段家堡隧道穿越采空區勘察方法及治理設計研究

董清志

(山西交通規范勘察設計院，山西 太原 030012)

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隧道工程

段家堡隧道穿越采空區勘察方法及治理設計研究

董清志

(山西交通規范勘察設計院，山西 太原 030012)

隧道穿越采空區，處理不當對隧道的施工及以后安全運營都會產生較大影響，因此需要準確查明采空區的空間位置，與隧道的交叉情況，分析其穩定性，評價采空區對隧道工程的影響，提出合理的處治設計方案及檢測方法。通過山西大營至神池高速公路段家堡隧道穿越古采空區的實例，展示隧道穿越采空區時的勘察、設計及后期效果。

隧道；采空區；勘察；穩定性分析；設計

1 工程概況

大營至神池高速公路是山西省 “3縱11橫11環”高速公路網規劃中第三橫的重要組成部分，也是我省中北部地區西通陜、甘、寧，東達京、津、冀的重要戰略通道，路線全長64.673 km。段家堡隧道為分離式隧道位于路線里程右線K20+167～K21+794、左線ZK20+170～ ZK21+804。隧道在左線ZK20+910～ZK21+764、右線K20+906～K21+723段，在華融龍宮煤業礦區內。

煤礦原名為正南溝煤礦，又名交山煤礦，原井口已掩埋，資料不詳，勘察難度很大。但必須準確查明采空區的空間位置，與隧道的交叉情況，分析采空區的穩定性，評價采空區對公路工程的影響，提出合理的處治設計，保障隧道安全。

2 自然地理條件

項目區屬大陸性半干旱氣侯區，四季分明，地貌單元為構造剝蝕基巖山區。巖層為石炭系太原組(C3t)及二疊系山西組(P1s)，為煤系地層，太原組巖性以深灰、灰黑色頁巖、砂質頁巖及灰、灰白色砂巖為主，局部夾有石灰巖，含多層煤層，包括2#、3#、5#和6#共計4層煤，其中2#和5#為穩定的全區可采煤層，3#和6#為局部可采或不可采煤層；山西組上部巖性為灰色砂質頁巖與細砂巖互層，下部巖性為灰白色塊狀中～粗粒長石石英砂巖，交錯層理發育，發育1#煤層，1#煤層為不可采煤層。地下水的補給與儲存條件差，總體屬于地下水貧乏地區。

3 采空區勘察

此項目區為古采空區，采用巷道式開采，無規則，隱蔽性較強，無開采資料及圖紙，應側重于采空區專項調查、物探和鉆探。

根據調查，煤礦影響路線采空區分布于路線里程樁號K20+906～K21+950段，長1 044 m。路線影響范圍內工作面開采時間為2003年，開采2#、5#煤層。2#煤層采厚3.1 m，5#煤層厚度2.4 m，局部開采，6#煤層厚度為1.4 m，未采。巷道式開采，回采率30%，煤層產狀320°∠18°～20°。還需物探和鉆探進一步確定與查明要素。

物探是對有懷疑的影響路線范圍內進行大面積掃面，對于重點懷疑區應采用兩種物探方法進行相互印證，物探結果出來后在物探異常區內進行鉆探驗證確定異常區的準確性。布設驗證鉆孔16個，6個鉆孔鉆至采空區(掉鉆孔4個鉆孔，最大掉鉆3.4 m，2個鉆孔鉆至采空區冒落帶)，其他鉆孔鉆至煤層。

通過對疑似采空區區域物探與鉆探，最終確定華融龍宮煤業采空區，采空區分布在左線ZK20+910～ZK21+764(右線K20+906～K21+728)，線路范圍內采空區總長度854 m，但ZK20+910～ZK21+113(右線K20+906～K21+118)段采空區位于隧道頂部30 m以上，對隧道無影響，因此對隧道有影響的采空區位于ZK21+113～ZK21+764(右線K21+118～K21+728)，采空區影響路線長度651 m。

采空區位于地表下埋深76～184 m，段家堡隧道穿過采空區，采空區ZK21+133～ZK21+430(右線K21+118～K21+415)為2#、5#雙層采空區，ZK21+430～ZK21+764(右線K21+415～K21+728)為2#煤單層采空區，開采方式均為巷道式，2#煤層采厚3.1 m，5#煤層采厚2.4 m，回采率30%，地表未見陷坑和裂縫。在ZK21+113～ZK21+764(右線K21+118～K21+728)，采空區長度631 m。2#煤層與采空區交叉段路線樁號為ZK21+312～ZK21+337(右線K21+309～K21+336)，線路ZK21+113～ZK21+312(右線K21+118～K21+309)段采空區位于在隧道之上，ZK21+337～ZK21+764(右線K21+336～K21+728)段采空區位于在隧道之下；5#煤層與采空區交叉段路線樁號為ZK21+198～ZK21+223(右線ZK21+180～ZK21+205)，線路ZK21+113～ZK21+198(右線K21+118～K21+180)段采空區位于在隧道之上，ZK21+223～ZK21+430(右線K21+205～K21+415)段采空區位于在隧道之下。

采空區特征整體如下：

(1)其內部構造條件較簡單，巖層單傾，但地形高差較大，造成采空區埋藏變化較大，華融龍宮煤業采空區在76～184 m之間。

(2)開采2#和5#煤層，為單、雙層采空區，采厚2.4～7.0 m。

4 采空區穩定性評價

隧道開挖改變了隧道應力分布，周邊巖土體出現松動變形。一般認為，隧道開挖后引起的塑性擾動范圍為隧道開挖半徑的3～5倍，為了避免隧道的破壞，在此范圍內的采空區須處治。因此采空區頂部洞身及三倍洞徑不穩定須處治，隧道頂部30 m以上對隧道無影響無需處治。

多年的穩定性的評價方法研究中，出現了多種方法：概率積分法、地表變形觀測法、模糊數學方法、采深采厚比等級評價標準，進行評價及極限平衡分析法等穩定性評價方法。線路下覆采空區為不規則柱式采空區，因此應根據其采深采厚比的規定評價場地穩定性。

華融龍宮煤業采空區位于地表下埋深14.8～171 m，與設計線位交叉，設計線位下采深0～149，2#煤層采深采厚比0～48.6，上部為中硬覆巖，因此為不穩定。

5 采空區處治設計

采空區處治有多種方法，但針對無規律的古采區，采用全充填壓力注漿法是最適宜的，通過多年實踐及山西粉煤灰材料的運用，宜采用注水泥粉煤灰漿。

隧道采空區的注漿材料、注漿壓力、充填率及檢測項目如下：水泥、粉煤灰固相比3∶7；終孔壓力為2～3 MPa；充填率為95%；漿液結石體強度標準不小于2.0 MPa。

采空區注漿孔需鉆至采空區地板以下1 m，鉆孔分為帷幕注漿孔和注漿孔。帷幕注漿孔處治范圍最外側一圈孔，孔距應小于一般注漿孔，孔均為10 m。中間區域為注漿孔，呈梅花型布設。鉆孔順序為，先鉆帷幕孔，帷幕孔注漿完成后再打一般注漿孔，一般注漿孔應按采空區地板高程從低到高的順序進行處治。

泥粉煤灰漿液水固比1∶1～1∶1.2，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%。

帷幕孔根據具體情況，添加速凝劑的方式使注入采空區的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止內部一般注漿孔漿液流失。

6 采空區處治檢測

采空區處治結束6個月后，應進行孔取芯、孔內波速測井、孔內電視攝像、注漿檢測、地表變形觀測等，進行采空區處治效果檢驗、評價。公路主體工程(隧道)應在采空區處治施工后，經檢測認為施工質量滿足要求后方可開工。

7 結 論

(1)隧道采空區易引起結構變形，后期處理難度大，因此在選線時，重視地質選線，盡量繞避采空區。

(2)古采空區具有隱蔽性和復雜性，勘察難度大，必須足夠重視。

(3)高速公路影響范圍內加強監管，發生新采或復采，應及時對采空區進行補充勘察設計。

[1] 鄭金龍. 穿煤隧道壓煤及其對隧道穩定性影響的研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2000.

[2] 李曉紅，姜德義等 公路隧道穿越采空區治理技術研究[A].巖土力學,2006,(6):910-915

[3] 姜巖, 田茂義. 礦山開采地表下沉與變形預計新方法[J].礦山壓力與頂板管理,2003,(3):64-67.

2016-08-05

董清志(1983-)，男，河南濮陽人，工程師。

U452.1

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1008-3383(2017)05-0145-02