隧道下伏采空區病害特征分析及治理措施研究

賈曉軍

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

山西省煤炭資源豐富，經過多年的開采，已經形成了3×105km2的采空區[1]。隨著高速公路的不斷發展和建設，高速公路隧道工程不可避免地要跨越或穿越采空區。由于隧道下伏采空區覆巖的不均勻沉降使隧道建成后易出現襯砌結構破壞，隧道輪廓侵入界限，路面下沉，側溝排水不暢等病害。這些病害的發生不僅使隧道的養護和維修十分困難，也會影響高速公路的正常運營，甚至危及行車安全。本文就以臺子山隧道為例，分析采空區對隧道穩定性的影響，在此基礎上，探討其處治措施。

1 工程概況

臺子山隧道位于大同市南郊區鴉兒崖鄉胡家灣村、官窯村與上窩寨之間，由西至東穿越口泉山脈的臺子山隆起段。臺子山隧道于2003年4月開工，2004年9月建成通車運營，該隧道為單洞雙向隧道，隧道凈高5 m，凈寬9 m。起止樁號為K1+765—K4+320，長2 555 m，最大埋深309.24 m，其中進口明洞各為15 m。隧道底板下存在煤礦采空區，為減少采空區煤層的冒落、裂隙等對圍巖穩定性的不利影響，同時為預防采空區引起的不均勻沉陷，引起隧道的變形，影響隧道的安全運營，施工前首先對采空區進行了注漿處理，同時增設了縱向受力鋼筋來加強隧道的整體剛度，在受采空影響范圍內的圍巖二次襯砌中環向每隔50 cm設φ25的縱向鋼筋，縱向鋼筋每隔50 m一段。

2 隧道病害特征

臺子山隧道2007年5月發現襯砌出現裂隙，隨后裂隙寬度逐漸增大，同時電纜溝的蓋板也逐漸出現了反翹現象，到2008年9月，襯砌變形已經發展到比較嚴重的程度，裂縫寬度一般為1～4 mm，洞壁變形嚴重段裂縫寬度可達5～10 mm，部分裂縫兩側不平整，有的錯臺，嚴重段錯臺達11 mm，電纜溝的蓋板反翹其相對高度達6～11 mm。隧道路面也不同程度地出現了下沉和裂縫。目前K2+115—K3+100段隧道襯砌裂縫較大，有的區域襯砌拱頂、拱腰及邊墻出現了混凝土剝落，目前該病害有繼續發展的趨勢。

表1 裂縫程度分布表

3 病害原因分析

隧道穿越的地層有侏羅系砂頁巖，山西組砂頁巖，太原組砂頁巖，本溪組砂頁巖、寒武、奧陶系灰巖，在隧道頂上侏羅系7號、8號煤層在隧道上部賦存，厚度0.1～0.7 m，局部可采，其中8號煤距隧道頂板40～70 m；隧道進口K1+765—K3+280段底板下存在11號、14號兩層煤層采空區，11號煤層在K2+542以西位于隧道以下，距隧道底板最大距離為20 m，K2+542—K2+596段隧道與煤層相交，K2+596以東位于隧道以上，距隧道頂板58 m，14號煤層位于隧道以下，距隧道底板最大距離40 m。經過多年的開采，兩層煤的回采率平均為85%，而且14號煤層仍在自燃，根據有關資料及目前的自燃程度，剩余沉降變形值平均為45%。經過勘察，14號煤層的火區已經延伸到了隧道下伏煤層，隨著火區的延伸，14號煤層預留煤柱也發生了不同程度的自燃，由于14號煤層距離隧道底板最大不超過47 m，失去煤柱支撐的上部巖層受重力及外部壓力（車輛荷載的作用下）的共同作用，在豎直方向上逐漸產生拉伸變形，發生冒落，最終導致隧道病害的發生。

4 處治措施

針對該隧道病害采取的處治原則：處治后的隧道在運營過程中，襯砌不再發生大的開裂，不產生破壞和影響公路工程正常使用的變形，保證隧道安全營運。

4.1 襯砌裂縫加固措施

裂縫程度一般區域的采用掛網加固的處理方法，即對隧道襯砌安裝鋼筋網+錨桿，再噴射混凝土進行加固；裂縫程度嚴重區域采用套拱加固即對隧道襯砌進行套工字鋼，再噴射混凝土進行加固。

4.2 采空區處治措施

臺子山隧道之所以出現病害，主要是由于受隧道底板下的采空區變形的影響，因此，進行采空區處治是實現隧道病害根治的重要手段。

4.2.1 采空區處治設計方案

鑒于隧道下方采空區變形較大，故在施工時設計勘察鉆孔，以鉆孔的技術參數來確定采空區的變形情況。在隧道中線兩側15 m范圍內進行處治，即處治寬度為30 m。帷幕注漿孔的間距為10 m，布孔位置為隧道中線4 m處，傾斜角度為66.6°，孔深21.8 m，鉆孔的底部距離隧道中線為12.5 m；注漿孔的設計深度為地面至采空區底板以下0.5 m，注漿孔的注漿長度為采空區上部最完整基巖頂面以下6 m至采空區底板，孔口管長度為地表之上1 m至完整基巖以下6 m處的深度[2]。

4.2.2 注漿材料及配合比

a）帷幕注漿孔，采用“水泥+粉煤灰”，水固比為1∶1.0～1∶1.3。水泥占固相的30%～40%，粉煤灰占固相的60%～70%，結石體抗壓強度要求大于0.9MPa。

b）注漿孔，采用素水泥漿，水∶水泥為0.6～1.0，在注漿的過程中，結石體抗壓強度要求大于1.0 MPa。

在正式施工前，應按施工時使用的水泥、粉煤灰，在實驗室做漿液配合比試驗，試驗內容應包括每立方米干料含量、漿液濃度、最終凝固時間、結實率、試塊無側限抗壓強度等。

5 質量檢測

5.1 襯砌裂縫加固效果的檢測

5.1.1 物探檢測

隧道工程具有隱蔽性，當隧道工程施工完成后，混凝土強度、厚度以及鋼拱架的間距僅從外觀上采用目測、尺量等方法還遠遠不能對工程質量進行全面完整的評定，施工完成后，用地質雷達和回彈儀對隧道襯砌質量進行綜合評價。

5.1.2 鉆芯

根據需要可對襯砌進行鉆芯，可以掌握噴射厚度，同時可用取芯試塊進行強度測試。

5.2 采空區處治效果的檢測

依據山西省已建成的高速公路煤礦采空區處治工程的經驗，采用下列方法進行工程質量檢測。檢查孔：注漿施工結束6個月后，進行鉆孔檢驗。鑒于本工程處治的重要性，檢查孔設為6個，檢查孔深度為地面至采空區底板的深度。通過孔內取芯直接觀察采空區的漿液充填情況，并結合鉆探過程中循環液的漏失情況及孔壁的穩定性等評價注漿質量，巖芯在標準養護72 h后，進行無側限抗壓強度測試。物探檢測法：對處治后的采空區采用孔內波速測井技術，測定平均剪切波速，若波速大于160 m/s，則注漿質量符合要求。

結合鉆探和物探資料，在全面分析研究資料的基礎上，確定注漿質量是否合格，是否需補充注漿[2]，做出綜合評價。

6 結論

a）隧道主要病害為襯砌變形及路面下沉、裂隙。

b）臺子山隧道病害產生的主要原因是隧址區工程地質條件復雜且下伏多層不穩定采空區。

c）為保證隧道安全運營，針對臺子山隧道病害特征及成因，采用標本兼治的方法進行治理。襯砌裂縫主要采用安裝鋼筋網+錨桿，再噴射混凝土進行加固；隧道下伏采空區采用注漿法進行處治，并檢測其處置效果。