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隧道穿越煤层采空区处理方案研究

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摘要：本文结合重庆市万开周家坝至浦里快速通道隧道工程实例，详细介绍了隧道在穿越煤层采空区时的设计处理对策及施工过程中的安全管理，为其他类似工程提供借鉴作用。

关键词：隧道；采空区；煤层；瓦斯；安全管理

前言

随着城市道路和高速公路的迅速发展，隧道工程的建设也日益增多。由于地形地貌、线路走向、勘察资料不准确等众多因素的制约，线路经过煤层采空区的情况经常是不可避免的。

隧道穿越煤层采空区时由于原有的应力场被破坏，稳定性欠佳，隧道开挖过程中容易对土体产生扰动，造成冒落带、裂隙带和整体移动带，导致隧道开挖体变形过大，对建筑物的安全和稳定性构成威胁，影响隧道安全施工及使用。另外由于煤层通常都是富含瓦斯的，在瓦斯地层中施工具有较高的危险性，特别是瓦斯地层和采空区融合在一起时，各种风险叠加，会大大增加工程的设计和施工难度。

目前，已经有许多行业内的专家和学者针对隧道穿越采空区和含瓦斯的煤层做了大施工等方面提出了很多宝贵的意见和经验。本文在已有的研究成果的基础上，结合实际项目工程对隧道在穿越瓦斯煤层的采空区时处理方案进行研究，为今后类似的隧道工程提供参考和借鉴。

1、工程概况

万开周家坝至浦里快速通道隧道工程线路总长11.594km，为重庆市的城市快速通道工程，设计速度80km/h，其中隧道长约9.23km，为双向双洞两车道设计。根据整个项目的线路走向，该隧道工程需在左线K8+094.10及K8+285.60、右线在YK8+100及YK8+279.44处穿越某煤矿的K3和K5煤线。

该煤矿于1999年投产，主要开采三叠系上统须家河组三段的K3煤层和三叠系上统须家河组五段的K5煤层，2015年停产。

根据收集的资料发现，目前K3煤线开采至+506高程，其竖向分布有+675运输大巷，+583m运输大巷、+506m运输大巷，其中+506m运输大巷位于隧道正上方。K5煤线在隧道范围内已开采至+400高程，其竖向分布有+639.15水井湾井，+512m运输大巷、+425m运输大巷，其中+425大巷位于隧道正下方，其上均为采空区。隧道与K3、K5煤线平面关系和纵断面关系如图1、2所示。

根据勘察资料，隧道穿越煤矿采空区段时，采空区水位高于隧道顶拱，采空区段施工时可能产生突水突泥或集中涌水现象。隧道在该段穿越K3、K5煤层，会有瓦斯涌出，浓度要根据现场实测。

2、隧道穿越采空区设计方案

2.1采空区处理原则

煤层采空区相对隧道所处位置分为：采空区位于隧道断面之上；采空区位于隧道断面内顶部或中部；采空区位于隧道断面底部或之下。针对这三种情况处理原则如下：

（1）采空区位于隧道断面之上的：当采空区位于隧道断面之上，特别是近水平、缓倾斜的采空区，且距隧顶较近时，必须采用加强支护，在隧道顶部设置管棚等超前支护，管棚采用钢架支撑。

（2）采空区位于隧道断面内顶部或中部：当采空区贯穿隧道并位于隧道断面顶部或中部时，先施工长管棚，在开挖至采空区时，设置2m厚C15混凝土护拱，护拱两端嵌入基岩不小于0.5m，同时，对一定范围内洞壁采用锚网喷防护。

（3）采空区位于隧道断面底部或之下：当采空区贯穿隧道并位于隧道断面底部，对于仰拱以下规模较小的采空区可采用洞渣和C15混凝土回填，采空区规模较大时，可采用桩基托梁、扩大基础等方式跨越。采空区位于隧道之下时，采用“探灌结合”的原则处理，在仰拱初期支护封闭成环后，在工字钢钢架之间布置150mm钻孔，钻孔布置顺隧道纵向间距5m，横向2.5m，压注M10水泥砂浆，注浆压力0.5～1.0MPa，如注浆时浆液消耗量大而压力无法上升时，应采用帷幕注浆。

2.2采空区充填状态分析

由于采空区对隧道施工及运营安全有较大影响，且存在集中突水可能，根据采空区内的充填状态，可分为以下几种情况。

工况一：采空区内无充填物，即隧道开挖到采空区时，地下水位位于隧道底板下，且采空区内无其他松散堆积物，如图3。

2.3采空区处理对策

2.3.1超前地质预报

隧道在穿越煤层采空区的施工中，应严密注意围岩开挖情况，通过有效的超前地质预报手段（超前地质预报的主要方法包括地质调查法、超前水平钻探法、TSP超前地质预报、瞬变电磁仪法等），预测开挖工作面前方几米至几十米的围岩工程地质和水文地质条件，结合掘进中地质条件的变化，及时提出预报，以便有准备地做好各种预防和施工措施，保证隧道施工的顺利进行。

在众多超前地质预报的手段中，超前探孔是最为准确有效的预报手段。隧道开挖接近预计采空区位置前100m处开始探测，每循环超前探孔长20米，共布置4个超前探孔。开始探测时，先在掌子面打超前探孔1个（1＃孔），初探采空区位置。如钻孔无水，掘进10m，再进行探水。如钻孔有水，