張成良， 閆 祥， 李明健， 葉丹勇， 王光進(jìn)

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650093 2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司西北分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量高居世界前列，煤層在開采過后留下許多空腔和空洞，形成了規(guī)模不等的采空區(qū)。隨著高速公路規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)越來越密集，修建隧道時(shí)不可避免地穿越煤系地層，甚至穿越多煤層地層、多煤層采空區(qū)[1]。作為一種特殊的不良地質(zhì)，煤層采空區(qū)具有軟弱性及空間變異性；受到地層巖性、采礦工藝方法和時(shí)間效應(yīng)的多重影響，煤層采空區(qū)具有隱蔽性強(qiáng)、規(guī)律性差的特點(diǎn)[2]。因此，公路隧道穿越煤系地層采空區(qū)的確定及穩(wěn)定性分析仍然是一大難題。如果不能準(zhǔn)確探明采空區(qū)，會(huì)對(duì)隧道施工安全及運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大危害，稍有不慎將引發(fā)安全事故。有必要對(duì)公路隧道穿越煤層采空區(qū)群的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)采空區(qū)探測(cè)方法進(jìn)行了大量研究，積累了許多經(jīng)驗(yàn)，取得了豐碩的成果。王小寧等[3]利用地震反射法確定了采空區(qū)路段下伏淺部地層的賦存狀態(tài)。邢延團(tuán)[4]采用現(xiàn)場(chǎng)鉆探方式揭示了亭南煤礦二盤區(qū)巨厚洛河組下煤層開采后的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。崔路允[5]分析穿越復(fù)雜采空區(qū)深埋隧道施工過程地表沉降、圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性及施工安全穩(wěn)定性。通過梳理當(dāng)前的研究成果可知，理論分析、地球物理勘探和現(xiàn)場(chǎng)鉆探是查明采空區(qū)覆巖賦存狀態(tài)的主要手段，其中理論分析略顯復(fù)雜，且部分經(jīng)驗(yàn)公式與真實(shí)值偏差較大；現(xiàn)場(chǎng)鉆探最為直觀有效，但費(fèi)用昂貴，且只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)的精準(zhǔn)探測(cè)；地球物理勘探法探測(cè)范圍更為廣泛，但勘探深度有限，且在復(fù)雜地形條件下可靠性較低。若將上述多方法相融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以更有效地分析采空區(qū)賦存狀態(tài)[6]?；诖耍疚囊哉贋o高速公路項(xiàng)目隧道穿越煤系地層采空區(qū)群為研究背景，綜合地表踏勘、物探及鉆探確定采空區(qū)的形態(tài)，分析隧道穿越煤系地層采空區(qū)的穩(wěn)定性，為隧道施工安全提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

白兆隧道為分離式隧道，左幅里程樁號(hào)為ZK8+420～ZK9+655，全長(zhǎng)1 235 m，最大埋深116.5m；右幅里程樁號(hào)為YK8+410～YK9+643，全長(zhǎng)1 233 m，最大埋深119.2 m。按雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h。

1.2 地質(zhì)條件概況

白兆隧道屬侵蝕～溶蝕低中山地貌，峰頂渾圓，局部山坡較陡，山坡傾角為10°～25°，隧道進(jìn)出口植被發(fā)育，多為松、杉等喬木。隧址區(qū)為第四系殘坡積層，主要巖性為砂巖、粉砂巖、頁巖和煤。地下水以第四系孔隙水類型及基巖裂隙水為主。隧址區(qū)內(nèi)含煤地層為上二疊統(tǒng)宣威組，總厚度約121～150 m，區(qū)內(nèi)主要含4層可采或局部可采煤層，平均厚度分別為1.98、2.70、2.15、1.10 m，總厚度為7.93 m。隧道周邊有2個(gè)煤礦，師宗縣宏業(yè)煤礦位于隧道南側(cè)，井口距離隧道穿越區(qū)域約2.6 km，該礦始建于1994年，1996年正式投產(chǎn)，屬私營(yíng)企業(yè)；瀘興煤礦位于隧道北側(cè)，井口距離隧址區(qū)860 m，該礦始建于1982年。除此之外隧道周邊私挖亂采及無序開采嚴(yán)重，其開采深度與隧道整體埋深標(biāo)高接近。由于間隔時(shí)間久，煤礦的開采狀況、規(guī)模及后續(xù)處置措施都沒有詳細(xì)的資料，無法確定采空區(qū)的具體位置及規(guī)模大小，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘、物探及鉆探綜合確定。

2 采空區(qū)探測(cè)

2.1 地表踏勘

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，隧址區(qū)整體呈“M”型，中間呈“V”型溝谷，谷底到隧道拱頂距離小于3倍洞徑，隧道埋深較淺。溝谷兩側(cè)以松樹、杉樹等高大喬木為主，谷底以灌木草本植物為主，植被茂密。在隧道上部地表分布有不同長(zhǎng)度和走向的裂縫，開裂時(shí)間較近，說明該區(qū)段地表沉降變形較大，正處于活躍期，隧道施工產(chǎn)生的二次擾動(dòng)會(huì)加劇變形破壞速度。

在隧道右側(cè)發(fā)現(xiàn)有遺留下的坑道，坑道內(nèi)部存有大量積水，坑道走向與隧道走向大致平行，距離隧道較近。距埡口較近的位置也存在遺留的坑道，坑道較小，內(nèi)部較干燥，與隧道走向斜交，據(jù)此推斷隧道路線會(huì)穿越部分采空區(qū)。隧道穿越采空區(qū)時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)隧道失穩(wěn)、突水突泥等災(zāi)害，必須查明采空區(qū)的分布、范圍、賦存形態(tài)與隧道空間位置關(guān)系。

2.2 物探

為查明隧道施工區(qū)域內(nèi)采空區(qū)分布、富水情況及其它不良地質(zhì)條件，采用瞬變電磁法對(duì)隧道區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，重點(diǎn)對(duì)隧道洞身高程周圍地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，為隧道施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料。瞬變電磁法[7]是一種采用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法。探測(cè)采用澳大利亞EMT公司的SM24瞬變電磁儀[8]。在隧道施工范圍內(nèi)布置3個(gè)200 m×200 m瞬變電磁探測(cè)線框，沿隧道橫向布置4條測(cè)線(1、3、5、7線)，單條測(cè)線長(zhǎng)620 m，測(cè)網(wǎng)密度為40 m(線距)×20 m(點(diǎn)距)，共布設(shè)測(cè)點(diǎn)124個(gè)，剖面總長(zhǎng)2 480 m，探測(cè)面積0.12 km2?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置見圖1。

圖1 瞬變電磁探測(cè)采空區(qū)測(cè)線布置

測(cè)點(diǎn)布置采用天寶GXT3000GPS(精度為亞米級(jí))進(jìn)行放樣，測(cè)點(diǎn)放樣過程中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)測(cè)量規(guī)范、規(guī)程，按照設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行野外測(cè)點(diǎn)放樣。瞬變電磁法對(duì)低阻地質(zhì)體或含水地層反應(yīng)靈敏，本次探測(cè)區(qū)域地層的視電阻率有明顯的電性差異，為物探工作提供了充分的物性條件。探測(cè)完成后分別截取4個(gè)同一標(biāo)高(2 020、2 000、1 980、1960m)視電阻率平面圖及4條測(cè)線視電阻率剖面圖，如圖2、圖3所示。

通過2 000 m等值線平面圖可知：在2 000 m標(biāo)高上1線11#～17#點(diǎn)、3線11#～15#點(diǎn)、5線11#～14#點(diǎn)、7線11#～12#點(diǎn)區(qū)域視電阻率呈低阻異常?？傮w上，高程從高到低深度由淺到深低阻異常區(qū)域逐漸變小、消失，說明低阻異常可能為富水性較強(qiáng)的地層視電阻率反應(yīng)，在縱向上主要分布在2 000 m及以上區(qū)域。從2 000 m等值線平面圖分析可知：l線23#～26#點(diǎn)、3線23#～27#點(diǎn)、5線23#～26#點(diǎn)、7線23#～25#點(diǎn)區(qū)域?yàn)楦咦璁惓^(qū)。結(jié)合圖3、圖4分析，高阻異常區(qū)域在縱向上主要分布在1970～2 010 m。

(a)2 020、2 000 m標(biāo)高

(b)1 980、1 960 m標(biāo)高

(a) 1線

(b) 3線

(c) 5線

(d)7線

從1線視電阻率剖面圖可知，在1線3#～21#點(diǎn)，標(biāo)高為2 050～2 010 m區(qū)域視電阻率呈低阻異常；23#～25#點(diǎn)，標(biāo)高1 970～2 010 m區(qū)域電阻率呈高阻異常；3線視電阻率剖面圖顯示在3線5#～ 21#點(diǎn)，標(biāo)高為2 050～ 2010 m區(qū)域視電阻率呈低阻異常；22#～ 25#點(diǎn)，標(biāo)高1 970～2 010 m區(qū)域電阻率呈高阻異常；5線視電阻率剖面圖顯示在5線5#～ 20#點(diǎn)，標(biāo)高為2 050～2 010 m區(qū)域視電阻率呈低阻異常；22#～25#點(diǎn)，標(biāo)高1 970～2 010 m區(qū)域電阻率呈高阻異常；7線視電阻率剖面圖顯示在7線2#～20#點(diǎn)，標(biāo)高為2 050～2 010 m區(qū)域視電阻率呈低阻異常。

2.3 鉆探為進(jìn)一步確定采空區(qū)位置及范圍，根據(jù)前期瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，在地面物探兩個(gè)異常區(qū)布置施工5個(gè)鉆孔，所有鉆孔均施工到設(shè)計(jì)層位。通過對(duì)鉆孔鉆芯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鉆孔中共見煤10層次，煤層厚度0.85～3.95 m，埋深12.55～123.10 m，底板標(biāo)高2050.78～ 1 964.45 m，分別位于隧道頂板10～48 m或底板5～38 m。17#～18#點(diǎn)為K3號(hào)鉆孔，24#～25#點(diǎn)為K5號(hào)鉆孔。其中有3層根據(jù)巖芯、鉆探鉆進(jìn)速度、涌漏水情況判斷為采空區(qū)，鉆孔見表1。

表1 鉆孔情況一覽鉆孔編號(hào)鉆孔位置鉆孔深度/m鉆孔標(biāo)高/m煤層編號(hào)煤層頂板標(biāo)高/m煤層底板標(biāo)高/m煤層厚度/m采空區(qū)判斷依據(jù)C172 000.951 997.253.7——K1ZK9+51108.252 039.65C211 993.751 990.353.4采空區(qū)鉆探巖芯C221 985.651 983.152.5——K2ZK9+119右5 m99.32 061.5C102 035.42 032.752.65采空區(qū)直接掉鉆C101 972.61 971.750.85——C102 054.732 050.783.95采空區(qū)鉆探巖芯K3K9+87右19 m105.72 063.33C142 015.232 013.431.8——C171 988.231 986.032.2——K4ZK9+236右9 m133.32 082.33C101 984.231 981.982.25——K5K9+224右6 m1352 087.55C101 967.051 964.452.6——

2.4采空區(qū)綜合探測(cè)分析經(jīng)瞬變電磁法并結(jié)合地勘鉆探查明隧道左幅ZK9+016～ZK9+100、右幅YK9+016～YK9+100共存在3個(gè)煤層采空區(qū)，分別為：① 1#采空區(qū)(K9+016～K9+037)，位于隧道洞身至底板下方約2 m，沿隧道方向長(zhǎng)20.7 m，采空區(qū)與隧道同一平面，橫穿隧道左、右幅，破壞體積約為12 000 m3，采空區(qū)裂隙已連通至地表，施工時(shí)將引起邊墻、拱頂圍巖冒落，底板下沉，對(duì)隧道施工有直接影響。② 2#采空區(qū)(K9+054～K9+082)，位于隧道底板下方約8 m，沿隧道方向長(zhǎng)28.1 m，采空區(qū)通過隧道左、右幅，破壞體積約為17 000 m3，采空區(qū)裂隙已連通至地表以下10 m左右，隧道施工可能產(chǎn)生底板塌陷、路基下沉。③ 3#采空區(qū)(K9+086～K9+100),位于隧道頂板上方約10 m，沿隧道方向長(zhǎng)23.3 m，采空區(qū)橫穿隧道左、右幅，破壞體積約為15 000 m3，采空區(qū)裂隙已連通至地表，可能引發(fā)隧道施工時(shí)的頂板垮塌，對(duì)隧道施工有一定影響。隧道與煤層采空區(qū)空間位置關(guān)系見圖4、圖5所示。

圖4 隧道與采空區(qū)位置斷面

圖5 隧道與采空區(qū)空間位置分布

3 煤層采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性分析

(1)

式中：M為煤層開采厚度，m；K為垮落巖石殘余碎脹系數(shù)；a為煤層傾角，°。

底板破壞帶按算式(2)計(jì)算：

Hp=0.700 7+0.107 9L

(2)

式中：L為工作面斜長(zhǎng)，一般不超過30 m，此處取30 m。

當(dāng)頂板為極軟弱、軟弱、中硬、堅(jiān)硬成互層覆巖時(shí)，垮落帶最大高度按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：H為垮落過程中頂板下沉值，m。

導(dǎo)水裂隙帶最大高度按式(4)計(jì)算：

(4)

將數(shù)據(jù)代入上述公式計(jì)算求得白兆隧道采空區(qū)破壞參數(shù)，見表2。

表2 白兆隧道采空區(qū)破壞參數(shù)采空區(qū)破壞高度/mHmHliHp沿隧道走向破壞長(zhǎng)度/m1#7.7321.783.9411.62#11.4924.153.9413.73#8.6222.433.9415.3

根據(jù)采空區(qū)的形態(tài)，采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)采空區(qū)破壞高度及長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明已存在的采空區(qū)對(duì)隧道施工安全影響較大。

3.2 采空區(qū)對(duì)圍巖的影響

在隧址區(qū)存在多條地表裂縫，其最大深度146cm，最大寬度15 cm，可以判斷該區(qū)段采空區(qū)對(duì)圍巖影響破壞較大，必須引起足夠的重視，在隧道施工過程中需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行預(yù)處理[13]，避免結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

隧道穿越采空區(qū)圍巖豎向的位移云圖如圖6所示，從圖6可知圍巖沿水平方向最大正向水平位移約為82 mm，產(chǎn)生在右幅隧道右拱腰與1#采空區(qū)相交部位，最大負(fù)向水平位移約為74 mm，產(chǎn)生在左幅隧道左拱腰與1#采空區(qū)相交部位。左幅隧道左邊墻主要為正向位移，右邊墻為負(fù)向位移，右幅隧道亦是如此，表明隧道開挖過程中左右邊墻均受到擠壓變形。沿垂直方向最大正、負(fù)向位移分別約為98 mm和259 mm，在3個(gè)采空區(qū)周圍均較為明顯，說明隧道開挖過程中采空區(qū)沿垂直方向產(chǎn)生顯著變形。3個(gè)采空區(qū)周圍也發(fā)生不同程度豎向變形，其中2#采空區(qū)頂板最大下沉達(dá)282 mm，隧道拱頂最大沉降值為183 mm，產(chǎn)生在與1#采空區(qū)相交隧道拱頂部位，拱頂沉降大部分在80 mm以上，仰拱最大隆起變形為123 mm，平均隆起值為71mm。綜上可知，在未采取加固措施條件下隧道穿越煤層采空區(qū)時(shí)，隧道圍巖水平及垂直產(chǎn)生很大位移，采空區(qū)的存在對(duì)隧道的安全施工有較大影響。

(a) 整體

(b)左幅

(c)右幅

4 結(jié)論

以云南省召瀘高速公路項(xiàng)目隧道為工程背景，對(duì)隧道穿越采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出如下主要結(jié)論。

1)采用瞬變電磁法探測(cè)隧址區(qū)采空區(qū)的分布狀況，探測(cè)結(jié)果表明，隧道左幅ZK9+016～ZK9+100、右幅YK9+016～YK9+100段存在3個(gè)采空區(qū)，1#采空區(qū)橫穿左右幅隧道、2#采空區(qū)位于隧道下伏、3#采空區(qū)位于隧道上覆，其中1#、2#采空區(qū)對(duì)隧道施工影響較大。

2)采用三帶理論對(duì)賦存的3個(gè)采空區(qū)進(jìn)行理論計(jì)算，確定其破壞參數(shù)；通過建立相應(yīng)的數(shù)值模型，分析了隧道穿越采空區(qū)時(shí)圍巖的變形特性，結(jié)合圍巖的變形破壞模式，分析隧道穿越采空區(qū)段的圍巖穩(wěn)定性，確定了采空區(qū)對(duì)圍巖的影響，從而為后續(xù)隧道穿越采空區(qū)圍巖的加固提供依據(jù)，可為類似工程提供借鑒。