高速铁路隧道穿越采空区处治措施探讨

李济良，吴 华，胡迪川，陈柯霖，罗栋林

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

截至2020年年底，我国投入运营的高速铁路隧道总长约6 003 km[1]。在隧道工程日益增多的情况下，隧道工程面临的地质条件也更加复杂，煤层采空区可视为一种不良地质区域，在线路难以绕避该区域时[2]，穿越采空区会对工程施工及后期运营造成较大影响，故采空区处治问题成为近年来隧道工程人员关注的主要问题之一。

隧道工程穿越采空区主要有3种形式，不同形式对采空区的工程危害各不相同，具体如下：

(1) 下穿采空区，即隧道位于采空区以下，拱顶距采空区底板存在一定的距离。由于采空区存在冒落带，带内分布塌落、破碎的岩块以及未完全填充的空洞，围岩自稳能力较差。当隧道拱顶与冒落带距离较近时，会增加初支与二衬的垂直压力，加大施工期间的冒顶与运营期间的结构变形风险；当拱顶与冒落带距离较远时，拱顶上方较厚的围岩会形成压力拱，可抵抗采空区的塌落与变形，可认为隧道不受采空区的影响[3]。

(2) 正穿采空区，即隧道穿越采空区的冒落带或裂隙带。带内岩体裂隙极为发育且破碎，岩体强度低，围岩自稳能力差，易造成施工期间的塌方与大变形。同时，带内导水性较好，存在老窑积水问题，隧道施工易发生涌水突泥，进而危及施工安全[4]。

(3) 上跨采空区，即隧道穿越采空区的裂隙带或弯曲带。带内岩层由下而上发生长时间的变形、下沉或其他移动，严重时波及地表，形成移动盆地。处于移动盆地内的隧道在运营期间受到岩层不均匀沉降的影响，容易发生衬砌开裂、变形等病害[5]，影响隧道运营安全。

1 采空区处治措施

针对穿越采空区的隧道，应根据采空区的类型、规模、稳定性及其与隧道的空间相互关系，选择穿越采空区的相应处治措施。由于地质条件的复杂性、开采方式的多样性以及勘测过程中收集资料的局限性等因素影响，勘测阶段通过地表物探、钻探、推测等手段得出的采空区地勘资料与工程实际相比可能出现较大差异。施工中应根据施工流程，采用物探、钻探及洞周探测相结合的综合超前地质预报手段，进一步查明采空区的具体分布、规模以及采空区的充填、充水情况，采取与之相适应的处治措施。

1.1 下穿采空区

首先根据隧道拱顶与采空区底板的距离，确定采空区对隧道工程的影响程度。朱勇[6]认为采空区距隧道拱顶以上距离大于深埋隧道的垂直松弛压力高度值时,可考虑采空区对隧道无影响, 隧道可采取正常的工程措施下穿采空区。对于高速铁路双线合修隧道的断面，根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)的附录D，可计算出其高度值约为15 m。

《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03—2011)[7]中，规定拱顶距离采空区底板大于3倍洞径时，经评判采空区对围岩稳定性无影响可不进行处理。对于高速铁路双线合修隧道的断面，可计算出该距离约为20 m。

隧道下穿采空区的处治措施流程如图1所示。

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图1 隧道下穿采空区的处治措施流程

经比较，本研究取3倍洞径以确定采空区的影响范围。距离位于3倍洞径范围以内的围岩松弛变形较为严重，容易产生冒顶破坏，应加强超前支护与衬砌结构，并对围岩进行注浆加固以改善围岩性质；距离1倍洞径范围以内的围岩冒顶风险极高，同时极易发生拱顶的涌水突泥问题，故在加强超前支护并注浆改善围岩的同时，还应考虑泄水等处治措施。

1.2 正穿采空区

采空区位于隧道洞身开挖轮廓范围内，隧道开挖可揭示采空区的顶板或底板，应根据所揭示的采空区与隧道结构的空间位置关系，采取相应的处治措施。开挖前应加强超前支护，采用超前周边注浆或超前帷幕注浆，对富水型采空区还应采用钻孔排水等措施，确保施工安全后方可进行开挖并揭示采空区。

当所揭示的采空区位于隧道拱部时，在隧道拱部施作混凝土护拱，护拱与隧道初期支护间加大预留变形量，并将加强支护的格栅钢架打入护拱内，有条件时应在护拱上设中粗砂缓冲层。

当采空区位于隧道边墙时，在隧道衬砌边墙侧施作一定厚度的浆砌片石护墙；护墙外侧存在空洞且有作业条件时，应采用土石回填。

当采空区位于隧道仰拱时，在仰拱开挖后清除隧底采空区填充物，并采用混凝土回填，基础嵌入底板以下基岩内。隧道正穿采空区的处治措施流程如图2所示。

图2 隧道正穿采空区的处治措施流程

1.3 上跨采空区

当隧道上跨采空区时，应探明采空区的具体位置、巷道分布，以及空洞的形态、充填情况等信息，还应分析采空区的移动盆地影响范围，以确定采空区的处治段落与处治措施。采空区处治方法可大致总结为注浆法、回填法与穿越(跨越)法。

注浆法是对裂隙带内破碎的围岩及冒落带内垮落松散的岩石进行注浆加固，并对冒落带内的局部小型空洞进行注浆或混凝土填充，以增强隧底的围岩稳定性，减少不均匀沉降。钻孔应钻至采空区的底板以下或移动盆地边界线以下，以保证注浆加固效果。但空洞或巷道连通性较好的采空区，浆液流失较快，注浆量与加固效果难以把控，故注浆法通常作为辅助措施，配合回填法或穿越法使用。

回填法主要适用于坍塌规模较小且具备人工进入作业条件的采空区，其原理是对影响隧道基础稳定性的巷道和空洞采用浆砌片石或混凝土回填充满，以防止裂隙带与弯曲带继续沉降变形。巷道和空洞位于隧道基底以下5 m范围内时，可直接开挖进行揭示后再回填；位于5 m范围外时，当具备良好的通风、人工安全作业及材料运输条件时，工作人员可在确保安全的情况下由采空区的巷道进入作业，或在隧道开挖后实施隧底人工挖井至回填段作业。

穿越法是指隧道采用桩板的结构形式穿越或跨越采空区，钻孔灌注桩的桩身穿过采空区与移动盆地边界，桩底位于稳定的基岩内。其原理是采用动静分离的理念，防止隧道基础随着采空区的变形发生不均匀沉降。为进一步保证桩基的稳定性，应同时对隧底以下采空区进行注浆处理。隧道上跨采空区的处治措施流程如图3所示。

图3 隧道上跨采空区的处治措施流程

1.4 其他措施

为保证隧道运营安全，应适当加大穿越采空区隧道的预留变形量，并预留一定的衬砌补强空间。为减少采空区不均匀沉降对隧道的影响，应加密设置沉降缝。

采空区地段一般赋存瓦斯，部分采空区存在瓦斯突出风险，施工期间还应加强瓦斯探测、监测与现场通风，尤其是对采空区进行人工作业回填时，应严格按照《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2019)的相关要求组织施工与管理，确保施工安全。

2 某高速铁路隧道穿越采空区的处治措施

2.1 工程概况

川南城际铁路自贡至宜宾段设计时速为350 km/h，线路全长约为75 km，其中共有10座隧道(总长约为10 km)，均采用双线合修。线路中位于宜宾市郊的某隧道，全长约为1.7 km，受出口车站位置的限制，洞身难以绕避该处的采空区。隧道洞身穿越的主要岩层为三叠系上统须家河组砂岩，局部夹泥岩、煤层及煤线，该隧道为微瓦斯隧道。

隧道所处采空区为20世纪50年代底投入使用的煤场开采而成，该煤场于20世纪80年代关闭。所处煤层为陡倾煤层，最大开采深度位于隧底以下约28 m。采空区由隧底以下28 m倾斜向上延伸至隧道顶部，洞身主要穿越冒落带与裂隙带。洞身穿越采空区段落总长约为250 m，但洞身有420 m位于地表移动盆地影响范围内，采空区对隧道工程影响较大，隧道穿越采空区的纵断面示意如图4所示。

图4 隧道穿越采空区的纵断面示意(单位：m)

2.2 处治措施

由于该隧道所穿越的采空区背景年代久远，受勘察资料有限等因素影响，主要根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)的要求，对采空区处治措施按预设推进。施工期间加强超前地质预报，进一步探测采空区的具体情况，在隧道开挖后应对隧底进行物探和钻探，摸清隧底采空区的深度及范围。根据探测到的采空区与隧道平面、空间位置关系以及采空区充填情况等，优化调整处治措施：

(1) 对穿越采空区并位于移动盆地影响范围内的420 m隧道，采用加强型钢筋混凝土衬砌并考虑30 cm的补强空间，设置工字22型钢钢架，同时采用Φ76钢管桩进行隧底注浆加固与填充。对采空区范围内位于隧道拱部及洞身的段落采用中管棚超前支护，其余段落采用小导管超前支护。为进一步确保隧道运营安全并减少不均匀沉降的影响，移动盆地影响范围内的隧道按间距10 m设置变形缝。

(2) 该隧道洞身正穿采空区的段落已发生局部坍塌，且含有老窑积水。开挖前进行超前周边注浆，在确保施工安全后进行开挖并揭示采空区。当揭示的采空区位于隧道拱部时，在隧道拱部施作1 m 厚的C20混凝土回填，并将初支钢架埋入回填体内，有条件时在回填体上设中粗砂缓冲层，厚度为2 m。采空区位于隧道拱部时的工程处治措施示意如图5所示。

图5 采空区位于隧道拱部时的工程处治措施示意

当揭示的采空区位于隧道边墙时，在隧道衬砌边墙侧施作厚度为3 m的M10浆砌片石护墙。护墙外侧存在空洞且有作业条件时，应采用土石回填，回填厚度不小于3 m。当揭示的采空区位于隧道仰拱时，在仰拱开挖后清除隧底采空区的填充物，并采用C20混凝土回填，基础嵌入底板以下基岩不小于50 cm。采空区位于隧道边墙与仰拱时的工程处治措施示意如图6所示。

图6 采空区位于隧道边墙与仰拱时的工程处治措施示意

(3) 部分采空区位于隧道洞身以下约28 m，采空区坍塌变形严重，工作人员难以进入并进行回填，故对影响段的110 m隧道采用桩板结构跨越采空区。隧道开挖施作初期支护后，先进行隧底注浆，然后施作基底灌注桩，桩身伸入采煤巷道底板以下不小于 3 m，最后施作筏板与底板型衬砌。采空区位于隧底以下的工程处治措施示意如图7所示。

图7 采空区位于隧底以下的工程处治措施示意

(4) 该隧道为微瓦斯隧道，施工期间严格按照微瓦斯隧道处治标准进行施工作业与管理，对施工中探测到的平均厚度大于0.3 m的煤层，应开展突出危险预探测，确保无突出危险时再进行开挖。施工完成后应对隧道穿越采空区地段的隧底结构进行变形监测，及时整理、汇总和分析相关资料，确保隧道运营安全。

2.3 处治效果

该隧道目前已完全穿越采空区影响地段，现场揭示的采空区情况与原设计内容基本相符。按研究出的处治措施对采空区进行处治，并对隧道的拱顶下沉、净空变化等内容进行长期监测。采空区段落隧道监控量测数据曲线如图8所示。监测数据表明，在对采空区处治后，隧道变形迅速收敛，处治效果较好。

图8 采空区段落隧道监控量测数据曲线

3 结语

对高速铁路隧道穿越采空区时的处治要点进行总结，得出以下结论：

(1) 隧道下穿采空区时，应根据拱顶与采空区底板的距离进行采空区危害评价，并采用加强超前支护、加强衬砌结构的处治措施。

(2) 隧道正穿采空区时，在加强支护的基础上，必要时还应进行超前注浆以防老窑突水等问题。

(3) 隧道上跨采空区时，应加强整个采空区移动盆地影响范围内的基础处理，基地注浆、设桩跨越等均为较有效的处治方式。

(4) 由于采空区的移动是一个极为缓慢且持续时间较长的过程，故在施工完成后应加强穿越采空区地段的隧道基础沉降和变形监测，必要时采用补强处治措施。