摘要 早期煤礦開采形成了大量的采空區(qū)，部分采空區(qū)與斷裂帶連通后，地表水通過斷裂帶及采空區(qū)持續(xù)滲入至既有公路的隧道周邊，從既有隧道的襯砌薄弱處滲出，導(dǎo)致隧道襯砌滴漏甚至出現(xiàn)涌水病害。為深入研究采空區(qū)及斷裂帶共同影響下公路隧道滲水病害處治的關(guān)鍵技術(shù)，文章以龍巖市江山隧道滲水處治工程為背景，利用無人機進行測繪調(diào)查，結(jié)合遙感地質(zhì)與地球物理勘探技術(shù)，重點研究既有隧道受采空區(qū)和斷裂帶共同作用下地表水下滲至隧道周邊的路徑調(diào)查，并根據(jù)滲水路徑調(diào)查進行多種處治方案的比選，提出了隧道涌水病害處治方案，對后續(xù)采空區(qū)及斷裂帶影響下類似隧道涌水的處治項目具有參考意義。

關(guān)鍵詞 采空區(qū)；斷裂帶；無人機；滲水路徑；方案比選

中圖分類號 U457 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0064-03

0 引言

龍巖市江山鎮(zhèn)早期煤礦資源豐富，煤礦開采形成了大量的采空區(qū)，受路線走廊帶的限制，既有公路隧道不可避免地會穿越煤礦采空區(qū)。采空區(qū)將多個斷裂帶連通后，地表水持續(xù)補給至隧道周邊，從隧道薄弱處滲出，導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)滴漏甚至涌水病害。因此，利用無人機測繪和地球物理勘探技術(shù)調(diào)查采空區(qū)和斷裂帶的聯(lián)系及滲水路徑的關(guān)鍵技術(shù)研究具有重大意義。

目前國內(nèi)外利用無人機及物探技術(shù)調(diào)繪滲水路徑進行了諸多研究，薛建志等[1]利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了采空區(qū)形態(tài)、規(guī)模、位置的精確探查；郭建等[2]利用調(diào)查、地表變形監(jiān)測、地表物探、鉆探、井內(nèi)物探等多種手段查明了深層采空區(qū)的分布、規(guī)模等地質(zhì)特征；張馳等[3]采用無人機機載三維掃描測量系統(tǒng)對采空區(qū)進行了掃描測量；楊玉龍等[4]通過地質(zhì)雷達等檢測手段和建立力學模型研究了采空區(qū)影響下的隧道病害處治；何光安等[5]從巖石的碎脹和壓實特性出發(fā)，得出了采空區(qū)滲流參數(shù)的分布圖；智國軍等[6]通過滲流試驗揭露了采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率的分布規(guī)律。該文以龍巖江山隧道滲水處治工程為依托，利用無人機測繪和地球物理勘探技術(shù)調(diào)查地表水滲水路徑，通過增設(shè)排水洞等多方案比選后提出了經(jīng)濟合理的處治方案，可為后期公路隧道的涌水缺陷處治提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該研究描述的隧道位于福建省龍巖市新羅區(qū)江山鎮(zhèn)，江山隧道是龍巖市新羅區(qū)的一座單洞雙向兩車道的公路隧道，設(shè)計里程K3+000～K4+502，長1 502 m，隧道進出口洞門為端墻式，于2007年12月建成通車。隧道主斷面按山嶺重丘二級路標準設(shè)計，采用復(fù)合式襯砌，隧道路面寬度為2 m×3.75 m，隧道凈高5.0 m，設(shè)計行車速度為40 km/h。根據(jù)施工期間資料，該隧道共穿越7條節(jié)理密集斷裂帶，共發(fā)現(xiàn)8個采空區(qū)，其中出現(xiàn)大涌水的采空區(qū)有6個。

1.2 隧道滲水情況

該研究涉及的隧道自建成至今，出現(xiàn)過多次不同程度的滲漏水病害。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，隧道洞內(nèi)滲水嚴重，主要表現(xiàn)如下：墻面和墻角突水，路面滲水唧泥、泛漿，施工縫滲水（局部為線性滴漏狀態(tài)），二襯表面潮濕、面滲、滲水等。

2 水文地質(zhì)調(diào)繪方案要點

如上所述，該研究所述隧道位于喜馬拉雅早期構(gòu)造形成的侵蝕低丘區(qū)，屬于低山地貌，地形切割強烈，坡度較大，溝谷發(fā)育，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育。隧道洞身受橫穿江山向斜的影響，地層在褶皺過程中曾產(chǎn)生不同程度的順層滑動，加之構(gòu)造活動的強烈影響，巖體整體比較破碎。該隧道地形復(fù)雜，植被密集，且覆蓋范圍比較大，通過對隧道周邊匯水及滲水路徑的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在以下難點：

（1）隧道周邊匯水區(qū)域多，需要調(diào)繪面積大，約2 km2，單純?nèi)斯ふ{(diào)繪時間長，覆蓋面可能不足。

（2）如前所述，該隧道周邊存在多條節(jié)理密集斷裂帶，周邊地形地貌復(fù)雜，植被密集，地表滲水點較為隱蔽，許多地方人力無法到達，調(diào)繪難度大。

（3）隧道周邊為既有煤礦礦區(qū)，目前能收集到部分國營煤礦的采空資料，經(jīng)了解早年存在私采問題，但無私采煤礦資料，且礦區(qū)關(guān)閉多年，許多巷道進出口已經(jīng)封填，常規(guī)測繪和勘察手段難以查找。

2.1 地形地物調(diào)繪方案

如上述調(diào)繪要點及難點需求，根據(jù)江山隧道周邊地物及地形情況，此次測繪利用大疆“御3”無人機搭載高分辨率數(shù)碼相機，對隧道周邊地形進行測繪，測繪技術(shù)要點如下：

（1）精度要求。

像控點相對于起算點的點位中誤差，應(yīng)小于0.1 m；高程中誤差應(yīng)小于0.1 m。

（2）區(qū)域網(wǎng)布點要求。

1）航線方向跨度為12條基線，旁向跨度為2條航線；區(qū)域網(wǎng)布點時在每個區(qū)域網(wǎng)內(nèi)加布至少5個檢核點，檢核點和像控點距離一般應(yīng)在3條基線以上，檢核點應(yīng)選擇在影像清晰、目標明確的地方；該點不參與加密平差，只用于檢核；在不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點時，應(yīng)在凹凸拐角處加布平高點。

2）特殊情況的布點。

（a）航攝區(qū)域接合處的布點。在航攝區(qū)域接合處，控制點應(yīng)布設(shè)在航線重疊接合處，鄰區(qū)盡量公用，如不能滿足公用要求，則應(yīng)分別布點。

（b）像主點和標準點落水的布點。當像主點或標準點位處于水域內(nèi)，或被云影、陰影等覆蓋，或無明顯地物時，均視為點位落水。當落水范圍的大小和位置尚不影響立體模型的連接時，可按正常航線布點，否則應(yīng)按全野外布點方法進行布設(shè)。

（c）困難地區(qū)布點。在部分山地及森林茂密區(qū)域布設(shè)像控點困難，當航向出現(xiàn)連續(xù)12條（含）以上或旁向連續(xù)3條（含）以上基線無法在相片標準點位找到合適的目標時，可以適當放寬基線跨度要求，也可以考慮在相片非標準點位布設(shè)像控點。

2.2 水文地質(zhì)勘探方案

此次勘探主要采用物探結(jié)合地質(zhì)鉆孔的技術(shù)進行。（1）此次鉆孔共布設(shè)6個，分別在滲水集中區(qū)域、采空區(qū)相交區(qū)域和斷裂帶密集區(qū)域，所有鉆孔均進行抽水試驗，取芯鉆進后擴孔口徑為219 mm，泵室段直徑為168 mm，終孔口徑不小于128 mm。成井后進行地下水抽水試驗，抽水試驗應(yīng)采用3次降深。（2）此次物探擬采用的方法包括高精度磁法剖面、磁法剖面測網(wǎng)布設(shè)、視電阻率聯(lián)合剖面、音頻大地電磁等，設(shè)置高精度磁法剖面2 km2；磁法剖面測網(wǎng)布設(shè)2 km2；視電阻率聯(lián)合剖面100點；音頻大地電磁50點。

3 隧道涌水處治方案

3.1 隧道涌水缺陷成因分析

地質(zhì)水文調(diào)繪及勘探顯示，江山隧道科技園側(cè)最大涌水量的日出水量達64 966 m3/d；日流量連續(xù)15 d保持在45 000 m3/d以上；連續(xù)暴雨過完30 d后，近期平均也基本保持在28 000 m3/d左右，且K4+240位置附近出水量達到總出水量的3/5。如此大的涌水量，分析其原因主要如下：

（1）連續(xù)暴雨，現(xiàn)場無人機調(diào)繪顯示地表截排水系統(tǒng)不暢導(dǎo)致豐富的地表水通過原有煤礦采空區(qū)巷道口、斷裂構(gòu)造帶及其影響帶滲入圍巖裂隙和采空區(qū)內(nèi)后滲入至隧道周邊，當隧道排水系統(tǒng)不足以排出周邊圍巖水時將從隧道薄弱處滲出。

（2）物探及鉆孔勘察顯示，回龍煤礦采空區(qū)的最低標高為561.6 m，江山隧道路面標高為541.4～558.95 m，

煤礦采空區(qū)普遍高于隧道標高。當采空區(qū)富水時，采空區(qū)的水將通過巷道和斷裂構(gòu)造帶及其影響帶流向隧道

周邊。

（3）施工資料顯示，隧道在K4+240位置周邊存在較大的采空區(qū)，且該采空區(qū)與周邊采空區(qū)通過巷道連通；K3+382～K3+391段節(jié)理密集圍巖破碎，施工期間多次塌方，大量涌水。

3.2 隧道涌水缺陷處治方案

（1）洞內(nèi)處治方案。

既有江山隧道防排水設(shè)施主要為復(fù)合土工防水布、TR縱向軟式管盲溝，中央排水管和排水邊溝，隧道圍巖周邊的水主要通過排水溝和中央排水管排出隧道?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，既有左側(cè)排水溝內(nèi)有一根直徑為300 mm的自來水管占用左側(cè)排水溝的排水面積，右側(cè)排水溝兼電纜溝功能，導(dǎo)致電纜長時間浸泡在水中，影響電纜的使用壽命，且電纜和垃圾雜物堆積占用排水溝的排水面積。此次處治方案將配合自來水管設(shè)計及管養(yǎng)部門將自來水管遷改至蓋板上，以恢復(fù)左側(cè)排水溝的排水功能。針對右側(cè)邊溝的電纜采用襯砌橋架敷設(shè)，以恢復(fù)右側(cè)排水功能的同時保護電纜。

（2）增設(shè)引水隧洞方案。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)繪，結(jié)合施工期間隧道周邊地質(zhì)情況，該研究考慮江山隧道在K4+240附近與采空區(qū)相交，且該區(qū)域出水量占整個隧道出水量的3/5，擬在隧道側(cè)邊增設(shè)內(nèi)徑2.0 m的引水隧洞，引水隧洞的內(nèi)徑將考慮排水需求和管內(nèi)施工設(shè)備和人員的進入。引水隧洞緊鄰既有隧道且既有隧道襯砌安全儲備較小，擬采用頂管措施進行，以減小對舊洞的影響，在隧道洞外區(qū)域采用明挖方式進行施工。此次方案考慮兩個引水洞平面方案，具體方案情況如下：

1）方案一：在江山隧道江山側(cè)出口右側(cè)布設(shè)內(nèi)徑為2.0 m的引水洞，引水洞的引水點位于江山隧道K4+240附近采空區(qū)，引水洞終點位置標高為552 m，該位置江山隧道的路面標高為555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道右側(cè)河道邊緣，引水洞出口標高為551.1 m，出水口位置的河道標高為549.4 m，引水洞縱坡為0.5%。該方案在洞外采用明挖方式布設(shè)長度約100 m的排水管，利用頂管掘進技術(shù)穿越山體直至江山隧道K4+240附近的采空區(qū)域，頂管掘進長度約242 m。當頂管掘進至采空區(qū)附近時，頂管襯砌結(jié)合地質(zhì)情況與采空區(qū)采用鏤空處治，并在鏤空區(qū)域布設(shè)環(huán)向引水管，將圍巖及采空區(qū)的水引至引水洞處。

2）方案二：在江山隧道江山側(cè)出口左側(cè)布設(shè)內(nèi)徑為2.0 m的引水洞，引水洞的引水點位于江山隧道K4+240附近采空區(qū)，引水洞終點的位置標高為552 m，該位置江山隧道的路面標高為555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道左側(cè)河道邊緣，引水洞出口標高為550.29 m，出水口位置的河道標高為550 m，引水洞縱坡為0.3%。該方案在洞外采用明挖方式布設(shè)長度約30 m的排水管，利用頂管掘進技術(shù)穿越山體直至江山隧道K4+240附近的采空區(qū)域，頂管掘進長度約270 m。當頂管掘進至采空區(qū)附近時，頂管襯砌結(jié)合地質(zhì)情況與采空區(qū)采用鏤空處治，并在鏤空區(qū)域布設(shè)環(huán)向引水管，將圍巖及采空區(qū)的水引至引水洞處，同步可以結(jié)合采空區(qū)域布置擴挖集水井的工藝進行處治。

3）方案比選：如上所述兩個方案，方案一引水點位于采空區(qū)正下方，能夠有效地排出采空區(qū)的積水；方案二位于采空區(qū)的斜下方，需要對引水點處擴挖集水井等措施對采空區(qū)的積水進行排除；同時方案一的頂管掘進長度較方案二短，且方案一的費用較低；此外，方案一的排水口處于河道下游，整體排水縱坡較方案二大，排水較方案二順暢。綜上所述，此次設(shè)計推薦方案一。

（3）增設(shè)水平排水孔方案。

在施工期間，K3+382附近出現(xiàn)多次塌方并出現(xiàn)大涌水，且該區(qū)域現(xiàn)狀多處襯砌滲水，圍巖破碎節(jié)理密集。此次方案考慮在隧道左右兩側(cè)通過水平鉆孔的方式增設(shè)內(nèi)徑為20 cm的引水孔。引水孔在洞口通過水平鉆孔方式施工，然后安裝打孔波紋管，波紋管周邊用土工布包裹。

（4）洞外截排水方案。

1）在江山隧道左側(cè)原有采礦區(qū)的主入口區(qū)域，經(jīng)了解礦區(qū)封閉時采用碎塊石回填，后期在2023年表面回填土后進行了綠化處理?，F(xiàn)場調(diào)查了解，暴雨后地表水進入該回填區(qū)域大部分下滲。為了減少下滲，此次處理針對該區(qū)域頂端設(shè)置頂寬1.2 m、底寬0.6 m、高0.6 m的梯形截水溝，在雨季能夠引導(dǎo)大部分地表水直接排至河道，減少地表水下滲至煤礦采空區(qū)域。

2）江山隧道右側(cè)調(diào)查顯示，一處沖溝處存在一處采礦區(qū)的巷道口，該巷道口的出口為一道涵洞，目前已經(jīng)被礦渣堵塞。涵洞出口沖溝也被礦渣堵塞嚴重?，F(xiàn)場調(diào)查了解，連續(xù)暴雨地表水經(jīng)上游沖溝流到堵塞涵洞后倒灌礦區(qū)巷道，地表水通過該巷道進入采空區(qū)。為了減少地表水通過該巷道進入煤礦采空區(qū)，此次處理針對該沖溝進行疏浚，清理堆積礦渣，然后對沖溝進行鋪砌處理，使得地表水能夠通過該沖溝及時排洪至河道，減少地表水倒灌進巷道。

3）在江山隧道距科技園洞口側(cè)約200 m處原有采礦區(qū)的棄渣區(qū)域，該區(qū)域原狀為山體沖溝，主要為排出地表水，現(xiàn)場調(diào)查了解現(xiàn)狀已經(jīng)被礦渣完全堆積堵塞，暴雨后地表水無法及時排出。為了順利排出地表水，此次處理針對該區(qū)域頂端設(shè)置頂寬1.2 m、底寬0.6 m、高0.6 m的梯形截水溝，在雨季能夠引導(dǎo)大部分地表水直接排至下方?jīng)_溝，減少地表水下滲至隧道周邊圍巖。

4 結(jié)語

該研究所依托的工程案例通過無人機調(diào)繪發(fā)現(xiàn)地表滲水路徑，利用物探及鉆孔地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)核查采空區(qū)的分布及標高，有效地描繪出隧道周邊地表水的下滲路徑，通過地表截排、洞側(cè)增設(shè)引水隧洞和水平排水孔的處治措施，解決了江山隧道的涌水缺陷。該文研究采用的處治方案解決了困擾江山隧道多年的涌水問題，以期為類似工程提供參考，故提出以下建議：

（1）無人機調(diào)繪前應(yīng)盡可能詳盡地搜集隧道周邊的地質(zhì)水文和采空區(qū)資料，可以進行針對性的調(diào)查和航拍。

（2）物探及鉆孔布置應(yīng)充分考慮施工期間斷裂帶和采空區(qū)的分布。

（3）物探及鉆孔布置應(yīng)考慮水量及水流路徑的影響，同時考慮區(qū)域降雨等影響因素，為后續(xù)排水隧洞內(nèi)徑的設(shè)計提供依據(jù)。

參考文獻

[1]薛建志，賈會會，多曉松，等.三維激光掃描勘查方法在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].科學技術(shù)創(chuàng)新， 2022（10）：65-68.

[2]郭建，邵光宇，周興濤，等.深層采空區(qū)勘察工作方法探討——以魯西萊蕪官廠村煤礦采空區(qū)為例[J].山東國土資源， 2022（7）：43-48.

[3]張馳，崔林鵬，冀虎，等.基于無人機載三維激光掃描測量系統(tǒng)的采空區(qū)掃描及應(yīng)用研究[J].有色金屬科學與工程， 2022（6）：98-105.

[4]楊玉龍，鄔培菊，孫健，等.采空區(qū)影響下隧道病害治理技術(shù)研究[J].煤炭工程， 2018（S1）：147-150.

[5]何光安，尚英智，邵龍，等.采空區(qū)煤巖滲流參數(shù)分布特征研究[J].煤礦現(xiàn)代化， 2022（05）：66-69.

[6]智國軍，劉潤，楊瑞剛，等.煤礦地下水庫相鄰采空區(qū)水力聯(lián)系及滲流規(guī)律研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保， 2022（2）：9-15.