隧道下伏煤層采空區處理設計以周家灣隧道為例

（廈門市市政工程設計院有限公司，福建 廈門 361000）

一、項目概況

（一）工程概況

我國是煤炭資源大國和開采大國，煤礦資源開采所產生的采空區分布十分廣泛。隨著國家公路網建設的進一步推進，一些新建公路必然要穿過采空區。煤層采空區對隧道結構的穩定性有很大影響，若處理不當，容易引起隧道基礎不均勻沉降、路面錯臺起伏、襯砌結構變形開裂等，對公路隧道的建設運營構成嚴重安全隱患，必須最大限度消除潛在風險。

本文以湖北省恩施市周家灣隧道為例，設計了多種檢測方式，對采空區處理效果綜合檢驗。周家灣隧道位于公路樁號K4+160～K4+775段，長615m，二級公路，設計車速40km/h，隧道形式為單洞雙向兩車道，建筑界限為5m～10m。其中K4+160～K4+750段隧道位于老窯頭煤業2#、10#煤層雙層采空區；K4+750～K4+775段隧道位于五星煤業2#、10#煤層雙層采空區。周家灣隧道下伏采空區處理平面圖，如圖1所示。

圖1 周家灣隧道下伏采空區處理平面圖

（二）煤層采空區概況

老窯頭煤業開采2#、10#煤層，開采年份為1984年～2007年，目前仍處于沉陷移動變形期，主要影響周家灣隧道K4+160～K4+750，地表出現裂縫每米1條～2條，方向以北東向為主，最寬0.30m，最長10m左右。鉆孔ZK4（K2+400）揭示31.5m處遇到裂隙帶，46m～49m處遇到2#煤層采空區；89.9m～92.5m遇到10#煤層冒落帶及采空區，破碎掉鉆；ZK5（K2+540）揭示38.5m處遇到裂隙帶，40m～44m處遇冒落帶，50m～55m處遇到2#煤層采空區，破碎掉鉆；89m～90m遇到10#煤層冒落帶及采空區，破碎掉鉆；ZK7（K4+400）揭示111.5m處遇到裂隙帶，147.7m～161.7m處遇冒落帶及采空區，破碎掉鉆；206.6m～209.3m遇到10#煤層冒落帶及采空區，破碎掉鉆。設計標高下煤層開采深度與厚度之比低于標準值，采空區殘余傾斜值、曲率值和水平變形值均大于隧道允許變形值，處于不穩定狀態，需要處理。

五星煤業開采2#、10#煤層，開采年份為1985年～2006年，目前仍處于沉陷移動變形期，主要影響路線K4+750～K4+775段隧道工程，地表出現裂縫每米1條左右，方向以北東向為主，最寬0.10m，最長5.0m。設計標高下煤層開采深度與厚度之比低于標準值，采空區殘余沉降大于隧道允許變形值，采空區不穩定，需要處理。

二、采空區處理設計

（一）設計標準

該段采空區處理設計標準如下：地表殘余傾斜值≤3mm/m、曲率值≤0.2mm/m2、水平變形值≤2mm/m、漿液結石體強度≥2.0MPa。

（二）設計方案

依據采空區的特點，該設計方案選擇了全充填壓力注漿法。

（三）處理設計

1.主要設計參數

圍護帶寬度為20m；注漿材料采用水泥和粉煤灰，水泥、粉煤灰漿料的配比為1：1.0～1：1.3，水泥、粉煤灰分別占比30%、70%；注漿壓力為2MPa～3MPa（終孔）；漿液充填率為95%；漿液結石率為75%。

2.采空區處理范圍

采空區的處理范圍包含處理的長度和寬度。處理的寬度計算公式為：L=D+2B+2（H1?ctgφ+H2?ctgβ），公式中L指處理寬度，D指隧道寬度，B指圍護帶（隧道取20m），H1指松散層平均厚度，H2指覆巖平均厚度。φ指松散層移動角為50o，β指根據地勘報告。采空區上覆巖體加權平均單向抗壓強度＜30MPa，屬于軟弱覆巖，回采率為50%，故巖層移動角β為75o。經計算周家灣隧道采空區處理寬度為58m～110m。處理長度計算方法可參照處理寬度計算。

（四）注漿孔設計

注漿孔分為帷幕注漿孔和普通注漿孔。帷幕注漿孔布置于隧道兩側外緣，間距為10m～15m。周家灣隧道采空區共布置105孔，平均孔深172m。普通注漿孔沿隧道兩側梅花型布設，排距15m，孔距15m。周家灣隧道采空區共布置270孔，平均孔深182m。

（五）采空區注漿量計算

采空區注漿量算法如下：

在該公式中，S指處理面積，該項目為74218m2；M指平均采厚，取值4.5m；DV指殘余空隙率（%），取值40%；K指回采率（%），取值50%；A指漿液損耗系數，取值1.1；h指充填率，取值95%；c指漿液結石率，取值75%；a指巖層傾角，取值8°；經計算周家灣隧道采空區注漿量為155970m3。

（六）漿液配合比設計

在確定水泥、粉煤灰漿料的配比后，需要讓帷幕注漿孔采用較稠的漿液以縮短固化時間、盡快成形，避免漿體外滲。

三、注漿工藝設計

注漿系統由料場、一級攪拌池、二級攪拌池、供水系統、注漿泵、壓力表、注漿管道和投砂漏斗等組成。

該工程施工工藝流程圖，如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

四、采空區處理檢測

在給隧道采空區注漿180天后，必須檢驗處理效果，檢驗方法包括鉆孔檢測、孔內波速測試、注漿檢測、地表變形觀測等。

（一）鉆孔檢測

鉆孔位置確定原則包括，檢測采空區有代表性的地方；檢測施工過程中出現過異常狀況的位置；每50m～100m布置一個檢查孔，總孔數不小于總注漿孔數的1/50。此外，在結石體強度檢測中，需要對受注段結石體巖芯實施抗壓實驗，標準為無側限抗壓強度不小于2.0MPa。

（二）孔內波速測試

在已完成檢查的孔中采用聲波波速測試，標準為橫波波速大于350m/s。

（三）注漿檢測

在已完成檢查的孔中以2MPa～3MPa壓力注入水泥漿，當符合設計條件時，即停止注漿，若漿液注入量小于單孔平均注漿量的5%，即合格，反之不合格。當檢測結果不合格時，應綜合分析，找出原因，必要時補充注漿。

（四）地表變形觀測

在隧道上設置長期變形觀測點，直至沉降達到穩定狀態。

（五）處理效果評價

如果某項檢測指標沒有達到設計要求，則該采空區處理效果不合格。當遇到不合格的情況，工程師需要分析原因，制定整改方案，并對項目復驗收。當所有檢測指標符合設計要求后，才可對隧道工程后續施工。