铁路隧道穿越采空区的处理措施探讨

    摘 要：采空区是隧道工程中常见的不良地质现象，具有隐蔽性强、空间分布无规律、难以预测等特点，对隧道的支护结构及后期运营均会带来严重的安全隐患。本文以某新建铁路隧道穿越煤层采空区为例，分析了采空区对隧道的危害，并介绍了设计中对隧道穿越采空区时的处理原则和措施，为今后类似的工程设计提供了借鉴和参考。

    关键词：采空区;铁路隧道;危害;处理原则;处理措施

    1 引言

    近年来，随着我国经济的快速发展，对交通运输的需求越来越高，鐵路也发挥着越来越重要的作用，大量铁路隧道不断兴建。虽然在勘查设计中根据铁路隧道相关规范要求应尽量避开采空区等不良地质段[1]，但因选线需要，隧道工程往往难以绕避部分采空区，这对施工及后期运营都将产生不利影响。因此，在勘察设计时应尽可能对采空区进行全面调查和勘探，充分掌握其几何形态、分布特征、规模大小等情况， 在此基础上对采空区和隧道结构采取合理有效的工程措施，以确保隧道结构的稳定性及运营时的安全畅通[2]。

    2 工程概况

    隧道全长718m，为双线合修隧道，设计时速250km/h，最大埋深约100m。隧区属于低山丘陵区，隧址段属于峰林和缓丘地貌，地面标高1284m～1409m，相对高差约20～130m，地形起伏较大，缓坡地带多为旱地及荒坡，自然坡度20～45°，隧道进口斜坡较陡，基岩裸露，出口斜坡较缓，覆盖层较厚，零星基岩出露。隧址区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.25s。

    本隧出口段为含煤地层，据调查有小煤窑开采，开采方式以人工挖掘为主，小煤洞规模较小，开采不深，井口一般宽1～1.5m，高1～1.5m，深20～30m，未形成大规模的采空区。小煤窑现已停采，停采原因不明。另据高密度电法物探揭示，隧道出口段DK27+770～+855共有3处存在低阻异常的小煤窑采空巷道对隧道有影响。

    3 采空区对隧道的危害

    采空区对隧道工程的危害主要表现在以下几个方面：

    3.1 施工期间支护结构变形失稳

    由于采空区存在冒落带、裂隙带和弯沉带，因而当线路附近采空区受到隧道开挖扰动时，将会造成采空区产生不均匀沉降，甚至导致采空区底板或顶板塌落，进而使得支护结构所承受的荷载增大，造成支护结构变形失稳，严重时隧道将发生塌方破坏，威胁施工安全[3]。

    3.2 运营期间结构沉降危及行车安全

    若采空区位于隧道下方，且施工方在施工过程中未对其采取合理有效的处理措施，而直接施作隧道衬砌结构，那么运营期间在列车动荷载的反复作用下，将可能导致围岩松动圈持续增大、加速采空区残余变形的发展，使得穿越采空区段的隧道结构受力不均而引起衬砌局部开裂或下沉，严重影响列车运营安全及隧道结构的耐久性[4]。

    3.3 其他危害

    煤层采空区中易积聚瓦斯或赋存积水，施工中若操作不当可能发生瓦斯爆炸或涌水突泥事故，危及施工人员生命安全和造成巨大的经济损失。

    4 隧道穿越采空区时的处理原则

    鉴于采空区对隧道的开挖以及建成后的运营都有很大的影响，施工期间必须对其采取相应的处理措施 [5]。本文根据采空区与隧道的空间相对位置关系，并结合采空区是否坍塌充填、是否积水等情况，制定了不同的处理原则。

    4.1 采空区位于隧道上方时

    当采空区位于隧道上方时，应根据隧道拱部与采空区底板的距离进行有针对性的设计，可采取加强隧道超前支护和初期支护、加强二次衬砌、设置护拱、超前注浆或径向注浆等措施进行处理。对隧道上方采空区存在积水的情况，采取钻孔并预留排水管的方式排水。

    4.2 采空区位于隧道中部时

    当采空区位于隧道中部时，若采空区未坍塌充填，可在隧道衬砌两侧边墙外施作护墙和回填;若采空区已坍塌充填，可对充填物采取换填或采用周边注浆加固进行处理。

    4.3 采空区位于隧道下方时

    当采空区位于隧道下方时，若采空区底板与隧底间的距离较小，可采取混凝土换填、注浆回填等措施处理;若采空区底板与隧底间的距离较大，可合理选择钢管桩注浆加固、混凝土回填或桩筏结构跨越等措施进行处理。在对采空区进行处理的同时，应加强隧道的初支及二衬结构。

    4.4 其他处理原则

    （1）施工过程中应加强洞内及洞周超前地质预报，综合物探、钻探等超前探测手段，查明采空区的位置、规模、充填情况、是否积水、是否积聚瓦斯等因素，以便采取合理的处理方法。

    （2）在施工穿越煤层采空区段的隧道时，应加强瓦斯监测和施工通风，并根据相关规范要求采取封闭防护措施。

    （3）当隧道穿越煤层采空区时，通常由于煤系地层岩质较软，隧道开挖围岩可能产生较大的变形，因此在设计时可适当增加衬砌结构的预留变形量[6]。

    5 隧道穿越采空区时的处理措施

    根据地质勘察报告及物探解译资料，本隧出口DK27+770～+855段共有3处小煤窑采空巷道对隧道有影响，为确保隧道穿越采空区段的施工安全和运营安全，设计中分别针对这3处采空区进行处理，其各自的位置及处理措施如下：

    （1）DK27+770～+790段右侧，长度20m，轨面以上22～36m。隧道超前支护采用φ76中管棚，初期支护采用全环工22a型钢钢架、间距0.6m，二次衬砌采用VC加强型复合衬砌、结构厚度为55cm。

    （2）DK27+790～+800段左侧，长度10m，轨面以上0～13m。隧道超前支护采用φ76中管棚+大外插角φ42小导管，初期支护采用全环工22a型钢钢架、间距0.6m，二次衬砌采用VC加强型复合衬砌、结构厚度为55cm。

    若开挖揭示采空区大部分已坍塌充填，则对拱顶以上5m范围采空区充填物采用径向注浆加固。

    若采空区未坍塌充填，则在隧道两侧边墙施作混凝土护墙，厚度不小于2m，护墙外侧存在空洞且有作业条件时，采用土石回填;在隧道拱部施作混凝土护拱，并将加强支护的型钢钢架也埋入护拱内，有条件时应在护拱上设中粗砂缓冲层，并在二衬背后预留排水管引排采空区内的积水。护拱及护墙如图1所示。

    （3）DK27+830～+855段左側，长度25m，轨面以下2～10m。隧道超前支护采用φ76中管棚，初期支护采用全环工22a型钢钢架、间距0.6m，二次衬砌采用VC加强型复合衬砌、结构厚度为55cm。

    若开挖揭示采空区已坍塌充填，将隧底以下0～3m范围的采空区充填物清除后采用C20混凝土换填;对与隧底间的距离大于3m的采空区范围采用φ76钢管桩注浆加固，如图2所示。钢花管交错布置：其中边墙基底范围内间距为0.6m，注浆材料采用水灰比0.6：1的纯水泥浆;仰拱范围内间距为1m，注浆材料采用1：1水泥砂浆。注浆压力1.0～1.2MPa，其具体注浆参数根据现场试验确定。钢管桩加固深度按嵌入采空区底板以下不小于1m控制。在穿越煤层采空区的整个过程中，基底注浆加固完成后均需钻孔取岩芯对注浆加固效果进行评判，不合格者应补注浆。

    若采空区未坍塌充填，将隧底以下0～3m范围的采空区采用C20混凝土换填;当采空区与隧底间的距离大于3m时，在隧底下方按间距1.5m布置φ200mm的钻孔，并采用钢管跟进，通过钻孔揭穿采煤巷道，然后经钢管向隧底采空区充填混凝土，为增加混凝土的自流性，提高填充效果，充填混凝土采用C15细石混凝土，并应填充至孔口。混凝土充填完成后，再对隧底采空区采用φ76钢管桩进行注浆加固（具体要求如前文所述）。混凝土回填+注浆加固处理方案如图3所示。

    6 结语

    采空区对隧道工程危害极大，隧道穿越采空区时将增加工程难度，施工风险和运营风险高，因此在选线时应尽量绕避。当确因铁路工程建设需要必须以隧道形式穿越时，应对可能遇到的采空区及其附近的地质条件进行全面勘察，并在设计中采取针对性的处理措施，施工中加强超地质预报、监控量测、瓦斯监测和施工通风，以实现安全施工，并确保隧道结构安全和列车运营安全。

    本文以某新建铁路隧道穿越煤层采空区为例，分析了采空区的危害，并对采空区处理的一般原则和措施进行了阐述。目前该隧道现场已按设计的处理措施成功通过小煤窑采空区影响段，并且监控量测数据显示隧道结构无异常。本工程对采空区成功处治的经验，可为今后其他类似的隧道工程提供借鉴和参考。

    参考文献：

    [1]TB 10003-2016.铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

    [2]张仲魁.兰渝铁路熊洞湾隧道煤矿采空区施工安全控制技术[J]. 现代隧道技术，2012，49（04）：133-139.

    [3]晏启祥，王璐石，段景川，耿萍.煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别[J].铁道标准设计，2013（03）：80-85.

    [4]孙洪硕.穿越既有采空区隧道施工控制技术[D].石家庄：石家庄铁道大学，2014.

    [5]姜绍祖，梁庆华.铁路隧道下伏煤矿采空区稳定性分析[J].煤炭技术，2018，37（01）：186-188.

    [6]李晓红，姜德义，刘春，任松.公路隧道穿越采空区治理技术研究[J].岩土力学，2005，26（06）：910-914.

    作者简介：范小龙（1988-），男，四川遂宁人，硕士研究生，工程师，主要从事地下工程与隧道工程设计工作。