地下洞室采空區涌水段開挖施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設監理有限公司，太原 030000)

地下洞室采空區涌水段開挖施工方法

張 偉

(山西省水利水電工程建設監理有限公司，太原 030000)

采空區涌水段開挖施工前先進行深孔超前探排水孔鉆探，探明掌子面前方及洞頂的水量大小，排水后再進行掘進施工。以“先探后掘”、“管超前、短進尺、弱爆破、少擾動、強支護”為原則，進行隧洞的開挖支護施工。

隧洞；采空區；處理措施；開挖支護；短進尺若爆破

1 概 述

本工程隧洞總長為6008.03m，樁號7+108.17-13+116.20段，包括2條施工支洞，其中4#施工支洞長195m，5#施工支洞長295m，隧洞圍巖工程地質分類主要為Ⅳ類、V類。

隧洞在正常開挖支護掘進過程中，發現掌子面頂拱有滴水、滲水現象，且頂拱有0.3-0.5m厚的煤層，下部為全風化黃色砂巖，節理裂隙不發育，涌水略有臭味。

出現該情況后，通過在周圍村莊走訪調查得知，有一廢棄小煤窯，主巷道深400m，支巷道深100m，煤窯無法進入，洞內可能有大量積水。洞口位置在一洪溝低洼處，溝內流水可能會進入煤礦采空區內。由于煤礦為私人小煤窯，且廢棄時間太久，準確資料無法考證。從地質原因、涌水壓力、涌水氣味、當地走訪調查及現場測量廢棄煤礦位置、隧洞地貌情況初步判斷，洞內涌水有可能為廢棄煤礦采空區積水滲漏所致。

2 物探勘測情況及結論

樁號9+296.8-9+345.3段原設計無相關地勘資料，無法從設計資料中查證該段主洞上方或附近有無采空區或富水區。

為了準確掌握主洞涌水的影響因素，查明主洞附近是否有采空區或富水區，聘請專業物探人員進行詳細勘探。采用天然源音頻大地電磁法、測氡法、地震映像法等3種方法進行了物探勘察。物探成果報告顯示，推斷采空區范圍可能在1030-1045m高程范圍內，位于9+300-9+400段左側。隧洞頂拱開挖設計高程為1025.98-1025.96m，距離探測顯示的采空區高程約4-19m。

3 涌水段排水措施

4#洞下游與5#洞上游主洞之間僅剩47.7m未開挖，后續施工計劃從5#洞上游掌子面開挖掘進。為保證安全，涌水段開挖施工前先進行深孔超前探排水孔鉆探，根據物探報告推斷可能存在的采空區位置，預計在9+360、9+356、9+352處分別鉆一個34m、46m、59m深的超前探排水孔；計劃探排水孔終端高程距離設計洞頂開挖線15m左右，超前探排水孔鉆孔仰角角度暫按31°、23°、17°考慮，其方位角暫按正對5#洞上游掌子面向右偏15°、10°、5°考慮，具體鉆孔深度及角度根據現場鉆探排水情況適當調整，探排水孔布置圖見圖1。

圖1 探排水孔布置圖

超前探排水孔鉆孔采用礦用電動防爆型探水鉆機鉆進，鉆機鉆孔方式旋轉式。超前探排水孔施工前，首先采用直徑125mm的鉆頭沿鉆孔方向鉆進3m后，撤出鉆桿，把提前做好的直徑108mm排水套管用棉麻纏裹、用鐵絲涂上膠后壓入孔中，再安裝規格為0.8*0.8*0.8m的10mm厚三角鋼板，然后在套管與孔之間灌水泥砂漿固結套管，排水管設有排水控制閥門(具體見圖2)。套管施工完成待強24h后，采用孔徑Φ75鉆頭慢速鉆超前探排水孔。

圖2 排水控制閥門示意圖

若探排水孔鉆進過程中或鉆孔達到預計高程時出現大量涌水，不能撤出鉆桿，立即撤離附近人員，同時加強洞內排水能力，啟動洞內應急排水系統，待探排水孔內涌水變小或無涌水后再進行后續施工。

上述超前探排水孔施工完成后，從9+345.3掌子面頂拱下方1.2m處向上游鉆直徑75mm的水平探孔，該水平探孔鉆孔深度47.7m，將5#洞上游與4#洞下游掌子面鉆通，鉆孔過程中觀測涌水情況。

若探排水孔鉆進過程中無異常，鉆孔終端高程(深度)達到預計高程(深度)仍無滲水，則直接進行后續開挖支護施工。

4 涌水段開挖及支護措施

根據物探報告顯示，采空區范圍為1030-1045m高程范圍內，位于9+300-9+400段左側。03標主洞9+296.8-9+345.3段，設計頂拱開挖高程為1025.98-1025.96m，距離探測顯示的采空區高程約4-19m，采空區對主洞施工影響較大。5#支洞上游主洞9+353.4樁號向上游繼續掘進時，以“先探后掘”、“管超前、短進尺、弱爆破、少擾動、強支護”為原則，制定以下開挖支護施工方案，確保安全：

1)超前小導管施工。計劃樁號處的超前排水孔施工完成后，根據情況進行開挖支護施工。每一循環先施工一排3m長Φ42超前小導管，超前小導管巖石鉆孔孔徑Φ60，超前小導管在頂拱90°范圍內間距0.2m，頂拱其余部位間距0.4m，每排施工32根。由于該洞段涌水較大，注漿比較困難，且漿液無法在巖隙中停留，故超前小導管不注漿，而在小導管內塞填錨固劑及1根3m長Φ25鋼筋，以提高小導管的剛度，增加超前小導管的支撐力。

2)超前小導管施工完成后，進行鉆爆開挖。9+345.3-9+296.8段屬于不良地質洞段，為提高洞室的永久穩定性，防止初期支護后洞室發生收縮變形，采取擴挖洞室，加厚二襯混凝土提高洞室強度及穩定性，邊墻及頂拱比原設計擴挖0.4m，擴挖部分后期采用與原設計相同標號的混凝土襯砌。由于該段地質較差，且涌水嚴重，計劃該段鋼拱架底部加設I18工字鋼橫撐，且澆筑C15墊層混凝土，故底板部位向下擴挖20cm。邊墻頂拱開挖輪廓線擴大，所以鋼拱架相應偏移擴大0.4m，且鋼拱架立柱向下延長0.2m，以備與工字鋼橫撐支撐。開挖每茬炮按0.8-1.0m控制，鋼拱架布置間距按0.4-0.5m控制，鋼拱架底部設置I18工字鋼橫撐，橫撐長度為拱架擴寬后的底部凈寬5.68m，工字鋼橫撐可以支撐鋼拱架立柱即可，而不與鋼拱架焊接。鋼拱架施工完成后及時跟進當循環的噴混凝土支護、錨桿工作。噴護完成后，在頂拱及側拱部位鉆設Φ40排水孔，排水孔數量根據現場情況設置。每個排水孔孔口接橡膠水管引至集水井，集水井內布置水泵，通過已布置好的排水系統排至洞外。

3)若開挖爆破后，由于地質較差引發頂拱塌方較大(>1.5m)時，在塌方區域設計頂拱輪廓線上部安裝“復拱”進行支撐，“復拱”尺寸根據現場確定，然后在頂部設置兩層鋼筋網，并將設計鋼拱架頂拱以上0.8m范圍內噴混凝土密實，剩余塌方未噴混凝土區域待后期回填灌漿施工時灌漿回填密實。

4)噴混凝土施工時，由于撐子面滲水量較大，將加大速凝劑摻量(根據經驗，摻量加大至13%)，如果噴混凝土噴不上，將采取頂拱部位鋪竹膠板做為模板，將頂拱部位噴填密實，噴混凝土支護完成后，在噴混凝土面上設置變形監測點，定期進行變形監測，及時分析監測數據，實時掌握洞室穩定情況，確保安全。

5)待4#洞下游與5#洞上游開挖貫通后，先對該段進行襯砌，邊墻頂拱混凝土強度達到設計強度的75%后，對該段進行回填灌漿。

6)根據涌水段實際情況，結合施工經驗，建議二襯混凝土及回填灌漿施工完成后，在隧洞頂拱中心及隧洞引水高程線以上的側拱部位，留設永久排水孔，以便及時排出滲水，減小內壓。

5 結 論

采空區涌水段屬于不良地質洞段，是該工程的施工重點和難點，可能發生人員設備損傷的安全事故，和導致初期支護及二襯后洞室變形等質量事故。施工過程中堅持安全第一、質量至上的原則，采取“先探后掘”、“管超前、短進尺、弱爆破、少擾動、強支護”等工程措施，最終以安全、質量零事故的良好預期，順利完成該洞段的所有施工任務。

[1]中華人民共和國水利部.SL378-2007水工建筑物地下開挖工程施工規范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]崔廣珍.采空區建筑地基的穩定性分析和施工處理方法[J].山西建筑，2007(07)：138-140.

Excavation construction methods for water gushing section of underground caverns goaf

ZHANG Wei

(Shanxi Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Project Construction Supervision Limited Company, Taiyan 030000, China)

Before the excavation construction for water gushing section of underground caverns goaf, deep holes should be drilled first to make preparations for drainage in advance, ascertaining water quantity in front of tunnel face and on the top of caverns, draining water and then conducting driving construction. The principle of " prospecting first, then driving construction, casing ahead of time, short drilling footage, weak blasting, less disturbing, strong supporting" should be followed, proceeding the excavation construction of the tunnel.

tunnel; goaf; treatment measure; short drilling footage; weak blasting

1007-7596(2017)06-0117-03

2017-05-22

張偉(1984-)，男，山西平遙人，工程師，從事水利工程監理工作。

TV554

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