石剛+富志鵬+謝永利+楊曉華+李曉婷

摘要：以某在建高速公路隧道施工過程中遇到的采空區(qū)處理為依托，探討了隧道穿越采空區(qū)的探測與處理技術。對探地雷達應用于隧道施工過程中的采空區(qū)探測技術進行了系統的總結；利用ANSYS軟件對2種預備的支護方案進行數值模擬和分析，推薦了具體的支護方案；分析了采空區(qū)對隧道的影響，給出了具體的設計方案和施工原則；將施工過程中監(jiān)控量測的數據信息和仿真模擬數值進行對比分析，對處理的結果進行了評價。結果表明：在經濟上合理、技術方面可行而又滿足施工進度要求的情況下采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進行支護，并用輕型材料填充的處理方法，能較好地控制隧道的變形和位移。

關鍵詞：隧道工程；公路隧道；采空區(qū)；探地雷達；處理技術；監(jiān)控量測

中圖分類號：U445.49文獻標志碼：A

0引言

隨著中國公路網向邊遠山區(qū)的進一步延伸，以及公路等級的提高和人們對環(huán)境保護意識的增強，隧道工程在公路建設中所占比例日益增大，伴隨而來的是隧道穿越特殊地質體的災害處理。各種形式的采礦在中國具有悠久的歷史，長期的私采濫挖及無序性開采，遺留下大大小小不計其數的采空區(qū)，而采空區(qū)深埋地下，上面又常有較厚的覆蓋層，當隧道不可避免要穿越采空區(qū)時，若配合施工的探測不及時，會對施工過程造成隱患；若相應的治理技術不當，后期的沉降和不均勻變形會成為運營隧道的嚴重病害，甚至破壞其主體結構。近年來，關于隧道下伏采空區(qū)處理的相關報道較多，對于隧道上部采空區(qū)和穿越采空區(qū)處理的文獻報道較少，煤炭系統工作者在對采空區(qū)處理方面積累了較豐富的經驗[1]。目前，公路隧道穿越采空區(qū)的處理主要借鑒其他構筑物下伏空洞的處理方法，但是公路隧道工程具有自身的特殊性，如埋置在地層的襯砌結構所承受的荷載比地面結構復雜、對拱頂沉降和周邊收斂要求嚴格以及附屬設施較多等，因此，處理方法選取的原則和技術規(guī)范也有別于其他建筑物或構筑物[23]。本文中筆者結合某在建公路隧道施工過程中遇到的采空區(qū)，本著綜合技術可行、經濟合理的原則，從理論和實際可行性方面探討了采空區(qū)的探測與處理方案，為隧道工程的設計和施工提供科學的技術依據，該研究成果對其他隧道穿越采空區(qū)的處理具有參考意義。

1采空區(qū)探測

1.1工程概況

根據地質礦產部門提供的資料，隧道所在山體是當地石膏的重要來源地，且具有久遠的開采歷史。該山體為富存的石膏礦的礦體和中軟弱、軟弱巖體，采礦方式普遍采用房柱采礦法，即留設礦柱支撐采空區(qū)，以合理的采留比使采空區(qū)保持足夠的長期強度。當地居民長期對該區(qū)域的無秩序開采，在山體內留下大量的未塌落的、呈不規(guī)則形狀、結構不穩(wěn)定的采空區(qū)，而且采空區(qū)的形狀、位置以及范圍都不確定。

當隧道穿越采空區(qū)或采空區(qū)距離隧道較近時，采空區(qū)對隧道影響比較大。因此，公路設計部門對該隧道所在山體進行了前期地勘，地勘資料表明：該隧道穿越的山體地層地質條件比較復雜，所經山體暗含形狀和范圍不明確的采空區(qū)，在設計圖有簡單的采空區(qū)標定，但是標定的采空區(qū)的位置、大小可能和實際有一定的出入。

1.2雷達探測

1.2.1探測的依據

該隧道所在地區(qū)屬干旱、半干旱地帶，根據相關地質資料可知，山體內遺留采空區(qū)內的充填物主要是空氣，空氣和周圍的圍巖介質存在著明顯的物性差異，這種物性差異形成的電性分界面是探地雷達進行采空區(qū)準確定位的理論基礎，探測出電性分界面的情況，即可得出采空區(qū)的位置、范圍、深度等。

根據雷達探測理論，采空區(qū)在雷達剖面圖像的特征是界面反射，屬于強反射，反射波為高幅、高頻、細密波型，出現采空區(qū)被側壁強反射所包圍，且常伴有弧形繞射現象；在采空區(qū)內，由于電磁波在空氣中傳播，單道雷達波型呈現長距離大幅震蕩狀態(tài)[4]。

1.2.2探測的結果

由于探地雷達探測精度高，并有揭露的掌子面地質資料作為參考，在本次隧道探測中，采用美國GSSI公司研發(fā)的SIR20探地雷達探測儀，探測方式采用線測和點測相結合，主要參數指標見表1，探地雷達可探測出掌子面前方約35 m范圍的圍巖情況。圖1為技術人員在現場采集數據。如果掌子面前方35 m范圍內存在采空區(qū)，探地雷達波剖面圖像上就會出現反射波波幅和反射波組隨采空區(qū)的變化橫向上呈現出一定變化的現象。

在K21+600處掌子面上進行探測時，得到如圖2所示的原始雷達波剖面，經過偏移聚焦處理后的雷達波剖面如圖3所示。探地雷達波剖面中出現了強反射，雷達波同相軸出現弧形異常，結合具體的地質情況，推測掌子面前方約10～15 m處，即K21+610～K21+615段存在采空區(qū)分界面。后經表1主要參數指標

在K21+511～K21+514處位于拱頂位置的原石膏礦開采遺留的運輸巷道相對較小、結構穩(wěn)定[58]，采用了常規(guī)的充填封閉處理；而在K21+610處的采空區(qū)規(guī)模較大，需要進行特殊處理。但是針對工程要求，要充分考慮采空區(qū)的形狀、大小、位置、地質條件以及施工技術等因素，選擇一種在經濟上合理、技術方面可行而又滿足施工進度要求的處理方法。

2.1采空區(qū)支護方案對比

結合當地的實際情況，選用了2種支護方案：方案1，采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進行支護，并用輕型材料填充；方案2，采用片石（干砌或漿砌）對采空區(qū)進行回填。

2.1.1計算模型

為了更好地進行對比，2種支護方案均采用相同尺寸、地層參數以及相同邊界約束條件的平面應變彈塑性有限元模型，區(qū)別僅在于采空區(qū)的材料參數有所不同。根據目前技術研究結果可知，有限元模型所選取的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[2]。因此，橫向兩端各取隧道跨徑的4倍（跨徑為10.8 m）；隧道底部向下取隧道跨徑的4倍；隧道埋深為實際埋深，即60 m。有限元模型邊界條件為：在地層左右邊界固定其x方向位移；底部固定其y方向位移，上邊界為自由邊界。具體建立的有限元模型見圖6。

利用ANSYS軟件，經過有限元計算分析得到第1種、第2種支護方案下拱頂上方y方向應力分別見圖7，8，第1種、第2種支護方案節(jié)點荷載分別見表2，3。

Support Project in y Direction （Unit：MPa）通過對比2種支護方案相同位置的節(jié)點荷載，可知第1種支護方案在受力方面整體上小于第2種支護方案，并綜合考慮節(jié)省費用的因素，推薦采用第1種支護方案進行設計。

2.2隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析

為了保證隧道的安全施工，選取上述方法模擬第1種支護方案的有限元模型，分析臺階法施工過程中圍巖的位移和應力變化。圖9為上臺階初期支護彎矩，圖10為上臺階初期支護剪力，圖11為上臺階初期支護軸力。

從圖9～11可見，上臺階初期支護后，邊墻和仰拱連接處的彎矩和剪力都特別大，出現了應力集中的現象，彎矩最大值為228.745 kN·m，而拱頂和仰拱處的彎矩都比較小，分別只有3.614 kN·m和33.908 kN·m。剪力最大值為350.613 kN，位于拱腳部位，剪力最小值為-34.567 kN。邊墻的軸力比較大，而拱頂、仰拱處的軸力均較小，由拱腳分別向拱頂和仰拱處遞減，軸力最大值為-2 140 kN，仰拱處的軸力最小值為113.193 kN。圖12為下臺階開挖后y方向位移，圖13為下臺階開挖后y方向應力，圖14為下臺階開挖后支護剪力，圖15為下臺階開挖后支護彎矩。

由以上計算結果，綜合分析上、下臺階開挖支護后隧道內的穩(wěn)定性，所得結果見表4。從表4可以看出，上、下臺階開挖支護后隧道的變形量分別減小了0.85 cm和0.75 cm，表明支護結構的施工對圍巖的位移起到限制作用，并且能夠使圍巖穩(wěn)定性能有所增加，說明第1種支護方案符合開挖要求，可以采用。3施工設計與監(jiān)控

3.1施工設計

由于采空區(qū)底板位于隧道頂板之上3～7 m，且采空區(qū)的空洞較大，對隧道的危害嚴重。在施工設計中除進行砂漿片石砌筑墩柱外，為了提高隧道開挖后所形成的塑性區(qū)范圍內的支護強度，防止出現大的變形，還增設了I18工字型鋼拱架進行支護，并在鋼拱架間填充聚乙烯輕型材料（或廢舊海綿、泡沫塑料等）。

3.1.1墩臺設計

墩臺高度為石膏礦采空區(qū)底板至石膏礦頂板。對于局部已塌落的區(qū)域，要清渣至未風化完整的采空區(qū)底板，片石墩臺砌至頂板，不留縫隙；片石、塊石采用未風化的堅硬砂巖或灰?guī)r，砂漿強度采用M7.5；表2第1種支護方案節(jié)點荷載

3.1.2鋼拱架和輕型材料設計

采用I18工字型鋼拱架，其縱向間距為80 cm，并在縱橫向用Φ22鋼筋連接，以增加鋼拱架間的強度和穩(wěn)定性。輕型材料可選用聚乙烯輕型材料或泥灰?guī)r碎塊，填充在拱架間，其目的是填充鋼拱架的空間，對采空區(qū)起到填充作用，以阻止采空區(qū)的變形和坍塌。

3.1.3施工原則及方案

對受采空區(qū)影響的隧道段落，施工應在采空區(qū)處理之后進行。施工中應嚴格遵循新奧法設計理論[8]，堅持“管超前、嚴注漿、弱爆破、短進尺、強支護、勤量測、早閉合”的原則，當變形嚴重時需要進一步調整結構支護模式與施工方法，以確保襯砌結構安全[914]。由于采空區(qū)底板距隧道頂部較近，隧道支護按Ⅴ級淺埋圍巖段設計進行施工。隧道初期支

隧道的施工監(jiān)控量測的數據和信息可以反映出對隧道采空區(qū)的處理效果，也是判斷圍巖和支護是否穩(wěn)定、保證施工安全、進行施工管理的主要手段。采空區(qū)里程為K21+610～K21+645，采空區(qū)最大寬度位于K21+618處，根據現場實際情況在K21+615和K21+625處增設2個量測點，以對采空區(qū)的處理效果進行評價。將現場量測到的水平收斂值和拱頂下沉值經過溫度修正后繪制成位移時間關系曲線及位移速率時間關系曲線，并與有限元計算結果進行對比，結果見圖17。

伏，20 d后趨于穩(wěn)定，變形均在0.1～0.2 mm之間。數值模擬計算結果與實測圍巖變形規(guī)律存在一定誤差，這主要是計算模型的簡化與巖體材料的各向同性假設以及平面應變模型對隧道施工過程進行數值模擬分析時，由于無法考慮隧道圍巖變形的時空效應，使得計算值不可避免地存在一定誤差。圍巖的位移變化趨勢和變形規(guī)律還是與實測值吻合的，這說明使用ANSYS進行平面彈塑性數值模擬分析能夠得出隧道施工過程中的力學性狀變化整體趨勢，從而可以指導現場施工。4結語

（1）以實際工程為例，對探地雷達技術應用于隧道施工過程中的采空區(qū)探測進行了系統總結，并將探測結果與實際開挖結果進行對比，結果表明，合理應用探地雷達技術對隧道的安全施工具有重要指導意義。

（2）針對該隧道施工過程中遇到的采空區(qū)，應用ANSYS軟件，采用有限元法對2種預備的支護方案進行數值模擬和分析，推薦了具體的支護方案，即采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進行支護，用輕型材料填充，并給出了具體的設計方案和施工原則。

（3）將具體施工過程中監(jiān)控量測的數據信息和仿真模擬數值進行對比，說明該支護措施是合理的，且采用的有限元位移場和應力場模擬分析是可行的，該體系對類似工程的設計和施工具有參考意義。

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