浅析下伏煤矿采空区隧道的设计

严广艺

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 桥隧处，陕西 西安 710043)

近年来，随着我国公路、铁路建设的迅猛发展，公路、铁路网越来越密集，根据交通隧道相关规范要求，在线路选线过程中需绕避煤层采空区。本文以西安至平凉铁路官牌隧道为背景，探讨隧道下伏采空区的处理措施，供广大隧道建设者借鉴。

1 工程概况

西平线官牌隧道起讫里程DK130+033—DK130+720，全长687 m。隧道洞身全为砂岩夹砾岩地层，岩性单一。隧道于里程范围DK130+300—DK130+720通过ZF2801下沟煤矿采空区移动盆地影响地段。

下沟煤矿ZF2801工作面采空区采空埋深370 m，顶板岩层为砂岩夹泥岩，采空区几何尺寸为矩形，长105 m，宽90 m，高约10.1 m，煤层倾向西北，倾角 ＜5°，2005年8月开始回采，2006年5月回采结束，留底煤1.5～2.0 m，割帮煤2.7 m，放顶煤5.4～5.9 m，采用长臂综合机械化放顶煤(全部垮落法)。下沟煤矿采空区分布示意见图1。西平铁路通过煤矿采空区纵断面示意见图2。

图1 下沟煤矿采空区分布示意

图2 西平铁路通过煤矿采空区工程地质纵断面示意

2 采空区变形机理及危害

2.1 采空区变形机理

煤炭开采后必然伴随着产生围岩及地表移动和变形。由于煤层的开挖，在地下形成采空区，井巷周壁失去约束，其上部岩层失去支撑，岩体内原有天然平衡条件被破坏。井巷周边应力将重新分布以达到新的平衡状态，致使井巷顶板及侧壁产生弯曲、塌落，以致发展到地表下沉变形，造成地表塌陷，形成凹地。

2.2 采空区对隧道的危害

1)支护结构变形、失稳、甚至塌方。当采空区位于隧道基底以上时，由于其采空区范围岩土物理力学指标较低，拱部压力增大，易造成拱部支护沉降，变形大，甚至造成支护失稳，发生塌方;当采空区位于隧道侧向时，由于侧向压力增大，易造成支护侧向变形超限，发生侧向坍塌或溜坍。

2)结构沉降危及运营安全。当采空区位于隧底以下时，会造成隧道结构沉降。有些采空区在施工过程中由于判断偏差，且变形不明显，施作二次衬砌后，在运营过程中由于动载反复作用，造成基底不均匀沉降，引起二次衬砌结构的变形、开裂，危及运营安全。

3)涌水、突泥。由于煤层开采，在采空区垮落带、导水裂缝带内积聚了大量地下水，形成水囊，施工中若揭穿，易发生突发性的涌水、突泥，危及施工安全。

4)采空区中易形成瓦斯集聚，发生瓦斯燃烧甚至爆炸。

5)若隧道存在地形偏压，且底侧存在采空区，由于采空区随时间的累进破坏加之运营期间由于动载作用，易引起山体整体失稳。

3 下沟煤矿采空区稳定性评价

3.1 地表变形观测

2005年10月开始至2009年6月，为了掌握地表变形情况，进行了地表变形监测工作。部分观测成果详见表1。B13观测点沉降曲线如图3。

表1 下沟煤矿地表变形观测值

图3 B13观测点沉降曲线

根据下沟煤矿地表变形观测值和B13点的时间—沉降曲线可以看出，2005年10月—2006年3月计5个月间地表变形较大，为40～137 mm;2006年3月—2007年8月间，变形逐渐变缓，平均每年为20～30 mm;2007年10月—2009年6月间，沉降速度更加缓慢，平均每年为15～20 mm。因此，可以得知下沟煤矿采空区的变形是一个缓慢的变形过程。

3.2 采空区变形情况分析

由于ZF2801工作面覆岩结构是上强下弱类型，上部白垩系地层，砂岩、砾岩的岩性比较坚硬，整体性强，而且宽度大，两层累计厚度为110 m，成为控制地表下沉的关键层，由于工作面开采宽度不大，又有两侧煤柱支撑，因此，关键层不会产生破断，只产生了轻微的弯曲，使地表不产生断裂型下沉盆地，地表移动变形值较小。下沟 ZF2801工作面于2006年4月回采结束，至今已4年多，西平铁路通过该段的路肩设计高程约为845 m，距采空区厚度约360 m，远厚于导水裂隙带高度，地表变形一般只产生弯曲沉落变形，岩层变形较轻，裂隙密闭，不连通，导水性差，岩体出现的变形是弯曲沉落变形，在地表主要的表现为沉降变形，而不会形成断裂型下沉盆地，出现突然坍塌现象。

4 隧道加固方案

综合上述，下沟煤矿采空区对隧道的影响及安全评价分析后认为，采空区、采空移动盆地影响范围内隧道为铁路单线隧道，采取了衬砌支护参数加强、预留净空、对隧道底板加强、提高整体性等措施后，可以保障铁路隧道的施工及运营安全。采用措施有:①在设计衬砌内轮廓的基础上，拱墙预留50 cm变形补强净空;②拱墙二次衬砌、仰拱采用厚60 cm钢筋混凝土结构进行加强，仰拱与边墙采用圆顺连接，以减少应力集中;③隧道基础设厚100 cm钢筋混凝土底板，以提高整体性，减少不均匀沉降;④沿隧道纵向，每9 m设一道全断面沉降缝，沉降缝贯通底板。

5 采空区隧道设计

5.1 选线

在线路选线阶段，原则上隧道工程对采空区应进行绕避，勘察阶段应查明煤层采空区的分布状态，在分析煤矿采掘资料和调查访问资料的基础上，结合采空区地段的工点进行了勘察工作。此外，还应对采空区地表变形现象进行调查研究，及时了解采空区变形、破坏类型和特点，及时调整线路方案。

5.2 采空区勘察

当线路绕避采空区较困难或经济技术比较后可通过时，在隧道勘察期间需对采空区工点进行详细综合勘探，查明采空区的埋深、采空范围和分布特征，以及采空区与隧道的相互关系。具体工作有:①查明煤层的分布范围，开采和停采时间，开采深度、厚度和开采方法，以及主巷位置、大小和塌落、支撑、回填、充水、瓦斯积聚情况等;②查明地表陷坑、裂缝的位置、形状、大小、深度、延伸方向及其与采空区和地质构造的关系;③物探和钻探验证查明采空区的分布情况，以及与隧道相互空间关系，定性、定量地明确采空区对隧道的危害程度。

5.3 隧道设计

采空区隧道的设计应根据采空区详勘资料及采空区对隧道危害等级的不同而采取针对性的处理措施，以确保隧道设计安全、经济和合理。隧道施工应尽量减小开挖对采空区的扰动，严格控制支护结构的变形量，采用强大的支护及衬砌结构。

6 结语

西平线官牌隧道底板距下沟煤矿采空区距离较大，隧道下部白垩系地层，砂岩、砾岩的岩性比较坚硬，整体性强，根据地表变形监测及地质勘察结果显示，采空巷道已基本坍塌，冒落带高度一般20～60 m，导水裂隙带高度一般在80～125 m之间，冒落带岩体已多呈大块状，存在大小不等的空洞，结构不密实，后期可能存在继续压密的过程，但整体上不会出现突然的坍塌现象。因此，对隧道采取了预留补强空间，加强隧道支护等措施。

在隧道工程设计中，采空区隧道的设计应根据采空区详勘资料及采空区对隧道的危害，采取针对性的处理措施。隧道施工应尽量减小开挖对采空区的扰动，严格控制支护结构的变形量，采用强大的支护及衬砌结构，并及时调整工程措施，遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、小变形、少扰动”的原则。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

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