公路隧道穿越煤系地层相关地质灾害处治技术探讨.pdf

公路 隧道 2014 年 第 4 期 总 第 88 期 公 路隧道 穿越煤 系地层相关地质灾 害处治技术探讨 赵 队家 毛新虎 山西省交通科学研究 院 太原030006 摘 要 由于矿产资源的开采 使得地面下留下了许多不规则的采空区 上覆的岩层冒落塌陷 自下而上形 成 冒落带 裂隙带和整体移动带 并 引起 地表变形 给 高速公路 的建设和运 营带来 了很 大的影 响 尤其是 年代久远 的小煤 窑采 空区 对隧道工程危害极大 易造成支护结构变形 开裂 沉降甚至发生坍方 个别 隧道运 营期 间仍在 整 治 目前 采空区隧道的设计 理论 尚不完善 实际设计 施工 中采用 的工程措施基本 以工 程类 比及 施工实践为主 采 空区是公路隧道穿越煤系地层典型的地质灾害情况之 一 本文对 公路 隧道穿越 煤系地 层相关地 质灾 害的处 治 技术进 行了探讨 关键 词 公路隧道 煤系地层 煤矿采空区 地质灾害 处治技术 当隧道穿越煤系地层 时 常常遇到煤层及煤矿 采空 区 采 空 区 附 近 围 岩 多 为 煤 层 或 煤 矸 石 地 层 无 自稳 能 力 特 别 是 采 空 区 洞 室 内严 重 积 水 情 况 下 围岩软 弱破 碎 极 易 风化 剥 落 在 开 挖 中往 往来 不及支护 即发生塌方 如何解决这一 技术难题 一 直为 工程 界所关 注 1 穿越 煤 系地 层 及 采 空 区 的公 路 隧 道 的 研 究 现 状 及 其 存 在 的 主 要 问题 公路交通属于国家 的基础设施 随着经济建设 的发 展 公路 交 通 网 将 越 来 越 密 出 现 了一 些 隧 道 穿越煤系地层和煤层采空 区的现象 从现有 的资 料看 无论公路隧道 还是铁路隧道 对穿越煤系地 层的隧道已作 了大量的研究工作 国内外 已设计施 工的采空区隧道为该 类型隧道的设计积 累了宝贵 的经验 如 巴彭公 路铁 山 隧道 遂渝 铁 路 松林 堡 隧 道 西 山坪 隧道 黔 桂 铁 路 堂 仗 隧 道 云 关 隧 道 等 华蓥山隧道针对隧道穿越煤层段进行 了施 工技术 及安全监测 揭煤 防突 防塌技术 的研究 铁 山隧道 对 煤层 采空 区病 害综 合 治 理 进 行 了研 究 南 昆铁 路 的家竹箐隧道对突出煤层 的预测技术及 防突技术 瓦 斯突 出 的预 防措施 与施 工 控 制进 行 了研 究 同时 也对部分高瓦斯 大变形 大涌水 的整 治与对策进 行 了研 究 等 目前 国 内 外 煤 炭 部 门对 采 空 区 的研 究 重点 集 中 在 采 空 区 引 起 的地 表 沉 陷 区 稳 定 性 分 析 及治 理措施 上 并 有较 为完 善 的理 论 和成 熟 的治 94 理技 术 而 采空 区对 隧道 的影 响研 究 国 内外 虽作 了 大量 的研 究 但未 形成 较 为完 善 的理论 及 系 统 的处 理措施 由现有的资料看 对穿越煤 系地层和采空 区的公路 隧道 进行 系统 研 究 的 内容 较 少 总之 缺 乏 对煤系地层变形 煤系地层采空 区等病 害综合整治 与对策的设计 施工技术综合研究 采 空 区对 隧道 工 程 的影 响 主要 表 现 在 洞 害 水 害 气害 采空区内腔坍塌及采空区填充物 洞顶地 表沉陷 5 个方面 依据其成因 位置 特征等 的不同 又 各具 特 点 采 煤 坑 道 对 隧 道 的影 响 主 要 表 现 在 洞室的存在对 围岩及 隧道支护结构的影 响 洞室 自 身 的稳 定性 和对施 工 的干 扰 以及 洞 室 坍 塌及 采 空 区填充物的处置和可能存在水害 气害及洞顶地表 沉 陷等 对 穿越煤 系 地层 的公 路 隧 道 在 勘 察 设计 中遇 到的主要问题是 在路 线方案确定过 程 中 不能 完全查清 了解煤系地层相关地质灾害影响工程 的 规 模 程度 范 围 直 接 影 响路 线 方 案 的选 定 设 计基础资料的不确定因素太多 设计 因素考虑不周 全 即使结构计算分步较 细 隧道结 构设计支护参 数 把握 性也 较差 不 是 过 于 保守 就 是 支 护 强 度 参数 不够 在线路选线过程中 根据交通隧道相关规范 要求 需绕避煤层采空 区 但 由于种种原 因 导致 部分隧道仍 旧穿越煤层采空区 由于其危害性 大 在设计 施工过程中均需给予极大重视 即便如此 施工过程中仍不 断发生初期支护变形 沉 降 坍方 二次衬砌混凝土开裂等多种病害 处理上述病害施 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 赵 队家等公路 隧道穿越煤系地层相 关地质灾害处治技术探讨 工 难度 大 工期 长 投资 高 有 些工 点 直 至运 营 期 间 仍在整治 2 公 路 隧道 穿越 煤 系地 层 相 关 地 质 灾 害的一般处置措施 2 1 公 路 隧道 穿越 煤层 的一 般处 置措 施 煤 系 地 层 围岩 特 点 是 煤 层 层 数 多 厚 度 不 等 倾角陡缓不一 规模大小 不一 煤层强度 低 多呈碎块状 鲮 片状 粉状 坚 固系数值较 小 煤 层 中瓦斯含量高 瓦斯浓度 瓦斯压力变化不定 富水 软弱 的煤 系地 层 隧 道 结 构 初 期 支 护变 形 大 开 挖易塌方 对施工非常不利 高压力瓦斯 高地应 力与低煤层强度三者结合 致使煤层在开挖暴露后 有 发生 突 出 灾害 的危 险 煤 系 地 层 多 有 采煤 活 动 其中采空区对工程 的影响规模和影响程 度直接 关系到施工安全 工程的经济性 公路隧道穿越煤 层一般处置措施如下 1 煤层 较厚 采 用 中隔墙 法 分 部 开 挖 以减 少 揭煤 中一次落煤量 缓解施工通风 困难 揭煤施工 全过 程 分 为煤 层 定 位 煤 与 瓦 斯 突 出 危 险 性 预 测 瓦斯排放 煤 与瓦斯突 出危险性检测 施工 防突措 施 揭煤等 6 部分 每 次分部揭煤前应 进行检 验性 预测 超前钻孔 为确切 了解煤层层 位 走 向 倾 角 厚度 煤质 顶 底板岩层结 构 岩性 开挖距煤 层 10m 垂距 向前钻孔 首次揭煤时打 1 组 3 孔 其它各部仍须打 1 2 孔 由超前钻孑 L验证煤层有关 参数 避免 因煤 层局 部 畸变 影响 揭煤 施工 安全 性 预测 孔 开挖 面 掘 进 至距 煤 层 5m 垂 距 处 时 首 次揭 煤打 2 个 预 测 孔 以预 测 煤 层 与 瓦斯 突 出 危险性 其它分部开挖至距煤层 5m 垂距 处 各打 检验 性 预测孑 L 1 个 以确 定 首期 揭煤 排 放 瓦斯 对 该 部煤体的突出危险影响 突出危险性 预测 隧洞工作 面煤与 瓦斯 突 出危险性预测 可采用 A T Y 瓦斯 突出预测仪或钻 屑指标法进行预测 不论采用何种方式预测均需实 测 相 应指标 的临界 值 2 煤层较薄时 采用震动性放炮一次揭煤 以 利瓦斯排放 增大稀释空间 根据 围岩状态及煤层 情况选用半 断面或台 阶法施 工 震 动性放炮采 用 光 面爆 破 弱爆 破施 工 2 2 公 路 隧道 穿越 煤层 采空 区的一 般处 置措 施 采空 区 与隧道 相 对 位 置 不 同 采 空 区产 生 的危 害不 同 处 理 方法 亦 不 同 根 据 隧 道 与采 空 区空 间 位置 的不 同 分 成 两 种 情 况 一 是 当采 空 区 位 于 隧 道下方 产生的病害形式 主要是隧道衬砌结构或箱 涵产 生裂 缝 标 高 变化 造 成 的侵 限 水 平 移 动 造 成 的隧道中线偏移和边墙侵限 二是当采空 区位于隧 道上方时 产生的病 害形式主要是采空 区渗水造成 的隧道 围岩性 质弱化 隧道 建成 后 的洞 内渗漏 问 题 二衬 水压 力过 大 问题 二衬 冻胀破 坏 问题 等 目前 采 用 的方 法 主要 有 地 表 全 充填 注 浆 法 封 堵巷道等方法 对难 以查 明准确位置 的采 空 区 可 结合超前地质预报 边施工边治理 根据实际情况调 整衬砌参 数 如果 煤 区 尚未 开采 今后 可 能开采 时 设 计 中必 须考 虑 已成 隧道 附 近 采 煤对 隧道 结 构 的影响 并应有可靠 的对策与措施 由于采空 区位 于隧道底部 中部 顶部的情况均有可能 故必须采 取相 应 的施工 对策 予 以处理 1 采 空 区位 于隧道 洞 身上方 当采空区位 于洞身上方 特别是近 水平 缓倾 斜 的采 空 区 且距 隧顶 较 近 时 必 须 采 用 加 强 支 护 即在隧道拱部设 管棚 管棚用格栅钢架 支撑 格栅 钢 架纵 向 间 距 按 8O 100c m一 榀设 置 管 棚 可 用 q 89m m 长 15m的钢 管 纵 向 间距 40c m 管 内压 注 水泥一水玻璃浆 管 内注浆参数水泥浆的水灰 比可 取为 0 6 1 0 8 1 水玻璃的波美度为 35 45 其 与水泥浆体积比可为 0 3 1 0 4 1 两组管棚问末 端搭 接 长 度 不 小 于 100c m 并 应 设W T D 25 长 3 5m 的 注浆锚 杆 锚杆 可 按 梅 花 型 布置 横 向 间距 为 80c m 纵 向 间距 为 80c m 2 煤层采空区作为隧道围岩部分的处理措施 煤 层 采空 区位 于隧 道 中部 在 未 揭开 煤 层 采 空 区前 根据 超 前 探 测 结 果 对 未 坍 塌 充 填 但 有 水 的 地段 采取钻孔排水 的方式放水 对 已经坍塌充 填 的地段 采 取 超 前 支 护 有 水 时 采 取 超 前 注 浆 固 结 堵水等手段加 固 揭开煤层采空 区后 采用 M 7 5 砂 浆砌 M u30 号 片 石礅 柱 进 行 采 空 区处 治 墩 台 布 设沿隧道中轴线两侧布设 墩台间距为 5m 梅花型 布设 墩台为柱式 尺寸长 为 2m 宽为 1 2m 高从 采 空 区底板 至 采 空 区 顶 板 不 留缝 隙 对 于 已局 部 塌落的采空 区 要 清渣至 未风 化完整 的采 空 区底 2 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 公路 隧道 2014 年第 4 期 总第 88 期 板 片石 墩 台砌 筑 至 顶 板 同 时 在 隧 道 衬 砌 两 侧 采 用 2m 宽 M 7 5 浆砌片石保护初砌 当隧道在倾斜 急倾斜 薄及 中厚煤层穿过时 采空区将位于隧道断面内的顶部与底部 这时 顶 底部应分 别治理 拱部应 系统设 置 42m m 长 4 6m 小导管管棚 管内注入 C 20 水泥砂浆 注浆压力 不应小 于 0 5M Pa 小导管 环向间距 40c m 外插角 15 左 右 两 组导 管之 间 的水平 搭 接长 度不 小于 100c m 导管 用 格 栅 钢架 支 撑 纵 向 间距 按 80c m 一 榀 设置 拱 部 围 岩 内设 W T D 25 长 3 5m的 锚 杆 呈梅花形布置 纵横向问距为 80c m 另外在拱顶空 区设 C 20 混 凝 土 护拱 厚 为 100c m 护 拱 两 端 嵌 入 基岩不小于 50c m 同时在整个拱部设 6 5m m 的 2O 20c m 钢筋网以加强支撑 当煤层采空 区位于 隧道 底部 时 关 键 在 于 对 隧 底 的加 固 在 未 揭 穿 采 空区前 应随时注意采空 区与 隧道 的相对位置 确 保施 工安 全 避免 造 成 采 空 区 的坍 塌 当揭 穿 采 空 区顶板后 采 空区未坍塌充填 时 采用抛 填片石及 钢花管对基底进行压浆加 固处理 如果采空 区已坍 塌充填 且隧底距离采空区底板小于 3m 时 在隧道 开挖后 清除隧底煤层 采空 区填 充物 并 采用 C 20 混 凝 土 回填 回填 时基 础应 嵌入 基岩 内 50c m 如果 已被坍塌土石填充 的采空 区底板距 离隧道底部 大 于 3m时 应 对 隧 道 基 底 进 行 注 浆 加 固 采 用 o75m m 钢花管压注水泥浆 钢花管按纵横 向 间距 1m 梅花形布置 管壁厚 5m m 管壁上钻注浆孑 L 孔 径 10 16m m 孔 间 距 为 15 20c m 尾 部 1 1 5m 范围不留注浆孔 作 为止浆段 注浆 终压为 1 0 1 5M Pa 基底注浆完毕后 对注浆过程 中的各种记 录资料进行综合分析 每 5 10m 设一检查孑 L 取岩 芯 观察浆液充填情况 并进行综合地基承载力评价 3 煤 层采 空 区位 于隧道 底部 的处 理措施 采空 区位 于 隧道 底 板 以下 未 在 隧道 断 面 内 出 露 但距 隧道底 部 较 近 时 在 这种 条 件 下 可 在 隧道 内钻孔注入水 泥砂 浆 提 高采 空 区原 充 填料 的强 度 以防止隧道下沉 当采空区距离隧道设计标高 较远 一般超过 5m 以上时 这时在地表或洞内钻孔 注浆 同样 也 可取 得 较 好 的加 固效 果 洞 内基 底 注 浆采 用钻 孔 且 应 钻 至 煤 层 采 空 区底 部 基 岩 处 下 管注浆完毕后 钢花管留置孔 中 管 中注满浆 基底 注浆完毕后 对注浆过程中的各种记录资料进行综 2 6 合分析 每 5 10m 设一 检查孔 取岩芯 观察浆液 充 填情 况 并进 行 综 合 地 基 承 载 力 评 价 若 承 载 力 不达标 则加 密钢 管桩 必要 时补充注浆 当采空 区距 隧道底 部 较 深 时 一 般 超 过 15m以上 时 这 时 在洞 内钻孔 注浆 往 往 施 工 难 度较 大 且 很 不 经 济 不仅注浆 量增大 同时也延 误工 期 如 果条件 允 许 根据隧道所处 的地形地貌 可在 隧道侧掘一小 平峒或小斜井 在平峒 斜井侧 向隧道采空 区内注 浆加 固 3 工 程 实 例一 公 路 隧 道 煤 系地 层 塌 方 的处治技术 常家山隧道位 于大运 高速 公路 灵石县境 内韩 信岭路段 其右线 R K 88 595 R K 88 665 洞段原 设计为 类围岩 无煤层 实际开挖中出现煤系地 层 围岩 破 碎 富水 成 洞 条 件 差 施 工 中 出 现 重 大 塌方 塌方物为煤质粉末 碎石 细粒 土 坍塌 物随 出渣不 断外 流 围 岩 不 能 形 成 稳 定 的 塌 方 空 间 严 重影响到了整个工程进度 省交通厅 大运办十分 重视 在现场举行 了专题会议 根据现 场的调查和 分析 制订了洞 内加 固方案 即对塌方松散 体进行 注浆 固结 长 管 棚 超 前 支 护 加 强 支 护 机 构 的综 合 治理 措施 塌方段处治措施为 平 台与止浆墙施 工 将 掌子面涌出土石平整为上下两个 台阶 台阶平台长 度根据施 工机具所 需空间确定 首先对上 台阶掌 子 面 拱 部 采 用 100c m 厚 20 号混 凝土 封 闭形成 止 浆墙 止浆墙与初期支护 连接严密 防止漏浆 在 注浆过程 中 工作 平 台与下 台阶坡 面有跑 浆现象 时 及时做出 50c m 厚 2O 号混凝土止浆墙 长管 棚预加固 隧道拱部采用 p1O8 长管棚预加固 管棚 长度结合塌方段长度 确定 初步按 30m 考虑 管棚 环 向间距 40c m 外插角 1 3 管棚壁厚 6m m 采 用 SG Z IB 型地 质 钻机 钻 孑 L 采 用水 泥 水 玻 璃 双 液注浆 以避免浆液流失 水灰 比采用 0 8 1 水泥 浆 水玻璃 45 玻镁 度 一1 0 3 注浆 压力 0 5 1 0M Pa 塌方 段开挖 开 挖 时 预 留 15 20c m 变 形 量 并 加强 监测 采 取短 进 尺 强 支 护 步 步 为 营 必 要 时增 设 临时 仰 拱 以确 保施 工安 全 洞 内支 护加强措施 加强初期支 护 初喷混凝 土层厚度采 用 30c m 钢拱 架加 密至 50c m 一 榀 设 双 层 8 钢 筋 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 赵 队 家等 公路 隧道 穿越 煤 系地层 相 关地质 灾害处 治技 术探 讨 网 间距 20c m 20c m 当变形较大时增设锁脚锚杆 或工字钢托梁 加厚二次衬砌混凝土厚度至 55c m 衬砌 内主钢筋直径采用 p25 每延米设 5 根 塌方 段与围岩段分界处设 变形缝 注浆量计算按孔隙率 3O 考虑 每延米注浆量均 60m 塌方段前 已施工 初期支护段 落 根据探测情 况确 定具 体加强措 施 对 于初 期 支 护 侵 限地 段 作 进 一 步 观 察 测 量 塌 方 段后 围岩段衬砌支护钢拱架加密至 2m 加 3 榀 二 次衬砌 内主钢筋直径采用 22 但每米设 5 根 加 固 长 度按 每 15m考 虑 当 围岩 变 形 满 足 收 敛 标 准 时 尽快 完 成 二 次 衬 砌 本 段 塌 方 通 过 洞 内加 固 处 治 后 洞内掘进 初期支护顺 利通过煤 系塌方 区 达到 了预期 的效 果 4 结 语 当隧道 穿 越 煤 系 地 层 时 常