四川路桥公路隧道分公司 四川成都 610200
摘要：随着我国经济飞速发展，公路建设事业蓬勃发展，在翻山越岭时采用隧道结构也越来越普遍。由于我国煤炭矿产分布广泛，煤层中遗留了大量的采空区，在隧道开挖过程中往往不可避免地遇到煤层及煤层采空区。例如在建的华蓥山隧道，便是为穿越地质复杂的华蓥山山脉而设的公路隧道。该隧道是南充~大竹~梁平（川渝界）高速公路重难点控制性工程，隧道为高瓦斯隧道，其进口段穿越煤层瓦斯990米，高瓦斯工区段471米，在施工过程中遇多处煤层采空区。如何安全地通过煤层采空区便成为该隧道施工技术需攻克的重点难点之一。本文根据在华蓥山隧道实际施工过程中所采取的煤层采空区处理措施和方法，就隧道煤层采空区处理方式从多个方面进行了分析和探讨。
关键词：瓦斯隧道；煤层；采空区；安全；技术
1前言
煤层采空区是指煤层矿产被人们开采后留下的开采空洞。采空区的存在破坏了附近围岩的初始平衡状态。当隧道开挖至采空区影响地段，可能面临的危害主要有：(1)隧道施工作业引发的振动扰动造成现有采空区的失稳，导致开挖洞体坍塌；(2)采空区的存在改变了地应力的原始分布状态，容易引起隧道结构受力不均，导致隧道结构局部开裂；(3)采空区长期残余变形引发新建隧道产生不均匀沉降，为后期列车运行和隧道结构耐久性留下安全隐患等；(4)采空区淤积的泥土和水，会造成施工过程中出现突水突泥等灾害事故。所以在隧道设计阶段要对采空区的危害有足够的认识，在隧道施工阶段要采取相关措施对隧道结构和采空区进行支护或加固处理。
目前在采空区处理措施方面已经有大量的研究成果；郭强[1]等以白石隧道为研究对象，从钻孔、灌浆、安全措施、质量保证措施等多个方面阐述了隧道煤窑采空区的处理方法，为类似工程提供了参考；刘敦文[2]等结合模糊数学理论，对选取采空区处理措施的决定性因素和评价指标进行深入分析，定量地评价各种采空区处理方法的利弊，为选取采空区最佳处理方法提供了理论依据；时均伟[3]通过三维有限元仿真模拟，结合华蓥山隧道施工方案，分析得出采空区对隧道的安全性影响，并提出了安全通过采空区段的施工技术。
本文以华蓥山特长隧道为研究对象，该隧道遭遇多处采空区，如果因为采空区而导致隧道施工中断，所带来的经济损失和社会影响相当大。因此开展华蓥山隧道采空区施工技术研究，以确保工期和施工安全，是非常必要的。
2华蓥山隧道工程概况
南充~大竹~梁平(川渝界)高速公路项目位于川东南充和达州市境内，是四川东向通江达海和陆路出川通道的重要组成部分，也是完善四川综合交通运输体系和成渝经济区区域高速公路网布局的需要。华蓥山隧道是为南充~大竹~梁平(川渝界)高速公路穿越地质结构复杂的华蓥山山脉而设的特长隧道，隧道长8159.5m(平均)，最大埋深580m，按双向四车道高速公路标准设计。
在隧道右线k106+280至k106+358地段处总共出现三处采空区。该地段围岩级别为IV级，地下水不发育，岩性以泥岩、砂质泥岩、含炭质泥岩为主。采空区段围岩稳定性差，成洞条件一般，拱部易产生掉块，易产生塌方和不均匀沉降等。隧道开挖至采空区段必须对采空区和隧道结构进行合理的超前支护与加固处理。
3华蓥山隧道煤层采空区处理措施
3.1隧道采空区整治原则
1、采空区地质、采矿条件复杂，特别是废弃小煤窑，往往没有可靠的资料。另一方面，在采空区对隧道稳定性的影响方面尚未形成成熟的理论体系。故隧道穿越采空区时，要根据采空区地质特征及与隧道的相互关系，综合考虑钻探或物探技术取得采空区的形状、尺寸、位置、年代、地质条件等资料，并采用相应的处理措施。
2、要根据隧道开挖所引起的应力重分布提出相应的处理方法。隧道开挖将会引起隧道应力的重分布，当隧道围岩的应力大于该处岩体的强度时，隧道周边一定范围的围岩会产生破坏和塑性变形，形成塑性区。为了防止隧道产生变形破坏和避免破坏范围的进一步扩大，应对这个范围内的采空区进行加强支护。
3、在开挖隧道时应适当的加大预留变形量。在煤系地层中开挖隧道或隧道穿越采空区破碎岩体时，由于煤层属于软弱岩层，当被采空后，遗留的采空区会产生比较大的变形。所以，在进行隧道断面设计的时候，应适当增加预留变形量，并加强施工监测。
3.2隧道采空区处理措施
煤层采空区的处置首先应从安全防护方面考虑，先要制定好安全防护措施，再根据现场实际情况选择合理的技术方案进行处置，最后再根据监控量测的结果检验处置效果是否达到要求。
1．隧道安全防护措施
瓦斯隧道的安全防护是隧道施工的重点、难点，特别是对煤层采空区的正确处理更是施工安全的关键环节。在对采空区整治前应做好以下几个方面的安全防护措施。
①对瓦斯及有毒有害气体的监控
首先采用隧道瓦斯超前预探技术，探查采空区的瓦斯及有毒有害气体富存情况。根据探查到的有毒气体情况，利用瓦斯自动化监控系统通过在洞内安装的瓦斯传感器、风速传感器、一氧化碳、硫化氢、温度等传感器测定洞内瓦斯浓度、一氧化碳浓度、硫化氢浓度、风速、温度等参数，并将此信息回馈到计算机进行分析处理，再通过设备开停传感器和馈电断电器在瓦斯超标时对被控设备进行报警或断电处理，及时准确地对采空区的瓦斯及有毒有害气体状况进行24小时监控。
②制定好坍塌、涌水、突泥的专项应急预案
隧道通过煤层采空区时，必须控制好开挖进尺，并做好预防坍塌的安全措施。若探测到采空区空腔内有积水，根据实际情况采取排水或止水措施，以预防涌水、突泥等地质灾害。
在做好灾害预防的前提下还应提前做好处理坍塌、涌水、突泥等地质灾害的专项应急预案，并通过实地演练来检验方案的适宜性，以便在突然遇到上述灾害时能够第一时间启动专项应急预案，并按照预案计划进行施救，以最大程度的减少灾害带来的损失。
2．隧道采空区处理措施
隧道穿越采空区段落时，主要采用采空区加固及隧道结构处理、及时施作支护结构、加强结构受力（变形）监控量测等综合措施进行处理，必要时辅以煤层及瓦斯的处理措施。
①加强超前地质预报工作
在施工至设计图纸标明的可能出现煤层采空区的里程桩号前50米处，需加强利用瞬变电磁仪、地质雷达、超前钻孔等设施进行远、中、近距离相结合的超前地质预报工作，以提前发现采空区。在确定存在采空区时，应进一步探查空腔的位置、大小及空腔内有无填充物、为何填充物，以便制定相应的安全防护措施，保证隧道施工安全。
②采空区防排水措施
通过超前预报探知采空区位于隧道中部或顶部时，要根据垮落带积水量和有无稳定水源情况采取针对性处理措施：有稳定水源且可能发生涌水、突泥等危害时，针对具体情况选用超前全断面注浆、超前帷幕注浆、超前局部注浆等措施；无稳定水源但可能发生涌水、突泥等危害时，需作好后方初期支护，采用钻孔安设孔口管、阀门实行实时泄压放水；水量较小时采用钻孔排水。
③隧道开挖控制措施
在接近采空区段落时，采取小进尺、多循环的方法，每循环的进尺控制在2米以内，以预防洞体坍塌。在加强隧道洞内通风的同时，要加强对洞内瓦斯及有毒有害气体的监控，当出现气体浓度超标时，必须立刻停止施工并有序疏散施工人员，待洞内空气质量达标后方可恢复施工。
④隧道通过采空区时的加固措施
隧道通过采空区时，可根据隧道与采空区的空间位置关系，依照工程概况的具体情况，采用注浆回填、片石回填、注浆加固、施作护拱、混凝土封闭等方式对采空区进行处理。
在加固方案的选取上可根据采空区空腔的大小及空腔与隧道的位置关系，采用跨越、堵塞、加固处理等方案，具体选择方法如下：
（1）对于分布于隧道结构拱部、边墙及隧道底的易于处理的小型无水空腔，原则上采用回填处理措施。
（2）对于拱部的空洞体积较大的无充填物空腔，沿隧道开挖边缘线外设置钢筋混凝土护拱，护拱之上设浆砌片石缓冲层，并在空洞壁面打设支护锚杆及挂设钢筋网防护，起到加固空洞、保护隧道结构安全的目的（如图1所示）。
图3小导管充填注浆加固处置示意图
（6）对于有填充物的空腔，且洞内填充物松软、下沉量大、强度低、稳定性差的，应优先考虑清淤及换填，在施工困难时，可采取Φ75钢管桩对充填洞穴进行注浆加固。
（7）对于采空区位于隧道底部，洞壁已坍塌、有充填物且空腔顶板距离隧道底部小于3m的情况，可采取基底换填干砌片石处理（如图4所示）。
图5基底注浆加固方案示意图
⑤隧道支护措施及监控量测工作
在安全通过采空区并加固处理完成后，必须根据工程实际情况在“隧道特殊地质处理设计图纸”上选取合理的支护类型进行施工。在施工过程中要严格按照隧道设计和施工规范进行隧道支护，特别加强对防水板、气密性砼、抗渗砼的施工质量，以保证隧道的气密、防水和抗渗等性能指标达到设计和规范的要求。
完善的监控量测工作是确保隧道施工安全、指导施工程序、便利施工管理的重要手段。所以应加大对采空区位置的监控量测频率，着重测量空腔部位的围岩压力、围岩体内位移、钢架内力等项目。以便根据测量数据合理调整支护参数，及确定二次衬砌的最佳支护时机。
4结语
本文以华蓥山隧道为工程背景，针对不同的采空区存在形式分别对不同的采空区治理措施进行了阐述和探讨。实践证明，华蓥山隧道在穿越复杂煤层采空区时，本文阐述的采空区处理措施是可行的、有效的。施工单位要根据超前预测预报取得的采空区形式资料，结合所处地段的工程条件来选择合理的采空区处理方案。同时要注重隧道施工过程的反馈与控制，加强监控量测工作，以便能及时发现问题及时处理，以保证隧道安全穿越采空区段。
参考文献:
[1] 郭强.瓦斯隧道煤窑采空区处理施工技术[J].科技情报开发与经济,2005,08:292-293.
[2] 刘敦文,古德生,徐国元.地下矿山采空区处理方法的评价与优选[J].中国矿业,2004,08:54-57.
[3] 时均伟.南大梁高速公路华蓥山隧道采空区施工技术研究[D].西南交通大学,2011.
[4] 王新锋.煤矿采空区的治理原则及技术手段[J]. 价值工程,2012,26:72-73.
[5] 王新. 高速公路隧道采空区的技术处理[J].北方交通. 2009(03)
[6] 邱礼球,王彦虎. 高速公路隧道通过煤矿采空区施工技术[J].隧道建设. 2008(05)
论文作者:杨昌林
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：采空区论文; 隧道论文; 煤层论文; 措施论文; 瓦斯论文; 空腔论文; 围岩论文; 《防护工程》2019年第4期论文;