大跨度特长隧道穿越煤系地层的防侵陷处治研究

叶志华， 王　升， 王冬魁， 袁隆平， 袁永才

(1. 湖北省保宜高速公路建设指挥部， 湖北 宜昌　444200；　2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南　250061)



大跨度特长隧道穿越煤系地层的防侵陷处治研究

叶志华1， 王升2， 王冬魁1， 袁隆平1， 袁永才2

(1. 湖北省保宜高速公路建设指挥部， 湖北 宜昌444200；2. 山东大学 岩土与结构工程研究中心， 山东 济南250061)

[摘要]煤系地层软弱破碎带是隧道开挖支护施工中风险较多、容易出现事故的地段之一。结合湖北省保宜高速公路红岩寺隧道的实例，该隧道穿越软弱破碎煤系地层，属典型煤系地层隧道；鉴于煤系地层围岩软弱破碎的严重程度,为安全起见,用精度较高、距离较短的地质雷达对揭露煤层进行了超前预报。首先对其施工过程中面临的各种风险进行了综合分析,包括揭煤施工风险、瓦斯突出风险、采空区施工风险、围岩大变形风险以及塌方风险等。进而有针对性地对围岩大变形提出了风险规避措施,包括安全管理与地质超前预报、设计初期支护参数、超前小导管注浆加固、调整施工工法和安全步距、排水措施及现场监控量测等。同时，对施工中收敛变形、拱顶下沉等测量数据进行了曲线分析，动态反馈于施工过程中。该方法在隧道穿越煤层软弱破碎带施工指导中取得了令人满意的结果。

[关键词]煤系地层； 大变形； 地质雷达； 超前小导管注浆

1绪论

随着西部大开发的推进，公路山岭隧道将越来越多，出现了一些隧道穿越煤层的现象。煤系地层软弱破碎带是隧道施工过程中危害最为严重的不良地质之一，由于岩层的地质成因复杂，施工事故具有突发性，所以处治不当将产生严重的灾害问题，如瓦斯爆炸或燃烧风险、煤与瓦斯突出风险以及煤系地层围岩大变形甚至塌方风险。因此，仅靠常规的隧道施工技术和施工方法是很难克服隧道塌方、突水、突泥等地质灾害的。因此，施工过程中除了遵守一般技术要求外，还应采取针对性较强的防御措施[1-4]。

曾治[5]以梅河高速公路葵岗隧道煤系地层的坍塌处理为例，分析了隧道煤系地层发生坍塌的原因及处理方案。喻军[6]根据穿越软弱煤系地层的蛟岭隧道，重点研究了隧道瓦斯浓度的测定及通风设计，煤与瓦斯的防突防爆及混凝土气密性特性。李树良[7]就神朔铁路梁家山单线隧道和蛇口崩双线隧道施工中遇到的水平煤系地层塌方成因及防治措施进行了探讨。黄跃[8]针对葵岗隧道掉块、塌方情况，分析了塌方原因，提出了塌方发生后相应的加固处理措施。杨治岗、夏承明[9，10]以常家山隧道、某大跨度浅埋煤系地层隧道为研究背景，在分析其塌方原因的基础上提出了合理的处理方案。由现有的资料来看，对穿越煤系地层的公路山岭隧道进行系统研究的文献较少，缺乏对煤系地层变形、煤系地层瓦斯等病害综合整治与对策、施工技术的综合研究。

本文针对保宜高速公路红岩寺隧道穿越煤系地层破碎带力学特性进行了介绍，并提出了行之有效的防治措施，以供同类工程参考。本文的研究对于丰富、深入认识隧道特殊软岩失稳及控制手段等方面具有重要意义。

2工程概况

2.1工程概况

红岩寺隧道是拟建的湖北省保康至宜昌高速公路襄阳段的一座分离式隧道，左线起讫桩号ZK14+962～ZK21+640，长6678m，属特长隧道，最大埋深约655.6m，进洞口走向方位角178°，出洞口走向方位角175°；右线起讫桩号YK14+915～YK21+661，长6746m，属特长隧道，最大埋深约654.5m，进洞口走向方位角178°，出洞口走向方位角175°。进洞口洞门拟采用端墙式，出洞口洞门拟采用削竹式，单洞净空(宽×高)： 10.25×5.0m。

2.2地层岩性

根据地质调绘及钻孔等勘察手段得出，隧址区揭示出三叠系嘉陵江组(T1j)白云质灰岩、大冶组(T1d)灰岩、二叠系龙潭组(P2l)页岩、茅口组(P1m)灰岩、栖霞组(P1q)灰岩、志留系砂帽组(S2s)粉砂岩及罗惹坪组(S1lr)页岩。岩性特征见表1。

表1 地层岩性特征表Table1 Stratigraphicandlithologiccharacteristics系统、组层号岩性特征描述揭露最大厚度/m第四系全新统①覆盖层:工程性质差17.5下统嘉陵江组②灰色中～厚层状白云岩、白云质灰岩为主,夹微晶灰岩地调可见下统大冶组③灰岩:浅灰、肉红色薄层灰岩夹中厚层微晶灰岩448.8,未揭穿三叠系④ 糜棱岩:浅灰色,糜棱结构,条带状构造,成分为灰岩,岩体受构造影响、挤压。岩质软,锤击易沿裂隙面断开,风干易散23.5 上统龙潭组 ⑤ 灰黑色炭质页岩、炭质粉砂岩、灰色厚层状含铁质细粒石英砂岩夹中层灰岩、透镜状灰岩、煤层地调可见 二叠系下统茅口组⑥灰色、浅灰色厚层块状含燧石结核生物屑微晶灰岩地调可见下统栖霞组⑦灰岩:深灰～灰黑色厚层状含燧石结核(或团块)生物屑泥晶灰岩线路外钻孔中统砂帽组⑧粉砂岩:粉砂质结构地调可见志留系 下统罗惹坪组 ⑨ 页岩:灰褐色,主要成份为粘土矿物,泥质结构,薄层状构造,岩芯呈碎屑状、碎块状及短柱状258.3,未揭穿

2.3地质构造及水文地质

本隧道区域上位于聚龙山—肖家堰复向斜核部，并与通城河断裂带(F2)相交。

聚龙山—肖家堰复向斜区域上轴线呈近东西～北西西向，核部由三叠系组成，两翼地层为二叠系及志留系，该向斜北翼局部呈倒转状。轴部地层陡立，倾角多在60°～85°，两翼地层倾角多在30°～50°。本隧道轴线近南北走向，垂直穿越聚龙山—肖家堰复向斜轴部。

通城河断裂始于后坪，经马良、通城河向南延出区外，基本与通城河相伴平行展布。系由一组宽约1～2 km的断裂带组成。断裂切割二叠系、三叠系和白垩系，形成了控制远安地堑的西侧断裂带。该断裂呈北西向展布，为逆断层，产状60～90°∠50～80°。断裂带与复向斜平面上呈近正交，断层两盘地层在平面上错动距离达1km以上。受断层及复向斜影响，隧道沿线地层变化频繁，断裂带附近有若干派生的分支断层，在ZK19+200～ZK29+420附近呈现最为明显。本隧道ZK14+962～ZK18+200段轴线与通城河断裂带走向近平行，平面相距700～900 m(地表)，于K19+200～K29+420(地表投影桩号)呈大角度相交。

红岩寺隧道所处位置区域范围内，进口段有桂河经过；山间沟谷有常流水，但无降雨时水量较小，与岩溶泉水相通；出口端通小河沟，汇入沮河。根据地表水文点观察，结合地形地貌，岩性和构造条件判断，项目区汇水面积大，局部地表水排泄条件较差，地下水比较发育，以岩溶水及第四系孔隙水和基岩裂隙水为主。

3隧址区煤系地层围岩揭露情况

红岩寺隧道开挖是从两头同时向中间掘进，红岩寺隧道进口左线段到桩号ZK15+792附近，根据隧道左洞掌子面开挖揭露围岩情况，岩体主要为二叠系栖霞组(P1q)底部炭质灰岩含薄层煤层及二叠纪龙潭组(P2l)下部炭山湾段页岩和炭质页岩夹煤线或薄煤层，碳质页岩厚度较大，极松软，岩相变化较大，地层软硬相间，如图1所示。此段桩号的隧道走向与岩层小角度相交，围岩抗风化能力较差，结构面极发育，表面光滑，围岩稳定性差；围岩遇水后强度急剧下降，呈泥状；围岩以 V 级为主，属煤系地层。根据地质勘察资料，隧址区部分地层存在小煤窑，但含碳量低，基本不具备商业开采价值，已被废弃，可能出现瓦斯溢出。

煤系地层围岩的特点是： ①通过煤层厚度较大，倾角陡缓多变，预测煤储量较大； ②煤层自稳能力极差，强度低，多呈泥状、碎块状、鲮片状，坚固性系数f值较小； ③软弱的煤系地层极为湿润，隧道初期支护结构变形大，开挖易发生塌方，对施工非常不利； ④煤层中瓦斯含量高，瓦斯浓度、瓦斯压力变化不定； ⑤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； ⑥煤系地层可能有采煤活动，其中采空区对工程的影响较为严重，直接关系到施工的安全性和经济性。

图1 掌子面揭露煤系地层围岩情况Figure1 Surroundingrockoftunnelfacethroughcoalstrata

煤系地层公路隧道在施工过程中遇到的主要风险是： ①揭煤施工风险； ②瓦斯突出风险； ③采空区施工风险； ④大变形风险； ⑤软弱破碎围岩塌方风险[11]。煤系地层是危害较为严重的软弱围岩，其强度低，节理、层理异常发育，节理面光滑，层间胶结力小[12]，大断面公路隧道穿越煤系地层时，围岩稳定性较难控制，支护参数选取不合理会导致围岩大变形，变形得不到控制进而破坏支护结构。综合以上因素，开展对穿越煤系地层的公路山岭隧道设计与施工的技术系统研究是非常有意义的。

4地质雷达探测及成果分析

4.1地质雷达探测方法的原理

地质雷达探测技术是目前分辨率最高的工程地球物理方法，它是近些年迅速发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。地质雷达探测系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成，见图2。

图2　探地雷达基本原理图Figure 2　Basic principle of ground penetrating radar

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由计算机以反射波波形的形式记录下来。对所采集的资料进行相应的处理后，可根据反射波的传播时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的接口就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。

4.2地质雷达探测方法的优缺点

地质雷达探测技术具有如下优点：地质雷达轻便、操作比较灵活、探测快速，根据具体情况布置一些测点、测线或网络。在测线、网格上的点距可根据具体工程所要求的精度选定，一般为30m，还可根据具体情况和需要而灵活加密或变稀。数据处理自动化程度高。

缺点： 在含水断层破碎带内，雷达信号衰减较大，对长距离的断层破碎带穿透力较差，探测对于宽度超过30m的煤层破碎带，雷达波只在30m内较为精确，远处未能进行有效探测。另外，地质雷达探测存在探测“盲区”。

4.3地质雷达探测成果解析

鉴于煤系地层围岩软弱破碎的变形严重程度,为安全考虑,对红岩寺隧道左洞掌子面进行了地质雷达探测,天线频率为100 MHz，采集样本点为512。雷达图像的判读除了在雷达剖面图上发现明显的信号异常之外，还要注意观察掌子面施工现场的地质情况，结合地质方面的知识加以综合判断，根据这一原则对探测结果的资料分析整理成果如下：

由图3可知: 掌子面前方5～9 m段、11～13 m段、18～20 m段、24～28 m段围岩的雷达反射信号较为强烈，雷达反射波相位错乱，表明岩体破碎; 局部区域雷达反射波波幅明显增大，波长增长，表明此区域岩体软弱松散。结合地质资料与现场勘查综合分析认为，异常区为软弱破碎的煤系地层[13]。

图3 ZK15+792掌子面地质雷达探测结果Figure3 DetectionresultsofgeologicalradarintunnelfaceonsectionZK15+792

5煤系地层围岩防治研究

隧道穿越煤系地层段采用“强通风，短进尺，少扰动，强支护，早封闭，勤量测”的处治原则。在隧道穿越煤系地层软弱破碎带，运用地质雷达、超前钻探进行超前地质预报，对可能出现的局部地段围岩软弱破碎引起失稳、塌方和可能遭遇的断层、涌沙、涌水及时预测，明确位置、桩号、规模及发展趋势，及时提醒施工人员采取合理措施，预防塌方。

5.1设计初期支护参数

在该段施工过程中，为避免产生较大变形，应暂时停止开挖，喷射混凝土尽快封闭工作面，以阻止对围岩的进一步扰动，维持围岩应力在一定的水平保持不变，减小围岩的塑性变形速率。I20a钢拱架加密至50 cm一榀，设双层Φ8钢筋网，间距20 cm×20 cm，增设锁脚锚杆锁脚，喷C25 早强混凝土封闭，预留变形量130 mm。如果某段围岩变形较大，可将锁脚锚杆改为长6.0～8.0 m，锚杆尾端与钢支撑焊接在一起，在钢支撑基脚加垫纵向槽钢[15];两榀钢拱架之间设置纵向连接筋，以增强初期支护结构的纵向整体刚度，提高拱脚承载力，从而将上覆松弛荷载传递向拱脚围岩深部，有利于控制初期支护大变形。对煤层已开挖段进行径向注浆加固，注浆小导管采用Φ42 mm×4 mm热轧无缝钢管，长4.5 m，每排小导管间距@60 cm×120 cm，注浆浆液与超前小导管注浆一致，如图4所示。

图4　径向注浆示意图Figure 4　Schematic showing radial grouting

本隧道主要承受松散荷载，开挖后围岩卸荷时间相对较快，这就要求初支在施作完成后第一时间内有一定的强度和刚度。之所以选用钢拱架：软弱围岩中，钢筋格栅的应力分布变异较大，局部易产生应力集中，而钢拱架的应力分布较均匀且随时间变化较平稳[14]。

5.2超前小导管注浆加固

采用Φ42 mm注浆小导管进行超前预加固处理，注浆小导管选用Φ42 mm×4 mm热轧无缝钢管，外插角控制在10°～15°左右，单根长度4.5 m，每排小导管间距@60 cm×120 cm，梅花桩布置，注浆液选用水泥砂浆(水灰比W/C=0.5～1，注浆压力0.5～1 MPa)，当需要加固底板地层时，采用纯水泥浆，地下水较大时选用水泥-水玻璃双液注浆(压力3.5 MPa)。帷幕注浆应遵循的原则：先仰拱，后边墙，隔孔跳排注浆。见图5。

图5　掌子面超前小导管注浆示意图Figure 5　Schematic showing advance small pipe grouting in 　tunnal face

由于煤系地层自稳时间短，需采用强有力的超前支护以确保掌子面拱顶及其前方的稳定性，故采用双层小导管超前支护。小导管长4.5 m，纵向排距为1.5 m。

5.3合理调整施工工法和安全步距

将上下台阶法改为三台阶法[16]或预留核心土环形开挖法，并明确施工中的关键工序。实际施工过程中，软弱围岩段台阶之间距离过长或者上台阶开挖进尺过长，掌子面距离仰拱闭合断面距离较远，初期支护未闭合段范围较大，则初期支护将承受较大的围岩压力，易造成围岩与支护体系大变形侵限或掌子面失稳。若台阶之间步距较长，则下台阶开挖会导致支护体系稳定性进一步恶化，面临变形侵限或塌方等施工风险。所以上下台阶应控制在1～1.5倍洞跨范围内，并根据初始施工阶段几个循环作业后的监测反馈数据，实时调整各工序间的步距。

由于仰拱未施作段的初期支护拱脚基础承载能力往往不足，随着掌子面推进，沉降变形必将随之增加，不利于隧道支护结构的稳定性。因此，应及时施作仰拱，使初期支护尽快闭合成环，从而增强支护结构刚度，充分发挥闭合段和掌子面的纵向支撑作用。当初期支护变形量较大时，应及时跟进二次衬砌，进一步加强前方开挖段的纵向时空效应。

5.4采取有效的排水措施

在距掌子面5 m处，离拱脚1.2 m较低处设置一积水沟，将掌子面渗水引流至积水沟中，采用10 m扬程65LYZ-280型立式泥水排污泵引到洞内衬砌水沟内；掌子面涌水处采用打入小导管将水引出，用PVC管直接引到洞内衬砌水沟内，避免直接浸泡掌子面围岩及初期支护拱脚。

5.5重视监控量测信息反馈作用

施工过程中需加强现场监控量测，必要时候应提高监测频率，及时反馈信息，掌握初期支护结构的受力和变形情况。当短时间发现内某断面拱顶下沉速率和变形量较大，初期支护混凝土发生开裂等问题时，应立即停止掌子面开挖，并及时采取加固措施，如对开挖范围边墙增设注浆锚管，设置内侧钢拱架和二衬及时跟进等。

6煤系地层防治效果评价

在隧道穿越煤层软弱破碎带的施工过程中，实施动态监控量测，监测项目包括洞内水平收敛、拱顶沉降、围岩应力、钢拱架受力等。通过现场监控量测及时掌握围岩和支护的动态变形信息，可以及时调整和修正施工工艺、预留变形量、开挖进尺、支护参数等，保证围岩稳定、施工安全及确定二次衬砌施作时间。

为及时掌握煤系地层段隧道变形的信息情况和评估防治措施的效果，增加监控量测新断面，加大量测频率的措施。每隔5 m在拱顶、拱肩、拱腰处布置了5个测点(见图6)，加强洞内地质调查、支护状态观察、拱顶下沉和周边收敛等现场监控量测频率。测点在喷锚支护施作结束后2 h内埋设，并进行第1次监控量测数据采集。将现场监控量测数据与超前地质预报结合进行综合分析研究，准确掌握围岩变形情况和支护结构的稳定程度，保证了隧道煤层破碎带的施工安全和工程质量。

图6　量测测线布置图Figure 6　Measurement line layout chart

通过监测数据显示，ZK15+785断面、ZK15+790断面累计水平收敛、累计拱顶沉降分别为41.81、34.95、42.41、38.86 mm，累计水平收敛与累计拱顶沉降值已经趋于稳定，速率均已趋近于0，各项量测结果均满足施工需要和规范要求，该隧道顺利通过该煤系地层段，说明该处理方案防治效果较为理想，如见图7和图8所示。

图7　ZK15+785断面监控量测数据分析Figure 7　Data analysis of site monitoring on section 　ZK15+785

图8　ZK15+790断面监控量测数据分析Figure 8　Data analysis of site monitoring on section 　ZK15+790

7结论

本文针对红岩寺隧道穿越煤系地层的软弱破碎程度，主要对大变形控制技术进行了研究，得出以下结论：

① 红岩寺隧道穿越聚龙山脉，地质条件复杂多变，隧道进口左线ZK15+792附近揭露的煤系地层属典型软弱围岩，节理、层理异常发育，强度低，遇水软化、膨胀严重，加之支护施作滞后、开挖段面大等原因，导致初期支护发生大变形事故。

② 隧道穿越煤系地层段通过及时封闭掌子面、加强初期支护、施作帷幕注浆和超前预注浆等手段加固软弱围岩，选择合理施工工法，控制各工序间的安全步距，及时施作仰拱及二衬衬砌，在控制变形方面取得了较理想的防治效果。可为类似地质条件类似隧道工程提供借鉴。

③ 地质雷达对破碎带、水、溶洞的探测较为准确，但在对地质雷达图像进行解译时，必须结合掌子面揭露围岩及勘察资料进行综合分析，在存在多解性的情况下，应采用超前钻孔探测技术进行验证，从而降低灾害事故发生的概率。

④ 煤系地层大断面隧道施工中，鉴于监控量测对指导和优化施工有重要的作用，应做好监控量测工作，及时反馈围岩变形信息，避免侵限等大变形的发生。

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Treatment Study of Depression Through the Coal Strata in Large Span Long Tunnel

YE Zhihua1, WANG Sheng2, WANG Dongkui1, YUAN Longping1, YUAN Yongcai2

(1. Baoyi Expressway Construction Headquarters of Hubei Province,Yichang, Hubei 444200, China;2.Research Center of Geotechnical and Structural Engineering, Shandong University,Jinan, Shandong 250061,China)

[Abstract]The fault and crush zone through coal strata is very dangerous and catastrophic sector of the tunnel during the course of excavation and support. As a typical coal formation tunnel, Hongyansi Tunnel would traverse the soft and weak coal formation surrounding rock. Given the weak and crushing severity of surrounding rock, the highly accurate and short-distance geology prediction were conducted with geological radar. Firstly, the risks in the tunnel construction progress are analyzed, including seam opening construction risk, gas ejection risk, construction risk in mined-out area, large deformation risk of surrounding rock, collaTPe risk, and the side, etc. And then, some relevant risk averse methods about surrounding rock deformation are presented, such as closing working face as soon as possible, safety management and geological advance prediction, parameter design of preliminary support, advanced small pipe grouting, adjusting the construction technology and safety distance, drainage and site monitoring, etc. At the same time，the analysis results of measured data such as convergence and subsidence of crown are dynamically fed back to the construction. These processes are called the information construction of the tunnel in a fault and crush zone，which is applied to the tunneling through coal strata and gives a satisfying effect.

[Key words]coal strata; large deformation; geological radar; advanced small pipe grouting

[中图分类号]U 457+.5

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0125-06

[作者简介]叶志华(1965-)，男，湖北仙桃人，教授级高工，主要从事高速公路技术管理、复杂地质区隧道超前地质预报与综合治理技术方面的研究与管理工作。

[基金项目]湖北省交通运输厅科研项目(BYXYKY2012-003)

[收稿日期]2014-05-22