高铁隧道下穿煤层采空区控制施工技术研究

余绿山

摘要：鉴于现有控制施工技术对顶板位移量的控制仍不够稳定，故需对高铁隧道下穿煤层采空区控制施工技术进行深入研究。首先，在现场布设抽排水设备和管線、工作面和采空区位置。其次，计算在煤层回采过程中底板破坏程度并选定支护方案，利用锚杆与锚索协同支护提高承载能力。再次，设置临时截排水沟进行合理有效排水，并采用5m长φ42钢花管进行径向注浆加固。最后，用孔口管内偏心轮跟管工艺进行注浆，根据采空区高度调整钻孔长度。实验结果表明，随着采空区的高度增加，层间距能够始终控制在8mm范围内，说明本文设计技术的应用效果较好。

关键词：高铁隧道；穿煤层；采空区；施工

0   引言

随着高速铁路的快速发展，高铁隧道建设面临的地质条件也日益复杂。其中，高铁隧道下穿煤层采空区的施工技术成为一个颇具挑战性的课题。煤层采空区的存在可能会引发隧道施工过程中的地质灾害，如塌方、突水等，对工程建设和运营安全构成严重威胁。因此，开展高铁隧道下穿煤层采空区控制施工技术研究至关重要。一般通过对采空区影响段落隧底变形进行观测，并使用钻头按照具体定位进行施工，然后对采空区进行注浆加固，来准确达到施工目标。如此可以在一定程度上提升采空工作的施工速度，同时还能够保证一定的施工安全性。

传统采空区控制施工技术在大范围煤矿中应用时，如果在施工环节中误差过大，就会造成围岩发生变形[1]。如果支护不及时，在顶板形成松散破碎区易发生顶板事故，导致结果难以符合预期。本文以高铁隧道下穿煤层采空区控制施工技术为研究目标，结合实际情况进行测试与分析。

1   工程概况

中铁十二局集团承建的白云山隧道位于四川省内江市资中县境内，隧道全长13340m。全隧设置7座斜井，为高瓦斯隧道。隧道最大埋深约260m。地下水主要为基岩裂隙水，分布不均，局部可能会发生突水突泥风险。

根据地勘情况可知，威远县铁炉湾页岩矿采空区三水平运输巷堵头位于DK136+146左线线路中线右侧约68m。DK139+525～DK140+305段处于尖山水库影响区，在砂岩和泥岩接触带及砂岩段落时，水量较大，会发生涌突水问题。隧道修建过程中，水库水和其他地表水会通过导水缝进入隧道，为此需对掌子面进行施工。施工时需要在开展综合地质超前预测预报工作，防止采空区坍塌、突水、突泥等。

2   穿煤层采空区控制施工要点

2.1    采空区回采巷道布置

2.1.1   工作面巷道布置

根据超前水平钻孔出水情况，推测水库水通过通道进入隧道空间的时间。根据反坡排水方案，在现场布设抽排水设备和管线，及时将涌水排出洞外[2]。工作面巷道布置形式如图1所示。该工作面轨道巷位于采空区底部，靠近区段煤柱。运输巷则位于采空区另一侧。

2.1.2   应力控制

巷道围岩在煤柱的支承压力作用下，会发生应力整体集中的情况。鉴于此，需要对工作面的回采巷道出现煤柱的高应力进行控制，以确保巷道与上方水平距离满足如式（1）所示的条件：

式中：v为不同煤层之间的平均间距；m为煤层厚度；α为倾斜角度；θ为支撑压力传递角。通过公式（1）计算，得到工作面回采巷道与上方的距离关系，以为合理布置巷道提供基础[3]。

通常，煤柱靠近采空区的一侧会出现应力集中的情况，为了使煤层采空区底部的垂直应力符合要求，需要通过布置沿空留巷来保持应力，使得巷道稳定。

依据滑移线场原理可知，在煤层回采过程中，底板的最大破坏程度t的计算如下：

式中：R为采高，H为应力集中系数，l为底板岩层的内摩擦角。通过计算，能够得到煤层之间的厚度，前一煤层回采后，据此可以判断另一个煤层的完整性。

2.2   确定支护方案

2.2.1   支护的作用

需针对煤层回采巷道受到破坏的类型不同，进行支护方案选定。为了避免掘进巷道时顶板冒落，要及时支护，以便有效减小空顶距离，强化围岩初期强度，防止围岩发生变形。同时保持整体结构的完整性，以提高承载能力[4]。通过使用锚杆，使浅部岩层形成整体稳定的梁形结构。锚杆、锚索协同支护拱梁耦合，以增强主动支护能力。顶板破碎无法锚固时，考虑采取注浆加固，提高围岩完整性和承载能力[5]。

2.2.2   支护要点

支护采用6根螺旋锚杆，顶板锚索规格为Ф15×2500，间隔两排锚杆布置锚索。该采空区是私人老矿井，年代久远，推测它与原联合煤矿的采空区相连。采空区的底部距离隧道顶部约为4～6m。

根据地质勘查资料，推测采空区的洞隧道纵向分布与6#斜井小里程隧顶采空区相连，底部距离隧道顶部4.5～7m。为了确保施工和后期运营的安全，需要对顶部的采空区进行注浆加固，并调整相关的支护参数。

为确保施工安全，降低对周围岩的扰动作用，必须采取严格的支护措施和合理的施工方法。同时调整采空区段落二次衬砌结构，布置防排水措施。

2.3   隧道顶部采空区加固施工

2.3.1   准备工作

在隧道顶部采空区加固施工前，首先需要进行地表预处理，清除表面的松散碎石和杂物。设置临时截排水沟，实现合理有效地排水。在中线左右15m范围内进行竖向钢花管注浆加固。

2.3.2   注浆加固

在注浆过程中布设小导管，使用的注浆材料为水泥浆。通过控制水灰比来调整制浆[6]。注浆压力范围为0.3～

0.5MPa，具体灌浆压力可根据现场灌注情况进行调整。

边墙采用5m长Ф42钢花管进行径向注浆加固，交错布置。随着注浆压力逐步升高，当达到终压实时停止，并稳定一段时间。在洞内开挖至D1K129+145之前，需要适当增加钢拱架的高度，使其形成管棚群。采用长度为25m大管棚在拱部布置。安装内层拱架，并将管棚外露的尾部加固在拱架外侧。

2.3.3   施作超前小导管

喷射混凝土以确保初支面的平整度。根据开挖情况，在下循环开挖之前，在管棚间隙中施作超前小导管，形成双向预加固体系，确保施工安全。

在超前支护完成后，采用三台阶预留核心土法进行开挖支护。采用少装药短进尺，以减小对地表土层的扰动。采用双层钢拱架以及加强锁脚锚杆进行支护。在外层拱架腹板钻孔并施作超前小导管，两层拱架间采用连接筋焊接使其形成初支体系，以提高整个初支体系稳定性。

2.3.4   增设排水板

根据地质情况，对地表及洞内沉降观测点进行定期观测[7]。待初期支护沉降稳定后，增设排水板进行排水。当衬砌强度符合要求后，对极浅埋地表逐层夯填至设计高度，形成封闭层。

2.3.5   拱部加固

利用I20a临时套拱实施加固，以确保安全。采用孔口管内偏心轮跟管工艺进行注浆，加固范围为拱部15m范围的采空区，每环布置7个钻孔，环向间距为3m，钻孔长度根据采空区高度进行调整。

3   实例应用分析

本文以实际地质情况为基础，针对回采巷道顶板不同测点垂直位移量变化进行研究。预期目标为两煤层间距控制在8mm以内时，有利于提升回采巷道的稳定性。

3.1   建模

在采空区高度变化时，通过FLAC3D数值模拟软件，对穿煤层下部煤层回采巷道的稳定性进行模拟。将煤夹层厚度和采空区高度进行正交设计。

在建模过程中，在煤层回采巷道的顶板及两侧中点设置测量点，记录该点的垂直位移。下部煤層回采巷道稳定性模拟如表1所示。

3.2   位移量变化分析

采空区高度为12m时，下部煤层回采巷道开挖后，巷道顶板和两侧位移量在两煤层层间距的变化如图2所示。

由图2可知，下部煤层回采巷道开挖后，煤层间距增加，顶板位移量逐渐减小并稳定在0m。随着采空区的高度增加时，下部煤层回采巷道的稳定性，随着上部煤层采空区高度的增大而逐渐增强，使得层间距控制在8mm范围内，符合预期效果。上下煤层的层间距越大，回采巷道的稳定性越强。

由此说明，运用本文施工技术能够使煤柱的支承应力得到一定累积，使得向底板岩层中的传递应力增加，适用于煤层开采厚度较大的情况。

3.3   整体施工效果

通过采取严格的支护措施和合理的施工方法，以及调整采空区段落二次衬砌结构和布置防排水措施，确保了施工安全，降低了对周围岩的扰动作用。

同时，在注浆过程中控制水灰比、注浆压力和钢花管的布置，提高了加固施工的效果。通过地表和洞内沉降观测，对施工过程进行监测和调整，确保了工程的安全和稳定。

4   结束语

本文研究了高铁隧道下穿煤层采空区的控制施工技术，主要内容包括采空区回采巷道布置、应力控制、支护方案确定以及隧道顶部采空区加固施工等。通过实例应用分析，证明了该技术的可行性和有效性，为类似工程提供了有益的参考和借鉴。但该设计还存在不足之处，如工期的不合理分配问题，收集现场施工资料的问题等。

今后在研究中，要根据地表调查和洞内出水情况，推进计划过程中的各项任务，持续高效的进行安全施工。要科学制定反坡排水应急措施，降低施工风险，改良洞周土体，以提升施工过程中的经济效益。要科学采用超前注浆堵水，全面推进施工生产，确保高铁隧道下穿煤层采空区控制施工技术更高效，更安全的应用。

参考文献

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[2] 李彬，郭辉，王兆宇，等.极近距离煤层采空区下覆工作面采场围岩控制技术研究[J].煤炭技术，2022，41（9）：57-60.

[3] 段春生.铁路隧道壁后煤层自燃灭火关键技术研究[J].中国矿业，2022，31（8）：145-150.

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[6] 潘锐，杜文正，程桦，等.隧道下穿采空区初期支护围岩变形及受力研究[J].采矿与安全工程学报，2022，39（5）：901-910+920.

[7] 杨朝晖，李文强，王海，等.下伏采空区的寓仁隧道残余变

形预测研究[J].中国矿业，2022，31（6）：144-150.