穿越既有露天采区隧道施工技术研究

孙 亚 峰

(中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆 400012)

·桥梁·隧道·

穿越既有露天采区隧道施工技术研究

孙 亚 峰

(中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆 400012)

以明清堂隧道为背景，开展了穿越既有露天采区隧道施工技术研究，通过数值模拟和对比分析，揭示了明清堂隧道穿越露天采区区段隧道施工效应规律，结合现场实际，形成了穿越既有露天采区的隧道施工综合技术体系，确保了后续施工的安全。

铁路隧道，采空区，数值模拟，施工控制

1 工程概况

娄邵铁路扩能改造工程明清堂隧道设计为Ⅰ级铁路双线隧道，位于湖南省娄底市双峰县洪山殿镇境内，全长378 m。列车设计时速为200 km/h，预留250 km/h。据调查，结合钻探及物探EH- 4分析，该隧道于DK29+175～DK29+340段穿越露天开采小煤矿旧址(煤矿为20世纪50年代～60年代开采，现已回填)，采区宽约50 m，深25 m～30 m，隧道洞身于露天煤矿回填体中穿越，回填体为小煤矿弃渣，松散，遇水易软化。施工中，实际揭露的情况为此区段隧道从采空区一侧边缘穿过。地质勘查资料显示，该区段表层为第四系全新统残坡积层粉质粘土：硬塑状，厚度为1 m～4.5 m。下伏基岩为二叠系茅口组炭质页岩夹灰岩，以炭质页岩为主，炭质页岩为薄层状，全～强风化，风化不均，厚度变化较大；灰岩薄层状，强风化，夹有炭质页岩。隧道全长洞身围岩均为Ⅴ级围岩。由于围岩自身软弱，加之采区回填体松散、无粘结以及地表水的大量汇集，在隧道掘进至采区边缘时，曾发生掌子面突水及坍塌现象。为确保后续施工安全，并为类似工程积累经验，有必要对相关的施工技术和安全措施进行系统的分析和研究。

2 施工方法的数值分析

2.1 分析工况和数值模型

由于隧道进入采区前采用的是两台阶+落底的三部开挖方法，考虑到目前常用各种开挖方法的地质适应性和不同工法间的转化方便，研究中仅针对两台阶+落底、三台阶+落底以及三台阶+上台阶临时仰拱+落底三种工法开展对比分析。同时，为分析采区的存在对围岩稳定性的影响，故在研究中增加了无采区条件下的两台阶加落底的工法。各分析工况的汇总如表1所示。

表1 计算工况汇总表

文中选取隧道进口里程DK29+256断面作为典型断面，该处隧道从采空区一侧穿过。由于回填土结构松散、破碎，尤其是回填土与岩层软硬相接的位置，雨季来临时容易形成积水，造成涌水突泥等灾害，诱发掌子面失稳甚至隧道塌方。因此，有必要对这个位置进行重点分析。根据实际揭露情况，建立隧道穿越露天采空区的二维弹塑性数值模型如图1所示。

模型中围岩和支护结构采用二维实体Plane42单元模拟。初始应力场按自重应力场考虑，采用 Drucker-Prager 屈服准则进行弹塑性分析。计算参数见表2。

表2 围岩和支护参数表

2.2 各工况计算结果对比分析

1)计算结果。

a.拱顶下沉。图2，图3分别为无采空区与存在采空区的两台阶法工况下的竖直方向变形云图。各种工况下隧道拱顶下沉分析结果如表3所示。

表3 各工况下围岩拱顶下沉结果汇总表 mm

b.水平位移。图4，图5分别为无采空区与存在采空区的两台阶法工况下的水平变形云图。各种工况下隧道水平位移分析结果如表4所示。

c.塑性区。各种工况下围岩的塑性区分布形式及范围如图6所示。

表4 各工况下洞周水平位移量汇总表 mm

2)计算结果分析。

从计算结果可知，采空区的存在对围岩稳定性产生了显著的影响：同样在两台阶开挖工法下，采空区的存在使隧道拱顶下沉增加了2倍以上，最大水平位移增加了3.6倍，塑性区的范围和分布形态也发生明显变化，围岩稳定性在较大程度上恶化；由于露天采区回填土极其松散、破碎，造成洞室左右两侧岩性存在显著差别，从而引起较为明显的偏压效应，因此，在施工中应采取合理的支护措施，以确保施工安全；在采空区条件下，无论从变形控制效果方面还是从围岩塑性区分布形态和范围方面，三台阶+临时仰拱工法均优于两台阶法和常规三台阶法，其总体施工效应也是可控的。

3 穿越既有采空区隧道施工控制技术

根据数值分析结果，同时结合现场实际施工效果，通过现场试验比较，最终形成了“穿越既有采空区隧道施工综合控制体系”，主要包括以下内容：1)地表深孔注浆技术。考虑到露天采取回填土体松散，施工风险较大，为确保开挖过程中洞室稳定，施工中采取了地表超前深孔注浆加固松散体技术措施。加固宽度范围为隧道两侧外延各5 m，深度原则上为隧道底板以下3 m，局部深度较浅处以钻孔至基岩为准。注浆方式为回填注浆，注浆材料为纯水泥浆(水灰比1∶1)，注浆管直径75 mm，注浆压力为0.5 MPa～1.0 MPa。2)三台阶+临时仰拱法开挖技术。注浆前正洞开挖面喷锚封闭，注浆结束后3 d开始正洞施工。结合数值分析结果，结合现场试验效果，最终该区段正洞开挖在原三台阶法+上台阶临时仰拱法的基础上增设中台阶临时仰拱，即三台阶法+上、中台阶临时仰拱法，既确保了施工安全，又避免了由于工法转换所带来的过多的工序调整，开挖循环进尺与初支钢架相协调，严格控制每榀钢架一循环。3)不对称支护技术。进入采空区初期，由于隧道在采空区一侧穿越，隧道两侧围岩软硬不均，施工中采取了不对称支护技术。具体措施为：拱顶范围(拱脚以上)采用3 m长中空注浆锚杆，锚杆直径25 mm，锚杆间距0.6 m×1.0 m。基岩侧边墙采用5.0 m长砂浆锚杆，锚杆直径22 mm，采空区回填体侧边墙采用径向小导管注浆，小导管长度4.0 m，导管直径45 mm，注浆材料为纯水泥浆，水灰比1∶1。砂浆锚杆与径向小导管间距同拱顶锚杆一致。初支喷层厚度为等厚30 mm，型钢钢架为H175型钢，纵向间距0.6 m/榀。4)基底补充加固技术。由于回填体松散破碎，同时考虑到地表注浆深度较大，底部注浆效果不易保证，为确保地基承载要求，施工中在地表超前注浆的基础上，对隧底地基进行了洞内注浆加固处理。洞内注浆采用水泥浆回填注浆方式，注浆管采用φ75钢管，注浆深度为隧底以下3.0 m，注浆孔间距1.5 m×1.5 m。

上述技术措施的采用确保了后续施工的安全，截至目前，该隧道已顺利通过露天采区区段，施工效果良好。

4 结语

1)通过数值分析手段，揭示了明清堂隧道穿越露天采区区段隧道施工效应规律，根据对比分析结果，初步选定了三台阶+临时仰拱法作为该区段施工的基本工法。2)根据数值分析结果，并结合现场对比试验效果，形成了以地表超前注浆加固地层技术、三台阶+临时仰拱法开挖技术、不对称支护技术和基底补充注浆加固技术为核心的“穿越既有露天采区的隧道施工综合技术体系”，确保了后续施工的安全与顺利，也为相关工程积累了经验。

[1] 刘福祥，李圣柱，蒙奎鹏.大断面巷道穿越采空区掘进工艺研究[J].山东煤炭科技，2013(6):42- 43.

[2] 朱 勇.小煤窑采空区隧道的勘察设计[J].现代隧道技术，2008，45(3):60-63.

[3] 邓洪亮，谢向文，郭玉松.公路隧道穿越采空区注浆加固技术研究[J].地下空间与工程学报，2007，3(6):1182-1186.

[4] 李晓红，姜德义，刘 春，等.公路隧道穿越采空区治理技术研究[J].岩土力学，2005，26(6):910-914.

[5] 杨 斌，刘书斌，范建国，等.煤层采空区隧道开挖稳定性研究现状[J].西部交通科技，2014(10):67-72.

[6] 韩宪军，孟小欢，张小强，等.基于Creator与FLAC3D的采空区隧道变形稳定性分析[J].水利与建筑工程学报，2014，12(5):93-97.

The research on construction techniques of the tunnel adjacent to open mined out area

Sun Yafeng

(ChinaRailwayTwenty-threeBureauGroupSixthEngineeringCo.,Ltd,Chongqing400012,China)

Based the Mingqingtang tunnel as the engineering background, the research on construction technique of tunnel adjacent to mined out area was developed. Based on the analysis of numerical simulation, the response law of the tunnel crossing through the open mined out area was revealed, according to the field situation, the comprehensive technology system of the tunnel excavating through open mined out area was put forward. This ensured the construction safety of following engineering.

railway tunnel, mined out area, numerical simulation, construction control

2014-11-29

孙亚峰(1970- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)04-0154-02

U455

A