］張高青.大運公路介休至霍州段靈石隧道采空區處理技術研究.長安大學，2011(5)