大斷面軟巖隧道穿越采空區和礦區建筑物施工工藝研究

摘 要：結合敖包溝隧道穿越煤礦采空區和礦區建筑物的實例，討論了大斷面黃土隧道穿越采空區和礦區建筑物的總體施工方案和施工處理措施，在施工過程加強隧道監控量測、下穿建筑物地表沉降、爆破振動監測和地質超前預報，根據監測結果調整施工工藝，并提出了適于大斷面黃土隧道工程穿越煤礦采空區和礦區建筑物的方法和建議。

關鍵詞：隧道；采空區；下穿建筑物；處理措施；爆破振動

1 采空區概況及危害

1.1 采空區概況

敖包溝隧道起訖里程為D1K31+580～D1K34+760，全長3180m，為雙線隧道，Ⅴ級圍巖占68%，其余為IV圍巖。地表覆蓋第四系全新人工填筑土、上更新統風積砂質黃土，下伏侏羅系下統砂巖夾泥巖。

隧道在D1K32+330～D1K32+760段下穿中興煤礦采空區，采空區底部距離隧道頂板約15～20m，該段隧道洞頂埋深約32～57m。采空區沉陷影響主要表現為地面裂縫，基本分布在D1K32+380～D1K32+460，按其分布情況可分為兩組，裂縫斷續相連，總體上呈弧形向下山方向展布，裂縫長30～80m，寬度10～100mm，斷續延伸長度最大120m，錯臺10～30mm。

隧道在D1K34+592～D1K34+658段淺埋下穿敖家溝西梁煤礦一層變電所、一層大跨結構食堂和三層辦公樓，洞頂覆土約20m，開挖爆破過程必須確保地面建筑物的安全。

1.2 采空區危害

敖包溝隧道主要為砂巖夾泥巖，全～弱風化，巖體較破碎，屬弱膨脹巖，遇水具有一定的軟化膨脹性，易崩解，這更易造成了隧道施工中的塌方與變形。隧道穿越采空區將打破目前脆弱的平衡關系，極有可能發生大的變形，從而對圍巖和隧道的穩定構成嚴重威脅，足以使隧道產生裂縫，對擬建隧道產生大的危害。

2 穿越采空區的處理方案

2.1 設計方案的調整

為了降低該段施工的安全風險，減少工程量，降低采空區對隧道的影響，在設計上優化線路縱斷面設計，使線路縱斷面標高下降12m，采空區底部距離隧道頂板的距離由原來的2～5m增加至15～20m，洞頂埋深由原來的18～28m增加至32～57m，從而在隧道上方與采空區之間形成緩沖帶，大大地降低了隧道穿越采空區的安全風險。

2.2 總體施工方案

采空區D1K32+330～D1K32+760段采用V級圍巖復合式加強襯砌，初支采用I18型鋼鋼架，間距0.6米。在D1K34+300～D1K34+350斜上跨公溝煤礦采空區段拱部采用？準42超前小導管注漿加固，縱向每兩榀鋼架一環，靠采空區側邊墻和底板采用？準42小導管徑向注漿加固地層。

下穿地表建筑物段，隧道拱部采用？準89超前大管棚注漿加固、襯砌加強，施工采用人工+小型機械或微震爆破技術的環形開挖預留核心土法開挖，加強洞內監控量測和超前地質預報，控制沉降、襯砌緊跟，以保證地面建筑物的使用和隧道施工安全。

2.3 現場施工的處理措施

2.3.1 開挖與支護：采用臺階法施工，全斷面采用增加大放腳的I18型鋼鋼架，0.6m/榀，利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。拱腳位置增加大放腳，方法為在拱腳增加一塊三角形鋼板，并且把拱腳連接鋼板加大，將三角鋼板焊接在拱腳及連接鋼板上，在大放腳位置打設？準42鎖腳錨管，每根長4.0m，拱部采用？準22組合中空錨桿，梅花形布置，鉆設系統錨桿。

2.3.2 超前支護：隧道拱部采用？準42超前小導管注漿加固，小導管長4.5m，五榀鋼架設一環，環向間距40cm，外插角10～15度，搭接長度不小于1m，注漿壓力0.5～1.0MPa，水泥漿濃度為1：1.25～1：0.8。

2.3.3 二次襯砌：待初期支護變形穩定后，整體澆筑拱墻襯砌。二襯采用45cm厚鋼筋混凝土結構。

3 施工監測

針對隧道穿越煤礦采空區和礦區建筑物的風險點，施工中加強監控量測、地表建筑物沉降監測、爆破振動監測和地質超前預報，以監測數據指導施工，及時調整施工工藝，確保隧道施工安全。

3.1 下穿采空區監控量測

隧道地表沉降點埋設在隧道中心和兩側，洞內進行拱頂沉降和收斂變形的觀測，施工中每5m布置一個監測斷面。結合監控量測結果得出周圍巖體和隧道結構穩定性的分析結論，對施工工藝提出指導意見，綜合評定隧道的初支安全。根據量測結果分析，隧道變形呈如下特點：

（1）隧道拱頂沉降和水平收斂都呈先急后緩的變化曲線，并隨時間推移，隧道變形逐步趨向穩定，拱頂沉降和水平收斂累計值都不超過50mm，施工過程中圍巖穩定性良好。

（2）受到采空區的影響，距離采空區不同位置的監測斷面其監測結果與無采空區段有明顯差別，說明采空區在施工過程中是不可忽略的因素。

3.2 下穿地表建筑物監控量測

為加強對變電站、職工食堂、職工宿舍地面建筑物的保護，根據建筑物與隧道開挖斷面之間的位置關系合理安排沉降監測點，保證建筑物的四角都布置沉降測點，測點位置如圖1所示。

圖1 地表建筑物基礎沉降測點布置示意圖

根據變形監測數據分析：（1）隧道在開挖后兩周變形快速變化，在一月內基本趨于收斂的規律。（2）根據隧道變形與地表沉降隨時間變化的規律，得出了隧道開挖橫向沉降影響范圍為20米。（3）根據對開挖過程中的基礎沉降安全評估分析，隧道采用的施工措施能保證地表建筑物的安全。

3.3 爆破振動監測

為及時調整隧道施工中的爆破參數，確保隧道成功穿越高風險地段，在敖包溝隧道下穿建筑物施工過程中，對爆破引起的振動進行跟蹤監測。

通過對敖包溝隧道下穿地表建筑物爆破測試研究，從振動波形時域、振動速度、功率譜等三個方面分析了隧道下穿建筑物施工時爆破振動的規律，并通過現場數據的擬合，取得了敖包溝隧道下穿建筑物爆破振動預測公式。根據爆破振動預測公式及《爆破安全規程》對建筑物安全的規定，提出了在23m埋深條件下最大段藥量不能超過5.4kg的限值。在施工過程降低爆破振動的措施，主要有爆破源和爆破傳播途徑控制兩種方法。

4 結束語

目前敖包溝隧道已順利貫通，下穿煤礦采空區和礦區建筑物的整個施工過程安全可控，通過本工程的實踐，總結幾點為同類施工條件的隧道提供借鑒及參考。

（1）隧道穿越采空區地段處理措施，除了依據現場實際的地形特征調整設計方案外，更主要的是在現場施工工序工藝的調整與完善。首先縮短初支拱架的間距，增加預留變形量，減小可能由于采空區對隧道產生變形的影響；其次在隧道拱部采用小導管注漿進行超前支護加固，降低由于采空區巖體中的裂縫和裂隙帶來塌方的風險。

（2）在施工中加強隧道監控量測、地表建筑物沉降監測、爆破振動監測和地質超前預報，以監測數據指導施工，及時調整優化施工工藝，確保隧道施工安全。