新建新嶺隧道穿越采空區處治技術

丁海洋，鄭軍華

（浙江數智交院科技股份有限公司（浙江省交通規劃設計研究院），浙江 杭州 310031）

0 引言

隨著我國交通路網的不斷延伸、發展，公路隧道的數量也日益增多，各類隧道不可避免地會穿越采空區地層。小型煤礦在開采過程中造成的極不規則的采空區對隧道施工、運營構成巨大安全隱患。因此，隧道通過采空區的處治方案對隧道結構、施工、運營安全具有重大意義。若對采空區不采取措施，或者采用簡單的礦柱支撐等不適合的處置方式，極有可能發生沖擊地壓的危險[1]，造成人員和財產的重大損失。如1960年，位于南非的Coalbrock North煤礦頂板大范圍掉落，總面積達300萬m2，死亡人數高達430多人[2]；2011年韓國及其他采礦不發達國家也有類似報道[3-4]。研究采空區對隧道的影響分析一般利用數值模擬的方式[5-6]。本文的重點主要集中在采空區處理技術方案的研究。采空區的處置措施主要有“崩、充、撐、封”4種基本措施以及該4種基本措施的搭配使用。崩指的是崩落法，充指的是充填法，撐指的是支撐法，封指的是封閉隔離法[1]。計中彥研究探討了采空區位于隧道不同的相對位置時應采用的處置措施[7]。王新對某隧道施工過程中出現由于采空區導致的塌方，對于小范圍的采空區采取了注漿加固的措施，對于稍大的采空區采取了強支護支撐的方式，從而確保了施工的安全以及隧道的結構安全[8]。

新嶺隧道屬于杭金衢高速拓寬工程中的重點工程。既有隧道為分離式雙向四車道，隧道長度約為1 400 m，設計時速為120 km/h。綜合考慮對既有交通的影響、施工工序、施工風險及工程造價等各項因素，拓寬工程采用分離增建的加寬方案，即在隧道兩側各新增一座三車道隧道。

本文依托工程環境地質情況復雜，隧道右洞進洞口位置存在小煤窯采空區，采空區無規劃、無支護措施，嚴重影響圍巖穩定性。針對上述情況，采空區處理方案對隧道順利進洞起到關鍵作用。本文詳細介紹隧道明洞段、暗洞段以及洞內塌方段采空區處理方案。

1 隧道采空區地段概況

隧道右洞進洞口地處丘陵下緩坡，丘陵下緩上陡，植被發育，地表層為粉質黏土層，厚約8.2～11.8 m，結構松散，易坍塌滲漏。以下為灰巖，局部夾石煤層，石煤巖體完整性系數Kv=0.12～0.36。

采空區平面分布如圖1所示。新嶺隧道右洞洞口段分布石煤采空區，小煤窯采空區早在20世紀五六十年代進行開采，石煤開采系當地村民自發采煤所致。在四十多年前由于煤礦塌方就已廢棄，在隧道進出洞口影響范圍內也無新增煤礦或村民自發的采煤行為。

圖1 采空區平面分布圖

通過綜合調查整理相關資料以及地質鉆探的情況，得出新隧道K46+650—K46+700范圍為采空區分布范圍。沿路線地表坍塌范圍里程為K46+666—K46+686，隧道范圍存在兩處采空巷道。

2 采空區的影響分析

采空區若位于隧道底部，則易導致隧道仰拱范圍缺少地基彈性抗力，從而導致隧道結構受力不均勻產生裂縫甚至結構破壞。隧道兩側或頂部若存在采空區，則同理相應部位缺少地基彈性抗力，破壞圍巖的自成拱效應，使隧道結構受力不均勻，局部受力集中，產生安全隱患甚至結構破壞。采空區同樣會破壞圍巖的初始地應力平衡，大規模的不規律采空區易使地下水流入，進一步破壞自身的穩定性，從而導致塌方等。

3 采空區處理技術方案

3.1 明洞段采空區處理

YK46+606—YK46+680段為明洞，采空區采用明挖后回填施工，為提高采空塌陷區開挖時邊仰坡穩定性，在隧道兩側各設置4根鋼筋混凝土樁加固輔助施工，樁直徑1.5 m，間距3 m，樁頂利用鋼筋混凝土圈梁和橫撐相連。

施工中YK46+670附近邊坡出現空洞，通過地質雷達顯示明洞YK46+662—YK46+680段存在不密實區或富水，現場通過探槽進一步揭示，YK46+665附近為采空巷道，巷道內充水，底標高距仰拱底5 m左右，YK46+670—YK46+676為采空塌陷區，仰拱底5 m范圍為填充物，底標高距仰拱底約5 m左右。

3.1.1 YK46＋665采空巷道處理

a）封堵外圍巷道進口，減小流入巷道水量。

b）隧道范圍巷道在積水抽干后，清除有坍塌或淤積軟弱土，采用C15片石混凝土澆筑，澆筑高度至仰拱底。

c）線外巷道采用M10水泥砂漿回填，巷道左側線外不小于3 m，巷道右側線外回填10 m。

d）為維持原巷道排水通道，巷道回填范圍內橫向埋設16根直徑20 cm的UPVC排水管。

e）為確保巷道開挖左、右側洞口穩定，在巷道洞口進行鋼花管注漿加固。

f）在隧道拱墻外設置1道排水盲溝。

YK46+665左右巷道處理示意圖如圖2所示，YK46+665左右巷道施工前后現場照片如圖3所示。

圖2 YK46+665左右巷道處理示意圖

圖3 YK46+665左右巷道施工前后現場照片

3.1.2 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區處理

該塌陷區位于明暗洞交界護拱口處，且底標高較低，為確保換填時支護樁穩定，采用分三步換填C15片石混凝土方案，具體如下：

a）在開挖前先對掌子面中導洞和巷道前方中間的坡面進行臨時錨噴支護，并對護拱兩側拱腳用小導管進行加固。

b）線外巷道采用M10水泥砂漿回填，巷道左側線外不小于3 m。

c）隧道范圍內的采空區塌陷區在積水抽干后，采用C15混凝土澆筑換填，澆筑高度至仰拱底，施工順序為先換填中間1/3部分，再換填左側1/3部分，最后換填右側1/3部分。

d）為確保支護樁的結構穩定，采用雙拼I22工字鋼對支護樁進行橫向連接加固。

YK46+670—YK46+676采空塌陷區處理示意圖如圖4所示，YK46+670—YK46+676采空塌陷區施工前后現場照片如圖5所示。

圖4 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區處理示意圖

圖5 YK46＋670—YK46+676采空塌陷區施工前后照片

3.2 暗洞采空區處理

暗洞右側壁導坑施工至YK46+686時，右側見充填黏土的巷道，對既有隧道右側地表塌陷范圍復測后發現，塌腔范圍進入隧道右半幅，并在隧道洞頂地表發現兩條裂縫帶，其中1號裂縫帶長度約為17 m，最大縫寬約為15 cm，2號裂縫帶長度約為26 m，最大縫寬約28 cm。

根據采空區現狀，將YK46+680—YK46+718段設為暗洞采空區處理段，從加強支護、地表注漿、施工方法和基底處理等方面對暗洞采空區進行治理。

3.2.1 超前支護措施

超前支護措施為2層超前管棚注漿預支護，管棚為Φ108熱軋無縫鋼管，厚6 mm，環距40 cm；漿液采用水泥漿，水灰比0.8∶1，注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa。

3.2.2 地表注漿加固

采用地表垂直注漿加固，注漿范圍縱向為YK46+690—YK46+725，橫向范圍為隧道中線至隧道右邊線外10 m，豎向隧道拱頂上部8 m高度至鉆孔底部。注漿加固處理示意圖如圖6所示。

圖6 注漿加固處理示意圖

地表注漿參數及技術要求如下：

a）鋼管 采用Φ108熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm；鋼管均豎直打入地層，打入深度Ⅰ區打至管棚以上50 cm處，Ⅱ區打至仰拱底下3 m；鋼管縱向間距2 m，橫向間距1.75 m，呈梅花型布置，注漿段管身開設注漿孔，地表至隧道拱頂外8 m范圍內鋼管無注漿孔。

b）注漿參數 R42.5水泥，水灰比為1∶1；注漿壓力初始壓力0.5～1.5 MPa，最終壓力2.0～3.0 MPa，可根據實際情況動態調整。

c）施工順序 測量放線→標注孔位→鉆孔→下鋼花管→澆封口填料→注漿→檢查實際效果→結束。

d）注漿順序 分段分片進行，總體次序為右側向左側，洞口向洞內方向，先外部，后內部，注漿時采用跳孔的方式進行。

3.2.3 襯砌結構支護參數

采空區段初期支護為28 cm厚C25噴射混凝土（內設2層E6鋼筋網片）+22b工字鋼（縱向間距0.5 m），系統錨桿為Φ42×4 mm注漿小導管（長4.5 m，縱橫間距為0.5 m×1.0 m）；二襯采用60 cm厚模筑C30鋼筋混凝土。

3.2.4 施工方法

隧道采用雙側壁導坑法施工。

考慮到地表注漿范圍從YK46+690開始，YK46+680—YK46+690段無法從地表加固，因此在主洞右側壁增加洞內注漿加固，YK46+680、YK46+683斷面處設2排Φ76×5 mm鋼花管注漿加固，鋼花管長8 m，外插角15°，環距0.4 m，每個斷面8根；YK46+685、YK46+687、YK46+689斷面處設3排Φ42×4 mm小導管注漿加固，小導管長度為5.0 m，外插角15°，環向間距0.4 m，每個斷面共8根。

3.2.5 基底處理

隧道仰拱底以下采空塌陷區主要以碎塊石為主，基底采用小導管注漿加固處理。小導管縱橫向間距為1 m×1 m，長度為5 m，打設角度60°。

為增加拱腳穩定性，在右側巷道附近拱腳增設3排Φ76×5 mm鋼花管注漿加固，長8 m，每排3根。

3.3 采空區塌方處理

隧道右洞施工至YK46+728處時，遭遇原采空區探洞，造成塌方，空腔尺寸約為10 m×6 m×6 m。為確保安全，及時通過塌方區，采取一系列技術措施進行加強處理，具體如下：

a）洞內回填反壓穩固坍塌體。選用宕渣回填，長度應大于等于15 m，回填至距離拱頂2.5 m處。YK46+723里程處設置擋墻，擋墻材料為C20，厚度為2 m。擋墻與拱頂之間利用水泥砂漿回填。

b）YK46+728—YK46+713段為塌方影響段（長15 m），采用22b工字鋼作為臨時鋼拱架支撐；YK46+728—YK46+718范圍初期支護拱部120°范圍內增設徑向小導管注漿加固，小導管為Ф42×4 mm鋼管，長4.0 m，縱橫間距為0.75×1.0 m。

c）共設置3排Ф76×9 mm超前管棚，第1排在YK46+720.5里程處，第2排位于YK46+722.75，第3排位于YK46+727.2。管棚長度：第1排長25 m，環向間距40 cm；第2排長25 m，環向間距20 cm；第3排長20 m，環向間距20 cm。

d）YK46+728—YK46+738段為塌方段（長10 m），塌方段初期支護采用28 cm厚C25噴射混凝土（內設雙層E6鋼筋網片）+22b工字鋼拱架（縱向間距為0.5 m），系統錨桿為Φ25×5 mm（長4.5 m，縱橫間距0.5 m×1.0 m）。拱部120°范圍內為系統小導管，小導管為Ф42×4 mm鋼管，長6.0 m，打設角度60°，環向間距80 cm，縱向間距1.0 m，與超前小導管錯開布置，二襯采用60 cm厚模筑鋼筋混凝土，主筋采用Φ25鋼筋，間距15 cm。增設超前小導管注漿支護，小導管為Ф42×4 mm鋼管，長5.0 m，環向間距40 cm，縱向排距為2.0 m。

e）塌方區域施工方法為拱部環形導坑開挖預留核心土法，每循環進尺不大于50 cm，初期支護應及時施作，使得結構封閉成環，二襯也應在初支完成后及時施作。

f）YK46+738—YK46+748段為塌方過渡段（長10 m），初期支護采用28 cm厚C25噴射混凝土（內設雙層E6鋼筋網片）+22b工字鋼拱架（縱向間距0.5 m），系統錨桿采用Φ25×5 mm先錨后灌式中空注漿錨桿（長4.5 m，縱橫間距0.5 m×1.0 m），二襯采用60 cm厚模筑鋼筋混凝土。

g）加強超前地質預報、地表觀測和洞內監測，加強對掌子面前方及隧道周邊（特別是隧道下部）采空區的超前預報。

h）頂部塌穴周邊設置臨時截水溝并用彩條布覆蓋，地表塌穴回填整平后采用噴混凝土封閉。采空區塌方處理示意圖如圖7所示。

圖7 采空區塌方處理示意圖

4 結語

在充分了解并跟蹤采空區和巷道的分布、埋深、規模大小、水流等情況下，通過對隧道內采空區的處治實施，使隧道順利通過采空區段。目前穿越采空區地段的隧道工程日益增多，采空區地段情況復雜，處理方式多變，本文介紹的新嶺隧道穿越采空區處治方案，為類似路段隧道設計、施工提供了參考經驗。