高速公路隧道穿越采空区的处治方法

高速公路隧道穿越采空区的处治方法
摘要:结合大运调整公路祁县—临汾段韩信岭隧道的修建实例,对公路隧道穿越古煤矿采空区这一特殊的现象进行了研究,并提出了科学的处治方法。

关键词:裂隙,注浆,围岩强度
引言
近年来,随着我国经济建设的迅猛发展,公路交通路网密度越来越大,公路特别是山区高速公路,由于受几何线形和路线纵坡等设计指标的制约,将不可避免地难以绕避许多地质不良地段。

在著名的国家级重点工程———大运高速公路祁县—临汾段的韩信岭一带,就出现了高速公路隧道穿越采空区这一公路建设史上罕见的现象。

因此,如何提高隧道穿越采空区部位及其周边围岩的强度,以满足公路的通行要求,便成为采空区处治方法研究中的主要问题。

1处治方法
研究的目的通过对公路隧道围岩采空区的处治方法、材料选择、浆液配比及其与围岩整体胶结强度的关系等方面的研究,达到技术合理、经济节约、工艺可行的目的,为今后公路隧道围岩采空区的处治方法积累经验,这对于快速发展的高速公路建设具有非常重要的意义,其目的在于:
1.1研究压力注浆技术在隧道穿越采空区部位的应用条件,探讨工艺的可行性,为隧道穿越采空区的公路工程施工,提供可靠的技术保证。

1.2从理论和工程实践上探讨隧道穿越采空区注浆工艺参数,指导今后类似地质条件下的加固处理。

1.3依据工程地质条件,结合公路建设的特征,提出处治设计的有关参数,为设计工程师服务。

2煤矿采空区工程地质特征
2.1地层岩性
韩信岭隧道采空区路段位于山西省灵石县常家山村—沟东村一带,属低山丘陵区,采空区路段地层岩性主要由①第四系(Ｑ);②第三系(Ｎ);③二叠系(Ｐ);④石炭系(Ｃ)等组成。

2.2构造特征采空区路段位于华北陆台、山西地台之中部,晋中盆地之南缘,吕梁—太行断块之内的晋中新裂陷,吕梁块隆、临汾运城新断裂、沁水块坳结合部位,具有明显的陆台型构造特征,其中以断裂构造为主,褶皱构造次之。

地层产状较平缓,倾角在5°～15°之间;局部地区受构造影响,产状变化较大。

在采空区隧道路段,于左线ＬＫ89+440～+460和右线ＲＫ89+440～+460处有Ｆ5正断层,断距在50ｍ～200ｍ以上,断层带宽度为20ｍ,与隧道相交角度为65°。

2.3水系及水层性质
该区河流均属汾河水系,最大河流为北部的仁义河。

仁义河宽约100ｍ～180ｍ,长46.1ｋｍ,总体流向为自东向西,线路通过地段为北西西流向,在南关镇北汇入汾河。

地下水按含水层性质可分为松散岩类孔隙水,碳酸盐岩类岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙水。

勘察区内煤炭开采面积大,古窑和近代煤矿采空区较多,且都有不同程度的充水。

2.4地质特征
该区域工程地质条件复杂,为中低山丘陵地貌形态,“Ｖ”字型冲沟发育,地层岩性变化较大,断裂构造复杂。

覆盖层上部岩性多为中更新统亚粘土层,下部为上第三系粘土、亚粘土及卵砾石、砾岩层;大片出露的基岩为石炭系、二叠系杂砂岩、砂质泥岩及泥页岩、煤层,软弱,易风化。

断裂构造在该区极为发育,一般为ＮＥＥ向和ＮＷＷ向正断层,断层带岩层陡立、破碎。

由于该区所特有的岩性组合、构造条件以及矿产资源的开发,煤矿采空区、地表裂缝、断裂构造、滑坡、崩塌及陷落柱成为该区主要的工程地质问题,处治不当,将对拟建的祁临高速公路工程产生较大的危害。

韩信岭采空区北部处于太原—介休地震活动区,根据国道主干
线二连浩特至河口公路山西省祁县至临汾段地震安全性评价报告,仁义河及其以南地区属于Ⅷ度震区,以北地区属于Ⅶ度震区。

3煤矿采空区开采特征
在采空区范围内,有许多乡办、个体小煤矿,按路线分布的相对位置,可分为北部和南部两部分,北部大致在Ｋ82+880～Ｋ85+500之间,主要由南头沟煤矿和兴盛综合采矿场开采,主要开采4号煤层。

4号煤层埋深50ｍ～170ｍ,层厚 2.2ｍ～3.5ｍ不等,平均 2.8ｍ。

南部大致在Ｋ88+800～Ｋ89+600之间,由道阡煤矿、暖泉沟煤矿、道阡—沟东古采空区开采,主要开采2号煤层。

2号煤层埋深80ｍ～200ｍ,层厚2.0ｍ～2.25ｍ不等;由采矿调查资料可知,这些煤矿建矿时间和开采时间不等。

矿井开拓方式是先打一斜井(或平硐、或立井)到煤层底部,沿煤层走向,或近走向方向的一侧,或两侧挖掘主要巷道,然后再垂直或以大角度相交于主要巷道布置工作面,工作面一般长200ｍ左右,宽20ｍ～30ｍ。

2号煤层顶板为砂岩或泥岩,4号煤层顶板为泥岩或砂岩,顶板一般不作支护或采用点柱支护,采煤后回撤,顶板任其自然垮落。

韩信岭隧道路段煤矿采空区埋深大约在100ｍ～150ｍ之间。

煤层采空区在剖面上分布比较广泛而均匀,大部分已冒落。

2号煤层采空区冒落带高度在0.5ｍ～6.5ｍ,裂隙带发育在煤矿采空塌陷区上方约20ｍ至地表,煤矿采空塌陷区影响变形角为68°左右。

由于顶板部分冒落的原因,2号煤层煤矿采空塌陷物堆积厚度约0.2ｍ～2.5ｍ,实际悬空高度约0.5ｍ～2.0ｍ。

该采空区覆岩结构导致了煤矿采空区至今还未完全塌陷冒落。

当然,未塌陷的另一个原因是小煤矿开采预留煤柱比较多。

因此,煤矿采空区截止目前变形还未全部完成。

4采空区与公路隧道的关系
韩信岭隧道为双洞直壁拱形隧道,洞宽12ｍ,高9ｍ,拱高3ｍ,两隧道相距67ｍ。

隧道穿越采空区路段,两者关系见表1。

表1采空区与隧道关系一览表
经详细勘察,该路段煤矿采空区属古采空区,所采煤层为石炭系山西组2号煤,煤层平均厚度为2ｍ,埋深90ｍ～150ｍ。

采空区沿左、右隧道的分布范围如下:左线:ＬＫ89+102～+415,影响路线长度为313ｍ;右线:ＲＫ89+190～+370,影响路线长度为180ｍ。

2号煤层底板岩性为薄层—厚层细砂岩、泥岩;顶板岩性为薄层—厚层泥岩、细砂岩。

在采空区路段,隧道围岩的岩石等级为软质岩。

因受到采矿活动的影响,采空区的存在,使得覆岩产生塌陷与冒落,其结果造成围岩岩体节理和裂隙发育,发育程度为节理很发育等级。

采空区部位大量充水,按公路隧道围岩分类标准,该路段隧道围岩为Ⅰ类。

按普氏岩石坚固性分类,该路段属Ⅵ类,其坚固性系数ｆｋ=2。

5处治加固方法
计算结果表明:该古代采空区剩余变形量较小,但在修建隧道等公路建筑物条件下,其目前脆弱的平衡,极可能再度发生大的变形,从而对路基及围岩稳定构成严重威胁,足以使隧道产生裂缝,进而对高速公路产生较大危害。

经对多项处治方案的比选及研究,决定对该采空区采用注浆加固的方法进行处治。

而此项措施对于采空区为渗透注浆;对于采空区中的煤柱和裂隙带为劈裂注浆。

注浆可以单独类型发生,也可能有两种、三种类型同时发生。

一般都是以渗透注浆和劈裂注浆为主,彼此相辅相成,从而达到渗透→劈裂→固结的效果。

主要内容如下: 5.1该采空区注浆治理工程采用纯水泥浆,浆液配比为水灰比在0.8∶1～1∶1之间,结石体的抗压强度在6ＭＰａ～8ＭＰａ以上。

5.2以煤矿采空区分布范围确定公路中轴线方向上的长度、横向处治宽度,原设计是以矿山开采沉陷学理论为基础,后经科研组与专家认真研究,将原设计中的治理宽度减少,从隧道围岩的安全出发,左右隧道治理宽度各为36ｍ(隧道底宽为12ｍ,两侧各为12ｍ)。

注浆深度以采空区底板为准,深度在90ｍ～150ｍ之间。

5.3隧道部位设三排注浆孔,孔距和排距为7.5ｍ。

为充分发挥每个注浆孔的作用,注浆孔的布孔方式以采用三角形布孔方式为主,矩形布孔方式为次。

5.4注浆压力通过试验或理论估算确定。

依据工程实践,该注浆孔口管压力一般大于1.5ＭＰａ,多为1.8ＭＰａ～2.5ＭＰａ,最高可达2.9ＭＰａ。

5.5采用全孔一次注浆方式,为确保注浆质量,依据隧道与采空区的关系,注浆段高度以采空区垮落带与裂隙带主要部分高度之和进行控制,目的是提高该部分岩体整体强度,保证隧道的安全。

根据这个原则,注浆工程在垂直深度范围内,为采空区之上20ｍ至采空区底板4ｍ,且定量注浆,此种注浆方式的设计满足了隧道工程对围岩强度的要求。

5.6注浆量的大小不但直接影响到工程质量,而且还影响着工程造价,该项工程的注浆量是依据理论计算与工程经验估算相结合的方法得出的,由于剩余空隙率难以准确估算,因此,实际施工的注浆量超过了设计注浆量。

6综合分析和评价
通过对高速公路施工中隧道掘进记录分析来看,该治理工程基本满足了公路隧道工程的要求,即经治理后的采空区,在隧道开挖施工和运营过程中,都能够有效地承受公路和车辆荷载,未产生破坏和影响隧道工程正常使用的变形,进而保证了隧道的安全营运。

7结语
该治理工程对注浆范围的划定是比较科学的,注浆中所采取的具体施工工艺和措施亦是切实可行的。

采空治理区注浆效果满足设计要求,注浆工程质量可靠,注浆原材料质量及浆液质量合格。

通过该项研究,优化了原设计,节约工程造价约1/3。

事实证明,采用特殊的注浆加固方法,是对隧道穿越采空区这一特殊现象的一种较好的处治措施。