大断面软岩隧道穿越采空区和矿区建筑物施工工艺研究

摘 要：结合敖包沟隧道穿越煤矿采空区和矿区建筑物的实例，讨论了大断面黄土隧道穿越采空区和矿区建筑物的总体施工方案和施工处理措施，在施工过程加强隧道监控量测、下穿建筑物地表沉降、爆破振动监测和地质超前预报，根据监测结果调整施工工艺，并提出了适于大断面黄土隧道工程穿越煤矿采空区和矿区建筑物的方法和建议。

关键词：隧道；采空区；下穿建筑物；处理措施；爆破振动

1 采空区概况及危害

1.1 采空区概况

敖包沟隧道起讫里程为D1K31+580～D1K34+760，全长3180m，为双线隧道，Ⅴ级围岩占68%，其余为IV围岩。地表覆盖第四系全新人工填筑土、上更新统风积砂质黄土，下伏侏罗系下统砂岩夹泥岩。

隧道在D1K32+330～D1K32+760段下穿中兴煤矿采空区，采空区底部距离隧道顶板约15～20m，该段隧道洞顶埋深约32～57m。采空区沉陷影响主要表现为地面裂缝，基本分布在D1K32+380～D1K32+460，按其分布情况可分为两组，裂缝断续相连，总体上呈弧形向下山方向展布，裂缝长30～80m，宽度10～100mm，断续延伸长度最大120m，错台10～30mm。

隧道在D1K34+592～D1K34+658段浅埋下穿敖家沟西梁煤矿一层变电所、一层大跨结构食堂和三层办公楼，洞顶覆土约20m，开挖爆破过程必须确保地面建筑物的安全。

1.2 采空区危害

敖包沟隧道主要为砂岩夹泥岩，全～弱风化，岩体较破碎，属弱膨胀岩，遇水具有一定的软化膨胀性，易崩解，这更易造成了隧道施工中的塌方与变形。隧道穿越采空区将打破目前脆弱的平衡关系，极有可能发生大的变形，从而对围岩和隧道的稳定构成严重威胁，足以使隧道产生裂缝，对拟建隧道产生大的危害。

2 穿越采空区的处理方案

2.1 设计方案的调整

为了降低该段施工的安全风险，减少工程量，降低采空区对隧道的影响，在设计上优化线路纵断面设计，使线路纵断面标高下降12m，采空区底部距离隧道顶板的距离由原来的2～5m增加至15～20m，洞顶埋深由原来的18～28m增加至32～57m，从而在隧道上方与采空区之间形成缓冲带，大大地降低了隧道穿越采空区的安全风险。

2.2 总体施工方案

采空区D1K32+330～D1K32+760段采用V级围岩复合式加强衬砌，初支采用I18型钢钢架，间距0.6米。在D1K34+300～D1K34+350斜上跨公沟煤矿采空区段拱部采用？准42超前小导管注浆加固，纵向每两榀钢架一环，靠采空区侧边墙和底板采用？准42小导管径向注浆加固地层。

下穿地表建筑物段，隧道拱部采用？准89超前大管棚注浆加固、衬砌加强，施工采用人工+小型机械或微震爆破技术的环形开挖预留核心土法开挖，加强洞内监控量测和超前地质预报，控制沉降、衬砌紧跟，以保证地面建筑物的使用和隧道施工安全。

2.3 现场施工的处理措施

2.3.1 开挖与支护：采用台阶法施工，全断面采用增加大放脚的I18型钢钢架，0.6m/榀，利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。拱脚位置增加大放脚，方法为在拱脚增加一块三角形钢板，并且把拱脚连接钢板加大，将三角钢板焊接在拱脚及连接钢板上，在大放脚位置打设？准42锁脚锚管，每根长4.0m，拱部采用？准22组合中空锚杆，梅花形布置，钻设系统锚杆。

2.3.2 超前支护：隧道拱部采用？准42超前小导管注浆加固，小导管长4.5m，五榀钢架设一环，环向间距40cm，外插角10～15度，搭接长度不小于1m，注浆压力0.5～1.0MPa，水泥浆浓度为1：1.25～1：0.8。

2.3.3 二次衬砌：待初期支护变形稳定后，整体浇筑拱墙衬砌。二衬采用45cm厚钢筋混凝土结构。

3 施工监测

针对隧道穿越煤矿采空区和矿区建筑物的风险点，施工中加强监控量测、地表建筑物沉降监测、爆破振动监测和地质超前预报，以监测数据指导施工，及时调整施工工艺，确保隧道施工安全。

3.1 下穿采空区监控量测

隧道地表沉降点埋设在隧道中心和两侧，洞内进行拱顶沉降和收敛变形的观测，施工中每5m布置一个监测断面。结合监控量测结果得出周围岩体和隧道结构稳定性的分析结论，对施工工艺提出指导意见，综合评定隧道的初支安全。根据量测结果分析，隧道变形呈如下特点：

（1）隧道拱顶沉降和水平收敛都呈先急后缓的变化曲线，并随时间推移，隧道变形逐步趋向稳定，拱顶沉降和水平收敛累计值都不超过50mm，施工过程中围岩稳定性良好。

（2）受到采空区的影响，距离采空区不同位置的监测断面其监测结果与无采空区段有明显差别，说明采空区在施工过程中是不可忽略的因素。

3.2 下穿地表建筑物监控量测

为加强对变电站、职工食堂、职工宿舍地面建筑物的保护，根据建筑物与隧道开挖断面之间的位置关系合理安排沉降监测点，保证建筑物的四角都布置沉降测点，测点位置如图1所示。

图1 地表建筑物基础沉降测点布置示意图

根据变形监测数据分析：（1）隧道在开挖后两周变形快速变化，在一月内基本趋于收敛的规律。（2）根据隧道变形与地表沉降随时间变化的规律，得出了隧道开挖横向沉降影响范围为20米。（3）根据对开挖过程中的基础沉降安全评估分析，隧道采用的施工措施能保证地表建筑物的安全。

3.3 爆破振动监测

为及时调整隧道施工中的爆破参数，确保隧道成功穿越高风险地段，在敖包沟隧道下穿建筑物施工过程中，对爆破引起的振动进行跟踪监测。

通过对敖包沟隧道下穿地表建筑物爆破测试研究，从振动波形时域、振动速度、功率谱等三个方面分析了隧道下穿建筑物施工时爆破振动的规律，并通过现场数据的拟合，取得了敖包沟隧道下穿建筑物爆破振动预测公式。根据爆破振动预测公式及《爆破安全规程》对建筑物安全的规定，提出了在23m埋深条件下最大段药量不能超过5.4kg的限值。在施工过程降低爆破振动的措施，主要有爆破源和爆破传播途径控制两种方法。

4 结束语

目前敖包沟隧道已顺利贯通，下穿煤矿采空区和矿区建筑物的整个施工过程安全可控，通过本工程的实践，总结几点为同类施工条件的隧道提供借鉴及参考。

（1）隧道穿越采空区地段处理措施，除了依据现场实际的地形特征调整设计方案外，更主要的是在现场施工工序工艺的调整与完善。首先缩短初支拱架的间距，增加预留变形量，减小可能由于采空区对隧道产生变形的影响；其次在隧道拱部采用小导管注浆进行超前支护加固，降低由于采空区岩体中的裂缝和裂隙带来塌方的风险。

（2）在施工中加强隧道监控量测、地表建筑物沉降监测、爆破振动监测和地质超前预报，以监测数据指导施工，及时调整优化施工工艺，确保隧道施工安全。