隧道过采空区施工技术探讨

郭 涛

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

1 概论

1.1 地形地貌

忻保高速全长为190.2 km，分布在山西北中部忻州、原平两市境内，郝家里煤矿采空区位于山西省保德县桥头镇，根据施工图设计阶段工程地质勘查报告，煤矿采空区分布在黄土丘陵区。微地貌表现为黄土梁、峁、坡地和冲沟。冲沟方向为北西—南东向，宽度10 m～120 m，切割深度为8 m～50 m，形态呈树枝状。沟底两侧有小面积的基岩出露。由于人工整修，地表多为台阶和耕地，大多与路线斜交。海拔高程在1 104 m～886 m之间。植被稀少，以农作物为主，局部有灌木。

1.2 气象

项目区内地处中纬度地带的晋西北黄土高原，既远离海洋，又受山岳阻隔和内蒙古沙漠的影响，属典型的温带大陆性半干旱气候区，地形复杂，多为山地丘陵，地形切割剧烈。降水少，昼夜温差大。区内年平均气温为8.8℃，1月份温度最低，7月份温度最高。极端最低气温－25.5℃，极端最高气温37.2℃。区内降水量受地形地貌的控制而出现差异性，随海拔标高增高降水量增大，春季偏少，夏季集中，全年降水集中7月～9月三个月，保德县年平均降水量493.6 mm，年最大降水量862.4 mm，年最小降水量194.8 mm。无霜期161 d。冻结期始于11月上旬，解冻期为3月中旬，最大冻土深度150 cm。

1.3 施工条件

1)交通:施工地点距岢岚至保德省道很近，交通方便。

2)通讯:可在施工现场安装固定电话，亦可使用移动电话。

3)居住条件:现场附近租用民房，亦可自建临设。

4)施工用电:可通过煤矿接动力电，也可自备电源。

5)施工用水:朱家川河水。

1.4 勘察成果概述

郝家里煤矿对工程影响严重，左线采空区长度1 413 m，右线采空区长度1 365 m，左右线累计长度2 778 m。剩余空洞总体积169 159 m3。

郝家里煤矿性质为村办，开采时间为1995年～2006年，已关闭，年生产能力5万t，斜井开拓，房柱式开采，开采8号、10号和11号煤层，采厚分别为3 m，2 m，2 m，回采率60%，煤层产状270°∠5°，煤层伪顶伪底均为泥岩，老顶为厚层状砂岩，老底为砂质泥岩。采空区埋深0 m～52 m，最大累计采厚7 m，采深采厚比0～11。煤矿采空区对郝家里隧道影响严重。

煤矿采空区分布于左线ZK174+790～ZK174+830为10号和11号煤层双层采空区;右线 K174+790～K175+000，左线ZK174+830～ZK174+970为8号、11号煤层三层采空区，右线K175+000～K176+217，左线 ZK174+970～ZK176+115为8号煤层单层采空区。

2 处治设计原则和依据

2.1 设计原则

采空区经过处治后，地基能够更有效地保证稳定性，达到公路工程的标准要求。

2.2 设计依据

本设计文件所依据和参考的主要技术文件有:《忻保线初步设计阶段煤矿采空区工程地质勘察报告》《高速公路采空区勘察设计与施工手册》。

2.3 处治标准

本项目的采空区处治设计依据采空区勘察成果，结合工程类型及其重要程度采用不同治理标准，工程类型分桥隧和路基两大类，治理范围、注浆材料、注浆压力及充填率、检测视工程类型有所差异。

1)围护带(B):桥隧B值取20 m。

2)注浆材料:桥隧水泥、粉煤灰固相比为3∶7。

3)注浆压力:桥隧终孔压力一般为2 MPa～3 MPa。

4)充填率:桥隧充填率为90%～95%。

3 处治工程设计

3.1 处治方案的选取

依据我省在大运高速公路、太长高速公路、离军等高速公路对采空区的处治经验，本方案采用全填充注浆法来处治。

郝家里煤矿巷道塌落，井口封闭，不能进行井下巷道砌筑。综合考虑采用水泥粉煤灰浆液充填法进行处治。

3.2 灌浆孔设计

灌浆孔分帷幕孔和注浆孔。帷幕孔孔距为20 m～25 m，注浆孔孔距为20 m～30 m。

采空区灌浆孔设计深度一般都在地表至采空区底板1 m以下。每百米孔斜不超过2°。

采用φ=50 mm钢管对孔口管进行注浆，注浆管长度为地面之上1 m至完整基岩下6 m处的深度。

花管注浆采用φ=75 mm的PVC管，注浆管长度为地面至采空区底板的深度。

3.3 浆液配合比设计

采空区治理的标准应视所处工程类型的重要程度有所差异，对桥隧工程，用水泥粉煤灰作为注浆浆液，浆液配比、注浆压力、充填率及结石率等参数取高值，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，水固比1∶1.5～1∶1.0。

3.4 采空区注浆量设计

考虑在注浆过程中浆液损失，注浆量按下式计算:

其中，A为浆液损耗系数，取值1.1;ΔV为采空区剩余空隙体积，m3;η为浆液充填率，取值0.9;C为浆液结石率，取值80%～85%。

桥隧及路基工程处治标准参数对比见表1。

表1 桥隧及路基工程处治标准参数对比

3.5 本项目工程量

总钻孔数460个，钻探总进尺53 789 m，注浆总量169 159 m3。

4 工艺设计

4.1 注浆系统

注浆系统由料场、一级搅拌池(机)、二级搅拌池(机)、供水系统、注浆泵、压力表、封孔装置、注浆管道和投砂漏斗等构成。

4.2 施工工艺及要求

本工程施工工艺流程见图1。

本工程制浆工艺流程见图2。

图2 工程制浆工艺流程

5 工程质量检测

工程质量检测包括施工过程中的质量检测和施工结束后的工程质量检验。

5.1 施工过程中的工程质量检验

施工技术人员必须掌握采空区治理工程的目的、加固原理、技术要求和质量评定标准等。施工中应有专人负责质量控制和检测，并做好施工记录。

施工单位的自检:原材料检验，包括水泥、粉煤灰、砂或细骨料的检验，原材料的出厂检验单、每批量的检验等。每班对浆液配合比、浆液参数如结石率、粘度进行测试和试块制作。

5.2 施工结束后工程质量检验和验收

采空区处治效果的检验和评定在处治结束后的3个～6个月后进行。

工程质量检验的方法:有钻探、物探、浆液结石体物理力学参数指标测试、地表变形观测、孔内二次注浆和电视摄影等方法。

隧道的检查孔按每100 m布置一个，孔位按左右线跳隔设置，隧道的进出口深30 m须设置检查孔。

6 施工注意事项

1)采空区的施工经检测验证，符合设计标准后，才能进行下一工序即主体工程的施工。2)PVC花管注浆先做现场试验，根据实际情况进行工艺调整。3)协调煤矿留设高速公路保安煤柱，避免形成新的采空区，对公路工程造成影响。

[1] JTJ 076-95，公路工程施工安全技术规程[S].

[2] JTJ 041-2000，公路桥涵施工技术规范[S].

[3] 建设工程安全生产管理条例[S].

[4] 中华人民共和国安全生产法[S].

[5] 忻保线初步设计阶段煤矿采空区工程地质勘察报告[R].2009.

[6] 山西省建设厅.高速公路采空区空洞勘察设计与施工治理手册[M].北京:人民交通出版，2006.