嚴(yán)廣藝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 橋隧處，陜西 西安 710043)

近年來(lái)，隨著我國(guó)公路、鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，公路、鐵路網(wǎng)越來(lái)越密集，根據(jù)交通隧道相關(guān)規(guī)范要求，在線路選線過(guò)程中需繞避煤層采空區(qū)。本文以西安至平?jīng)鲨F路官牌隧道為背景，探討隧道下伏采空區(qū)的處理措施，供廣大隧道建設(shè)者借鑒。

1 工程概況

西平線官牌隧道起訖里程DK130+033—DK130+720，全長(zhǎng)687 m。隧道洞身全為砂巖夾礫巖地層，巖性單一。隧道于里程范圍DK130+300—DK130+720通過(guò)ZF2801下溝煤礦采空區(qū)移動(dòng)盆地影響地段。

下溝煤礦ZF2801工作面采空區(qū)采空埋深370 m，頂板巖層為砂巖夾泥巖，采空區(qū)幾何尺寸為矩形，長(zhǎng)105 m，寬90 m，高約10.1 m，煤層傾向西北，傾角 ＜5°，2005年8月開始回采，2006年5月回采結(jié)束，留底煤1.5～2.0 m，割幫煤2.7 m，放頂煤5.4～5.9 m，采用長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化放頂煤(全部垮落法)。下溝煤礦采空區(qū)分布示意見(jiàn)圖1。西平鐵路通過(guò)煤礦采空區(qū)縱斷面示意見(jiàn)圖2。

圖1 下溝煤礦采空區(qū)分布示意

圖2 西平鐵路通過(guò)煤礦采空區(qū)工程地質(zhì)縱斷面示意

2 采空區(qū)變形機(jī)理及危害

2.1 采空區(qū)變形機(jī)理

煤炭開采后必然伴隨著產(chǎn)生圍巖及地表移動(dòng)和變形。由于煤層的開挖，在地下形成采空區(qū)，井巷周壁失去約束，其上部巖層失去支撐，巖體內(nèi)原有天然平衡條件被破壞。井巷周邊應(yīng)力將重新分布以達(dá)到新的平衡狀態(tài)，致使井巷頂板及側(cè)壁產(chǎn)生彎曲、塌落，以致發(fā)展到地表下沉變形，造成地表塌陷，形成凹地。

2.2 采空區(qū)對(duì)隧道的危害

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)、甚至塌方。當(dāng)采空區(qū)位于隧道基底以上時(shí)，由于其采空區(qū)范圍巖土物理力學(xué)指標(biāo)較低，拱部壓力增大，易造成拱部支護(hù)沉降，變形大，甚至造成支護(hù)失穩(wěn)，發(fā)生塌方;當(dāng)采空區(qū)位于隧道側(cè)向時(shí)，由于側(cè)向壓力增大，易造成支護(hù)側(cè)向變形超限，發(fā)生側(cè)向坍塌或溜坍。

2)結(jié)構(gòu)沉降危及運(yùn)營(yíng)安全。當(dāng)采空區(qū)位于隧底以下時(shí)，會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)沉降。有些采空區(qū)在施工過(guò)程中由于判斷偏差，且變形不明顯，施作二次襯砌后，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于動(dòng)載反復(fù)作用，造成基底不均勻沉降，引起二次襯砌結(jié)構(gòu)的變形、開裂，危及運(yùn)營(yíng)安全。

3)涌水、突泥。由于煤層開采，在采空區(qū)垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶內(nèi)積聚了大量地下水，形成水囊，施工中若揭穿，易發(fā)生突發(fā)性的涌水、突泥，危及施工安全。

4)采空區(qū)中易形成瓦斯集聚，發(fā)生瓦斯燃燒甚至爆炸。

5)若隧道存在地形偏壓，且底側(cè)存在采空區(qū)，由于采空區(qū)隨時(shí)間的累進(jìn)破壞加之運(yùn)營(yíng)期間由于動(dòng)載作用，易引起山體整體失穩(wěn)。

3 下溝煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 地表變形觀測(cè)

2005年10月開始至2009年6月，為了掌握地表變形情況，進(jìn)行了地表變形監(jiān)測(cè)工作。部分觀測(cè)成果詳見(jiàn)表1。B13觀測(cè)點(diǎn)沉降曲線如圖3。

表1 下溝煤礦地表變形觀測(cè)值

圖3 B13觀測(cè)點(diǎn)沉降曲線

根據(jù)下溝煤礦地表變形觀測(cè)值和B13點(diǎn)的時(shí)間—沉降曲線可以看出，2005年10月—2006年3月計(jì)5個(gè)月間地表變形較大，為40～137 mm;2006年3月—2007年8月間，變形逐漸變緩，平均每年為20～30 mm;2007年10月—2009年6月間，沉降速度更加緩慢，平均每年為15～20 mm。因此，可以得知下溝煤礦采空區(qū)的變形是一個(gè)緩慢的變形過(guò)程。

3.2 采空區(qū)變形情況分析

由于ZF2801工作面覆巖結(jié)構(gòu)是上強(qiáng)下弱類型，上部白堊系地層，砂巖、礫巖的巖性比較堅(jiān)硬，整體性強(qiáng)，而且寬度大，兩層累計(jì)厚度為110 m，成為控制地表下沉的關(guān)鍵層，由于工作面開采寬度不大，又有兩側(cè)煤柱支撐，因此，關(guān)鍵層不會(huì)產(chǎn)生破斷，只產(chǎn)生了輕微的彎曲，使地表不產(chǎn)生斷裂型下沉盆地，地表移動(dòng)變形值較小。下溝 ZF2801工作面于2006年4月回采結(jié)束，至今已4年多，西平鐵路通過(guò)該段的路肩設(shè)計(jì)高程約為845 m，距采空區(qū)厚度約360 m，遠(yuǎn)厚于導(dǎo)水裂隙帶高度，地表變形一般只產(chǎn)生彎曲沉落變形，巖層變形較輕，裂隙密閉，不連通，導(dǎo)水性差，巖體出現(xiàn)的變形是彎曲沉落變形，在地表主要的表現(xiàn)為沉降變形，而不會(huì)形成斷裂型下沉盆地，出現(xiàn)突然坍塌現(xiàn)象。

4 隧道加固方案

綜合上述，下溝煤礦采空區(qū)對(duì)隧道的影響及安全評(píng)價(jià)分析后認(rèn)為，采空區(qū)、采空移動(dòng)盆地影響范圍內(nèi)隧道為鐵路單線隧道，采取了襯砌支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)、預(yù)留凈空、對(duì)隧道底板加強(qiáng)、提高整體性等措施后，可以保障鐵路隧道的施工及運(yùn)營(yíng)安全。采用措施有:①在設(shè)計(jì)襯砌內(nèi)輪廓的基礎(chǔ)上，拱墻預(yù)留50 cm變形補(bǔ)強(qiáng)凈空;②拱墻二次襯砌、仰拱采用厚60 cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，仰拱與邊墻采用圓順連接，以減少應(yīng)力集中;③隧道基礎(chǔ)設(shè)厚100 cm鋼筋混凝土底板，以提高整體性，減少不均勻沉降;④沿隧道縱向，每9 m設(shè)一道全斷面沉降縫，沉降縫貫通底板。

5 采空區(qū)隧道設(shè)計(jì)

5.1 選線

在線路選線階段，原則上隧道工程對(duì)采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行繞避，勘察階段應(yīng)查明煤層采空區(qū)的分布狀態(tài)，在分析煤礦采掘資料和調(diào)查訪問(wèn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合采空區(qū)地段的工點(diǎn)進(jìn)行了勘察工作。此外，還應(yīng)對(duì)采空區(qū)地表變形現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查研究，及時(shí)了解采空區(qū)變形、破壞類型和特點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整線路方案。

5.2 采空區(qū)勘察

當(dāng)線路繞避采空區(qū)較困難或經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后可通過(guò)時(shí)，在隧道勘察期間需對(duì)采空區(qū)工點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)綜合勘探，查明采空區(qū)的埋深、采空范圍和分布特征，以及采空區(qū)與隧道的相互關(guān)系。具體工作有:①查明煤層的分布范圍，開采和停采時(shí)間，開采深度、厚度和開采方法，以及主巷位置、大小和塌落、支撐、回填、充水、瓦斯積聚情況等;②查明地表陷坑、裂縫的位置、形狀、大小、深度、延伸方向及其與采空區(qū)和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系;③物探和鉆探驗(yàn)證查明采空區(qū)的分布情況，以及與隧道相互空間關(guān)系，定性、定量地明確采空區(qū)對(duì)隧道的危害程度。

5.3 隧道設(shè)計(jì)

采空區(qū)隧道的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)采空區(qū)詳勘資料及采空區(qū)對(duì)隧道危害等級(jí)的不同而采取針對(duì)性的處理措施，以確保隧道設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)和合理。隧道施工應(yīng)盡量減小開挖對(duì)采空區(qū)的擾動(dòng)，嚴(yán)格控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，采用強(qiáng)大的支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語(yǔ)

西平線官牌隧道底板距下溝煤礦采空區(qū)距離較大，隧道下部白堊系地層，砂巖、礫巖的巖性比較堅(jiān)硬，整體性強(qiáng)，根據(jù)地表變形監(jiān)測(cè)及地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，采空巷道已基本坍塌，冒落帶高度一般20～60 m，導(dǎo)水裂隙帶高度一般在80～125 m之間，冒落帶巖體已多呈大塊狀，存在大小不等的空洞，結(jié)構(gòu)不密實(shí)，后期可能存在繼續(xù)壓密的過(guò)程，但整體上不會(huì)出現(xiàn)突然的坍塌現(xiàn)象。因此，對(duì)隧道采取了預(yù)留補(bǔ)強(qiáng)空間，加強(qiáng)隧道支護(hù)等措施。

在隧道工程設(shè)計(jì)中，采空區(qū)隧道的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)采空區(qū)詳勘資料及采空區(qū)對(duì)隧道的危害，采取針對(duì)性的處理措施。隧道施工應(yīng)盡量減小開挖對(duì)采空區(qū)的擾動(dòng)，嚴(yán)格控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，采用強(qiáng)大的支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)，并及時(shí)調(diào)整工程措施，遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、小變形、少擾動(dòng)”的原則。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]中華人民共和國(guó)煤炭部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

[4]鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1995:1-16.

[5]朱勇.小煤窯采空區(qū)隧道的勘察設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008(6):60-64.

[6]李婭，趙文.鐵路復(fù)雜采空區(qū)處理措施優(yōu)化方法的研究[J].鐵道建筑，2008(7):82-85.

[7]汪衡岳.膠新鐵路 DK30段重晶石礦采空區(qū)處理[J].鐵道建筑，2005(2):48-49.