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。