余綠山

摘要：鑒于現(xiàn)有控制施工技術(shù)對(duì)頂板位移量的控制仍不夠穩(wěn)定，故需對(duì)高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術(shù)進(jìn)行深入研究。首先，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)抽排水設(shè)備和管線、工作面和采空區(qū)位置。其次，計(jì)算在煤層回采過程中底板破壞程度并選定支護(hù)方案，利用錨桿與錨索協(xié)同支護(hù)提高承載能力。再次，設(shè)置臨時(shí)截排水溝進(jìn)行合理有效排水，并采用5m長φ42鋼花管進(jìn)行徑向注漿加固。最后，用孔口管內(nèi)偏心輪跟管工藝進(jìn)行注漿，根據(jù)采空區(qū)高度調(diào)整鉆孔長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著采空區(qū)的高度增加，層間距能夠始終控制在8mm范圍內(nèi)，說明本文設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：高鐵隧道；穿煤層；采空區(qū)；施工

0? ?引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵隧道建設(shè)面臨的地質(zhì)條件也日益復(fù)雜。其中，高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)的施工技術(shù)成為一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的課題。煤層采空區(qū)的存在可能會(huì)引發(fā)隧道施工過程中的地質(zhì)災(zāi)害，如塌方、突水等，對(duì)工程建設(shè)和運(yùn)營安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，開展高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術(shù)研究至關(guān)重要。一般通過對(duì)采空區(qū)影響段落隧底變形進(jìn)行觀測(cè)，并使用鉆頭按照具體定位進(jìn)行施工，然后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿加固，來準(zhǔn)確達(dá)到施工目標(biāo)。如此可以在一定程度上提升采空工作的施工速度，同時(shí)還能夠保證一定的施工安全性。

傳統(tǒng)采空區(qū)控制施工技術(shù)在大范圍煤礦中應(yīng)用時(shí)，如果在施工環(huán)節(jié)中誤差過大，就會(huì)造成圍巖發(fā)生變形[1]。如果支護(hù)不及時(shí)，在頂板形成松散破碎區(qū)易發(fā)生頂板事故，導(dǎo)致結(jié)果難以符合預(yù)期。本文以高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術(shù)為研究目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試與分析。

1? ?工程概況

中鐵十二局集團(tuán)承建的白云山隧道位于四川省內(nèi)江市資中縣境內(nèi)，隧道全長13340m。全隧設(shè)置7座斜井，為高瓦斯隧道。隧道最大埋深約260m。地下水主要為基巖裂隙水，分布不均，局部可能會(huì)發(fā)生突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)地勘情況可知，威遠(yuǎn)縣鐵爐灣頁巖礦采空區(qū)三水平運(yùn)輸巷堵頭位于DK136+146左線線路中線右側(cè)約68m。DK139+525～DK140+305段處于尖山水庫影響區(qū)，在砂巖和泥巖接觸帶及砂巖段落時(shí)，水量較大，會(huì)發(fā)生涌突水問題。隧道修建過程中，水庫水和其他地表水會(huì)通過導(dǎo)水縫進(jìn)入隧道，為此需對(duì)掌子面進(jìn)行施工。施工時(shí)需要在開展綜合地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，防止采空區(qū)坍塌、突水、突泥等。

2? ?穿煤層采空區(qū)控制施工要點(diǎn)

2.1? ? 采空區(qū)回采巷道布置

2.1.1? ?工作面巷道布置

根據(jù)超前水平鉆孔出水情況，推測(cè)水庫水通過通道進(jìn)入隧道空間的時(shí)間。根據(jù)反坡排水方案，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)抽排水設(shè)備和管線，及時(shí)將涌水排出洞外[2]。工作面巷道布置形式如圖1所示。該工作面軌道巷位于采空區(qū)底部，靠近區(qū)段煤柱。運(yùn)輸巷則位于采空區(qū)另一側(cè)。

2.1.2? ?應(yīng)力控制

巷道圍巖在煤柱的支承壓力作用下，會(huì)發(fā)生應(yīng)力整體集中的情況。鑒于此，需要對(duì)工作面的回采巷道出現(xiàn)煤柱的高應(yīng)力進(jìn)行控制，以確保巷道與上方水平距離滿足如式（1）所示的條件：

式中：v為不同煤層之間的平均間距；m為煤層厚度；α為傾斜角度；θ為支撐壓力傳遞角。通過公式（1）計(jì)算，得到工作面回采巷道與上方的距離關(guān)系，以為合理布置巷道提供基礎(chǔ)[3]。

通常，煤柱靠近采空區(qū)的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，為了使煤層采空區(qū)底部的垂直應(yīng)力符合要求，需要通過布置沿空留巷來保持應(yīng)力，使得巷道穩(wěn)定。

依據(jù)滑移線場(chǎng)原理可知，在煤層回采過程中，底板的最大破壞程度t的計(jì)算如下：

式中：R為采高，H為應(yīng)力集中系數(shù)，l為底板巖層的內(nèi)摩擦角。通過計(jì)算，能夠得到煤層之間的厚度，前一煤層回采后，據(jù)此可以判斷另一個(gè)煤層的完整性。

2.2? ?確定支護(hù)方案

2.2.1? ?支護(hù)的作用

需針對(duì)煤層回采巷道受到破壞的類型不同，進(jìn)行支護(hù)方案選定。為了避免掘進(jìn)巷道時(shí)頂板冒落，要及時(shí)支護(hù)，以便有效減小空頂距離，強(qiáng)化圍巖初期強(qiáng)度，防止圍巖發(fā)生變形。同時(shí)保持整體結(jié)構(gòu)的完整性，以提高承載能力[4]。通過使用錨桿，使淺部巖層形成整體穩(wěn)定的梁形結(jié)構(gòu)。錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)拱梁耦合，以增強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)能力。頂板破碎無法錨固時(shí)，考慮采取注漿加固，提高圍巖完整性和承載能力[5]。

2.2.2? ?支護(hù)要點(diǎn)

支護(hù)采用6根螺旋錨桿，頂板錨索規(guī)格為Ф15×2500，間隔兩排錨桿布置錨索。該采空區(qū)是私人老礦井，年代久遠(yuǎn)，推測(cè)它與原聯(lián)合煤礦的采空區(qū)相連。采空區(qū)的底部距離隧道頂部約為4～6m。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，推測(cè)采空區(qū)的洞隧道縱向分布與6#斜井小里程隧頂采空區(qū)相連，底部距離隧道頂部4.5～7m。為了確保施工和后期運(yùn)營的安全，需要對(duì)頂部的采空區(qū)進(jìn)行注漿加固，并調(diào)整相關(guān)的支護(hù)參數(shù)。

為確保施工安全，降低對(duì)周圍巖的擾動(dòng)作用，必須采取嚴(yán)格的支護(hù)措施和合理的施工方法。同時(shí)調(diào)整采空區(qū)段落二次襯砌結(jié)構(gòu)，布置防排水措施。

2.3? ?隧道頂部采空區(qū)加固施工

2.3.1? ?準(zhǔn)備工作

在隧道頂部采空區(qū)加固施工前，首先需要進(jìn)行地表預(yù)處理，清除表面的松散碎石和雜物。設(shè)置臨時(shí)截排水溝，實(shí)現(xiàn)合理有效地排水。在中線左右15m范圍內(nèi)進(jìn)行豎向鋼花管注漿加固。

2.3.2? ?注漿加固

在注漿過程中布設(shè)小導(dǎo)管，使用的注漿材料為水泥漿。通過控制水灰比來調(diào)整制漿[6]。注漿壓力范圍為0.3～

0.5MPa，具體灌漿壓力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌注情況進(jìn)行調(diào)整。

邊墻采用5m長Ф42鋼花管進(jìn)行徑向注漿加固，交錯(cuò)布置。隨著注漿壓力逐步升高，當(dāng)達(dá)到終壓實(shí)時(shí)停止，并穩(wěn)定一段時(shí)間。在洞內(nèi)開挖至D1K129+145之前，需要適當(dāng)增加鋼拱架的高度，使其形成管棚群。采用長度為25m大管棚在拱部布置。安裝內(nèi)層拱架，并將管棚外露的尾部加固在拱架外側(cè)。

2.3.3? ?施作超前小導(dǎo)管

噴射混凝土以確保初支面的平整度。根據(jù)開挖情況，在下循環(huán)開挖之前，在管棚間隙中施作超前小導(dǎo)管，形成雙向預(yù)加固體系，確保施工安全。

在超前支護(hù)完成后，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖支護(hù)。采用少裝藥短進(jìn)尺，以減小對(duì)地表土層的擾動(dòng)。采用雙層鋼拱架以及加強(qiáng)鎖腳錨桿進(jìn)行支護(hù)。在外層拱架腹板鉆孔并施作超前小導(dǎo)管，兩層拱架間采用連接筋焊接使其形成初支體系，以提高整個(gè)初支體系穩(wěn)定性。

2.3.4? ?增設(shè)排水板

根據(jù)地質(zhì)情況，對(duì)地表及洞內(nèi)沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期觀測(cè)[7]。待初期支護(hù)沉降穩(wěn)定后，增設(shè)排水板進(jìn)行排水。當(dāng)襯砌強(qiáng)度符合要求后，對(duì)極淺埋地表逐層夯填至設(shè)計(jì)高度，形成封閉層。

2.3.5? ?拱部加固

利用I20a臨時(shí)套拱實(shí)施加固，以確保安全。采用孔口管內(nèi)偏心輪跟管工藝進(jìn)行注漿，加固范圍為拱部15m范圍的采空區(qū)，每環(huán)布置7個(gè)鉆孔，環(huán)向間距為3m，鉆孔長度根據(jù)采空區(qū)高度進(jìn)行調(diào)整。

3? ?實(shí)例應(yīng)用分析

本文以實(shí)際地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，針對(duì)回采巷道頂板不同測(cè)點(diǎn)垂直位移量變化進(jìn)行研究。預(yù)期目標(biāo)為兩煤層間距控制在8mm以內(nèi)時(shí)，有利于提升回采巷道的穩(wěn)定性。

3.1? ?建模

在采空區(qū)高度變化時(shí)，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)穿煤層下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。將煤夾層厚度和采空區(qū)高度進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。

在建模過程中，在煤層回采巷道的頂板及兩側(cè)中點(diǎn)設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，記錄該點(diǎn)的垂直位移。下部煤層回采巷道穩(wěn)定性模擬如表1所示。

3.2? ?位移量變化分析

采空區(qū)高度為12m時(shí)，下部煤層回采巷道開挖后，巷道頂板和兩側(cè)位移量在兩煤層層間距的變化如圖2所示。

由圖2可知，下部煤層回采巷道開挖后，煤層間距增加，頂板位移量逐漸減小并穩(wěn)定在0m。隨著采空區(qū)的高度增加時(shí)，下部煤層回采巷道的穩(wěn)定性，隨著上部煤層采空區(qū)高度的增大而逐漸增強(qiáng)，使得層間距控制在8mm范圍內(nèi)，符合預(yù)期效果。上下煤層的層間距越大，回采巷道的穩(wěn)定性越強(qiáng)。

由此說明，運(yùn)用本文施工技術(shù)能夠使煤柱的支承應(yīng)力得到一定累積，使得向底板巖層中的傳遞應(yīng)力增加，適用于煤層開采厚度較大的情況。

3.3? ?整體施工效果

通過采取嚴(yán)格的支護(hù)措施和合理的施工方法，以及調(diào)整采空區(qū)段落二次襯砌結(jié)構(gòu)和布置防排水措施，確保了施工安全，降低了對(duì)周圍巖的擾動(dòng)作用。

同時(shí)，在注漿過程中控制水灰比、注漿壓力和鋼花管的布置，提高了加固施工的效果。通過地表和洞內(nèi)沉降觀測(cè)，對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，確保了工程的安全和穩(wěn)定。

4? ?結(jié)束語

本文研究了高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)的控制施工技術(shù)，主要內(nèi)容包括采空區(qū)回采巷道布置、應(yīng)力控制、支護(hù)方案確定以及隧道頂部采空區(qū)加固施工等。通過實(shí)例應(yīng)用分析，證明了該技術(shù)的可行性和有效性，為類似工程提供了有益的參考和借鑒。但該設(shè)計(jì)還存在不足之處，如工期的不合理分配問題，收集現(xiàn)場(chǎng)施工資料的問題等。

今后在研究中，要根據(jù)地表調(diào)查和洞內(nèi)出水情況，推進(jìn)計(jì)劃過程中的各項(xiàng)任務(wù)，持續(xù)高效的進(jìn)行安全施工。要科學(xué)制定反坡排水應(yīng)急措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，改良洞周土體，以提升施工過程中的經(jīng)濟(jì)效益。要科學(xué)采用超前注漿堵水，全面推進(jìn)施工生產(chǎn)，確保高鐵隧道下穿煤層采空區(qū)控制施工技術(shù)更高效，更安全的應(yīng)用。

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