隧道穿越采空区的稳定性探究

隧道穿越采空区的稳定性探究

杨继才

四川公路桥梁建设集团有限公司四川成都610000

摘要：隧道施工时，最危险的地方就是在踩空区的穿越部分。在这部分进行施工的过程中，由于采空区的壁岩十分薄弱甚至是整个隧道最脆弱的一部分，这就导致开挖过程中可能会引起洞顶坍塌等类似的地质灾害，这对施工的工作人员来说，有着极大的安全隐患，可能会带来生命危险。本文以目前比较普遍的铁路、公路专线隧道施工为出发点，研究在隧道穿越采空区处的稳定性问题，对原有的一些技术型处治措施进行数据上的探讨，让隧道施工项目能够在安全和质量两个方面都达到国家标准。在此基础上，力争使施工工期加快，人力资源和物质资源得到最大化利用，节约成本，让整个工程项目的经济效益得到最大幅度的提高，为今后其他相关的隧道设计提供一个可行的参考思路。

关键词：采空区；隧道；稳定性研究

0引言

随着人们的出行越来越广泛，公路等级的提高提上议程，而公路建设中所占比例较大的一部分就是隧道的开通。而中国自古以来就有很多形式的采矿活动，长久的无规划和计量式的私自采矿使得地质被严重破坏，留下了很多采空区。这些采空区大小不一，但都无可避免地给后面隧道的开发留下了隐患。采空区深埋于地下，不能引人注意，上面存在的较厚的覆盖层往往让开发人员忽略了下埋的采空区，导致施工计划中没有考虑到这一因素。

而隧道施工本身即为一个变数很多，危险性较大的施工项目。由于受到隧道内部采空区的影响，在隧道施工过程中，还会伴随着有像隧道突水和瓦斯突出等对施工工人的人身安全造成危害的地质灾害，这给隧道的施工建设会带来很大的难度，也使得克服采空区的薄弱部位成为整个隧道施工的重中之重和难点。现在从实际出发，以峨汉高速2-14分部建全村隧道为例，对隧道穿越采空区的稳定性进行研究，以具体的参数数据为依据，得到一个普遍可接受的研究成果。

1采空区探测

1.1工程概况

峨汉高速2-14分部建全村隧道整条高速公路施工难度最大的隧道之一。该址区内存在数条断层，地质复杂，岩性主要为炭质页岩，设计将该隧道定义为瓦斯隧道。隧道岩体完整性差，呈极破碎状。另外，根据我们从当地的地质检测部门收集而来的数据及资料可以看出，这条隧道位于当地煤矿来源地的山头上，同时在施工过程中，我们也发现多条采煤巷道，这也就意味着这座山头曾广泛地开采过煤矿。从地质检测报告来看，这是一座含有煤层的山体，其中，煤矿含量丰富，岩体中软弱或者软弱，并且施工过程中曾经挖出过腐烂的矿柱，由此可以推测出采矿的方式应为房柱采矿法。这是一种留下矿柱来支撑整个采矿区，保证采空区能够有足够的强度来供给采矿区开发，不会在开采过程中发生坍塌事故。同时，从当地政府部门了解到，这些采矿区因为没有相关部门给的计划标准，所以采空区的结构不是很稳定，形状也是不规则的。由于地质条件的复杂性，需要在工具的帮助下对采空区进行探测。根据公路设计部门提供的地勘资料可在设计图上标定简单的采空区位置，但是大小不能十分精确，标定的结果跟实际情况有误差，还要根据探测结果才可确定。

1.2雷达探测

（1）探测的依据

从地理位置来看，这个隧道是位于比较干旱的地区。而采空区的填充物则主要为气体，这些气体被采空区残留的岩石介质所包围，物理性质和化学稳定性有着明显的差异，这种差异会形成一种电性分界面，是雷达工具进行采空区探测的理论基础之一，有助于精准定位，根据电性分界面的分析可以进一步研究，从而得到关于采空区的具体情况，例如其深度、范围等参数。从物理学中的雷达探测知识可知，雷达反应的采空区的图像是通过电性分界面强反射得到的，是一幅剖面图。反射的光波幅度很大，频率很高，波形较细密，这些光波经常被采空区的侧面岩石壁面所包围，形成弧形绕射现象。而在采空区中，单道的雷达波形处于大幅度震荡的状态，并且震荡持续的距离较长，这是电磁波在空气中传播的结果。

（2）探测的结果

因为探地雷达的工作过程简单，同时检测结果精准，结合事前收集的关于该山头的地质资料，在这次的隧道探测中，使用了SIR20探地雷达探测仪，这是一款由美国GSSI公司主导研发的探地雷达，在探测领域有着很广泛的应用，其基本工作原理如下图1-1所示。探测方式是采用点测和线测结合的方式，有利于全面深入的检测，同时不漏掉部分狭窄区域。掌子面前方的约35m范围的围岩情况是可以清晰地在雷达的3D显示屏上被观测出的，所以如果这个范围内存在着采空区，那么相应的雷达剖面图上就会有反射波的幅度的变化，与此同时，反射波组的图像的横向距离也会跟着采空区的变化呈现出不同的长度。根据实际检测结果来看，在图像的K119+630～K119+634处是有着采空区的，其处在原采矿区的拱顶位置，而这个部位所遗留的运输巷道是十分狭窄的，规模相对来说比一般的采空区要小，所以不是很空旷，结构也比较稳定，可以采用常规的填充和封闭处理方法。但是对位于ZK119+676位置的采空区来说，就要采用比较特殊的处理方法了，因为它的规模较大，为了应对不同的工程要求，在采空区的形状、地质条件等方面要充分考虑，同时不可以忽略其位置、大小和施工技术等其他因素，尽可能地达到在保证质量的条件下，符合技术行为，满足原有的施工计划进度，在此基础上，最大限度的减少经济上的支出，让价值达到最大化。

图1工作原理

2采空区的稳定性处理

煤矿采空区的存在会使隧道结构的稳定性大大降低，针对这个因素，在选择隧道路线，对于采空区的处理时，要根据不同的施工条件及验收标准制定不同的应对采空区问题的措施方案，对隧道进行不同特殊的防护设计，保证隧道能够正常施工及后续的应用。

2.1采空区处理的一般方法

矿山生产过程中，采空区往往成为危险的源头，造成矿山顶板大面积冒落，同时遗留的采空区被厚重附着物掩盖之后，会给隧道的施工带来困难和危险，所以采空区的处理是亟需解决的问题，现如今常用的一些处理方法如下所示：

（1）矿柱支撑法：采空区内如果留有矿柱，就能够支撑起整个采空区，防止坍陷，就像一个房屋有了房梁一样，但是随着时间增加，原有的矿洞内残余的矿柱会因为腐蚀和风化等作用被破坏，其材料不能经受长时间的物质掩埋，所以为了保证采空区的长久坚固，稳定存在，可以采用人工构筑的石柱来代替矿柱支撑采空区，选用石柱材料也应考虑侵蚀、剥蚀、片帮等化学反应。

（2）填充法：填充法是不断运行的流程法，用车辆将选用的废石或湿式等填充材料运进需要填充的采空区内，从而消除采空区，注意一定要密实填充，不能留有较多空隙，防止局部坍陷，如果地势条件不允许车辆行进，那么采用管道运输也是允许的，但是需要合理设计管道运输路线，保证经济效益。

（3）封闭和隔离空区：采空区对于人们施工来说是需要尽量避免的，如果不能合理利用其空间，只能采取隔离法。封闭存在于采空区内的巷道，使得原本与外界空气连通的部分彻底封闭，同时设置隔离层，保证空区和作业层隔离开来，两层面互不干扰。为了安全起见，防止因密封过度使得两向内外压强不等，可以在空区上部开一个小小的天窗，保证内外压强相等，让多余的冲击气浪从此窗中溢出，维持平衡。

（4）崩落法：如果所修建的隧道对地表坍陷的情况有一定的容忍度，那么为了节省各项资源，可采用最原始的办法----崩落法来处理采空区。

2.2采取矿柱支撑法

在以上所提及的四种方法中，对于隧道稳定性的处理最广泛也是最有效的即为矿柱法，这种方法的实施比较复杂，但也有明确的方法步骤及需要确定的参数指标。

（1）矿柱宽度

矿柱的选取对隧道的稳定性有着很大影响，跟矿柱的高度是有着紧密联系的，但这并不代表一定要选择宽度大的矿柱，要根据采空区的面积大小来确定，有时候，宽度较小的矩形矿柱反而能够更加稳定地支撑采空区。根据力学上的应力概念，矿柱宽度有着一个临界值，低于或者高于这个临界值都会使得应力产生叠加效应，反而让矿体的采空区不稳定。当宽度适宜时，可以转移掉多余的应力，形成应力降低区。这对生产工艺的要求十分高，如果生产宽度过小，会使生产机器的高效率浪费，资源不能得到很好利用。所以在确定矿柱的宽度时，要综合多方面的考虑因素，既要保证基本的稳定性，也要在可控的情况下，尽量合理设计，节省能源支出。

（2）矿柱尺寸的确定

矿柱的组成不是单一不变的，相反它由几个不同的层次构成，各层采用不同的原料来融合，总共可分为三段，由1、2号矿层和一个夹层组成，由上至下其组成顺序依次为：砖红色泥质泥晶白云岩，这是一号矿层的原材料，其矿层平均厚度为1.97米，夹层平均厚度为2.3米，而2号膏层的平均厚度比前面要厚，一般为5.3米左右。膏底板采用紫红色泥质泥晶白云岩为原料，且膏岩层的平均倾角为：25°。

3结束语

以实际某地区的客运路线为着力点，从隧道的稳定性出发，研究隧道穿越的采空区问题，将具体施工过程中用雷达监控得出的数据信息充分利用分析，并与理论情况对比，得到可行设计方案，该体系对类似工程的设计和施工具有参考意义。

参考文献:

[1]黄磊，卢义玉，粟登峰，等.公路隧道穿越急倾斜采空区的治理技术[J].公路交通科技，2012，29（11）：8085.

[2]汪波，何川，吴德兴.深埋特长公路隧道三维初始应力场的回归分析[J].公路交通科技，2010，27（12）：112117.

[3]张高青.大运公路介休至霍州段灵石隧道采空区处理技术研究[D].西安：长安大学，2010.