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摘要：本文介绍了山西省某高速公路隧道采空区治理方法，结合地勘资料对采空区的稳定性进行了评价， 对采空区治理范围、注浆孔设计、浆液配合比、施工工艺以及工程质量检测作了说明，以期对似隧道采空区治理工程提供参考。
关键词：隧道采空区、治理、全充填压力注浆法
拟建项目为山西省西部某市环城高速公路，路线走向自北向南，全长22公里左右，设计行车速度80km/h，设置上下行分离式双洞隧道。其中煤矿采空区主要分布于起点至7.5公里路段。由于该地区煤层自北而南向下倾斜，起点区域煤层埋置深度较小，采空区分布广泛，对本项目影响较大。其采空区分布区域设置隧道一座，长608米，本文将对该隧道采空区治理方案进行研究。
1 隧道采空区区域地质概况
隧址区域属山西省中东部黄土高原东缘太行山区，暖温带大陆性季风气候区，项目区赋存地层由老到新依次为石炭系、二叠系及新生界第四纪。其中，石炭系地层主要由泥岩、砂岩、灰色页岩、粉砂岩、石灰岩及7—10层煤组成；二叠系地层主要由中细粒碎屑岩、泥质岩组成。
隧道区域煤矿批采5、6、8、9和15煤层，主采8、9和15煤，为斜井开拓，长壁式采煤，使用金属摩擦支柱配铰接顶梁支护顶板，采空区顶板管理为自然垮落法。目前矿区内9和15号煤层已基本采空。线路呈北东-南西向横穿矿区，9和15号煤层采空区对线路都有影响。9号煤层平均厚2m，矿井回采率为15%；15号煤层平均厚6m，平均埋深198m，矿井回采率约30%。剩余孔隙率约为30%，影响高速公路的长度为776m。目前地表未发现塌陷坑等地面变形迹象。
采空区覆岩结构主要由三组单元组成：二叠系下统下石盒子组砂岩、泥岩、砂质泥岩；石炭系上统山西组黑色砂质泥岩、泥岩、灰白色中－粗粒砂岩；石炭系上统太原组深灰—灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，灰色粗、中、细粒砂岩。
2 采空区冒落裂隙带估算与稳定性评价
根据《矿山开采深陷学》中的理论，采出厚度与塌陷冒落带及裂隙变形带之间有如下关系：
实践中一般用下式估算冒落带高度：
式中：h—冒落带高度；
m—采出煤层厚度；
a—煤层倾角；
冒落带、塌陷带和裂隙带合称三带，三带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的三带高度为采出厚度的9～12倍，中硬岩石为采出厚度的12～15倍。
计算结果：
煤层开采厚度为6m时的采空区冒落带高度： =24.24m
煤层开采厚度为1.36m时的采空区冒落带高度： =5.49m
勘察区的采空区主要为9#和15#煤层单层或双层采空区，采空区覆岩为石炭系上统太原组、山西组和二叠系下统下石盒子组全～中風化泥岩夹薄层砂岩及石灰岩，覆岩总体属于软弱岩石类，采空区埋深35～231m，最大累计采厚约7.5m，采深采厚比为5.83～33.0,最大冒落高度约30.3，冒落裂隙带高度最大约90m。采空区欠稳定～不稳定，采空区对路线影响较重～严重。
3 采空区治理
3.1设计方案
本项目隧道采空区治理拟采用全充填压力注浆法，即在地表钻孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，保证隧道结构的稳定。
3.2采空区治理范围的确定
采空区治理长度以采空塌陷区沿路线延伸方向分布长度为准，即L=路线延伸方向空洞长度，单位：米。
治理宽度为路基范围内向两侧按68°（岩性不同，其值有所变化）的岩层应力扩散角考虑所确定的宽度，即
B=D＋2d＋2Hctgβ。
式中：B—为治理宽度，单位：米。
D—公路路基底面宽度（m）；
d—路基维护带一侧的宽度（m）（一般取10m，桥梁取20m）。
H—为路限坡口或坡脚至采空区底板的垂直距离，单位：米。
β—为采空区覆岩应力扩散角，β=68°。
经计算，隧道范围内采空区治理宽度为235m。
3.3 注浆孔设计
沿路线轴线布置1排，孔距15m，采空区左右两侧治理边界各布设1排帷幕孔，孔距为20m，其余注浆孔排距20～35m，孔距25m。
注浆孔的设计深度为地面至15号煤层或采空区底板以下0.5m（能确认层位即可）的深度，注浆孔的注浆长度为采空区最上部完整基岩顶面以下5m至15号煤层或采空区底板，孔口管长度为地表之上1m至完整基岩5m处的深度。
3.4 浆液配合比设计
根据以往经验和当地材料供应情况，确定注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1:1.0～1:1.4。一般路基段水泥占固相的15%，粉煤灰占固相的85%；在桥梁、隧道段水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%。这种浆液配合比已经考虑了受采空区充水影响的情况。
帷幕孔需根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加一定量的速凝剂（水泥重量的2%），使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。
3.5 注浆工艺设计
本项目施工工艺流程如下：
1）定点
注浆孔应用经纬仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置0.5m。
2）成孔工艺
钻孔均在地表施工。
① 用φ127mm钻头开孔，钻至完整基岩6m后，下入φ114mm套管或焊管护壁，然后变径为φ91mm。在第四系卵、砾石层的钻探过程中采用跟管钻进。
② 用φ89mm钻头，钻至煤层采空区中的塌陷冒落带或煤层底板以下1m。
3）注浆工艺
① 施工顺序：按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及构造物工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高、由边部向中心展开施工，钻孔分二序次进行。
② 注浆
注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。
注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石屑带入孔内，或在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂。
③ 单孔注浆结束标准
在灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，根据结构物类型和采空区特征，孔口压力在1.0～3.0MPa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。
3.6工程质量检测
1）变形观测
应建立完整、持续、稳定的观测网，以便于积累资料，控制和评价处治效果。按《工程测量规范》（GB50026—2007）及相关技术要求，在不受采空区影响的稳定区域内选埋基准点；在采空区分两种情况布设观测点，建立观测网。
①处于路基工程范围内，在地表设观测点，沿路线中线每隔100m布设一个横断，每个横断设5个观测点，分别位于中线和两侧各12.5m、30m处。
②处于桥梁工程范围内，纵向沿轴线按墩台中心布设；横向以墩台为中心，向两侧间隔依次为15m、30m、50m布设，共设7个观测点。
2）施工结束后处治效果检测
采空区处治结束6个月后，依据工程类型及重要程度，隧道工程采用钻孔取芯、孔内波速测井、孔内电视摄像、注浆检测、地表变形观测等手段进行检测。浆液的结石体抗压强度，对于隧道下伏采空区的注浆浆液结石体抗压强度不小于1.8MPa。公路主体工程（路基、隧道与桥梁）应在采空区处治施工后，经检测认为施工质量满足要求后方可开工。
4. 结语
采空区对隧道结构安全影响较大，设计施工均应谨慎以保证安全。采空区治理属隐蔽工程，勘察工作的准确性决定着采空区治理的效果，应采取多种手段综合调查。治理过程中应加强现场监理工作，准确计量充填骨料数量及注浆数量，验证勘察成果。治理完成后还应重视治理质量的检测，待达到要求后方可进行隧道施工。
关键词：隧道采空区、治理、全充填压力注浆法
拟建项目为山西省西部某市环城高速公路，路线走向自北向南，全长22公里左右，设计行车速度80km/h，设置上下行分离式双洞隧道。其中煤矿采空区主要分布于起点至7.5公里路段。由于该地区煤层自北而南向下倾斜，起点区域煤层埋置深度较小，采空区分布广泛，对本项目影响较大。其采空区分布区域设置隧道一座，长608米，本文将对该隧道采空区治理方案进行研究。
1 隧道采空区区域地质概况
隧址区域属山西省中东部黄土高原东缘太行山区，暖温带大陆性季风气候区，项目区赋存地层由老到新依次为石炭系、二叠系及新生界第四纪。其中，石炭系地层主要由泥岩、砂岩、灰色页岩、粉砂岩、石灰岩及7—10层煤组成；二叠系地层主要由中细粒碎屑岩、泥质岩组成。
隧道区域煤矿批采5、6、8、9和15煤层，主采8、9和15煤，为斜井开拓，长壁式采煤，使用金属摩擦支柱配铰接顶梁支护顶板，采空区顶板管理为自然垮落法。目前矿区内9和15号煤层已基本采空。线路呈北东-南西向横穿矿区，9和15号煤层采空区对线路都有影响。9号煤层平均厚2m，矿井回采率为15%；15号煤层平均厚6m，平均埋深198m，矿井回采率约30%。剩余孔隙率约为30%，影响高速公路的长度为776m。目前地表未发现塌陷坑等地面变形迹象。
采空区覆岩结构主要由三组单元组成：二叠系下统下石盒子组砂岩、泥岩、砂质泥岩；石炭系上统山西组黑色砂质泥岩、泥岩、灰白色中－粗粒砂岩；石炭系上统太原组深灰—灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，灰色粗、中、细粒砂岩。
2 采空区冒落裂隙带估算与稳定性评价
根据《矿山开采深陷学》中的理论，采出厚度与塌陷冒落带及裂隙变形带之间有如下关系：
实践中一般用下式估算冒落带高度：
式中：h—冒落带高度；
m—采出煤层厚度；
a—煤层倾角；
冒落带、塌陷带和裂隙带合称三带，三带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的三带高度为采出厚度的9～12倍，中硬岩石为采出厚度的12～15倍。
计算结果：
煤层开采厚度为6m时的采空区冒落带高度： =24.24m
煤层开采厚度为1.36m时的采空区冒落带高度： =5.49m
勘察区的采空区主要为9#和15#煤层单层或双层采空区，采空区覆岩为石炭系上统太原组、山西组和二叠系下统下石盒子组全～中風化泥岩夹薄层砂岩及石灰岩，覆岩总体属于软弱岩石类，采空区埋深35～231m，最大累计采厚约7.5m，采深采厚比为5.83～33.0,最大冒落高度约30.3，冒落裂隙带高度最大约90m。采空区欠稳定～不稳定，采空区对路线影响较重～严重。
3 采空区治理
3.1设计方案
本项目隧道采空区治理拟采用全充填压力注浆法，即在地表钻孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，保证隧道结构的稳定。
3.2采空区治理范围的确定
采空区治理长度以采空塌陷区沿路线延伸方向分布长度为准，即L=路线延伸方向空洞长度，单位：米。
治理宽度为路基范围内向两侧按68°（岩性不同，其值有所变化）的岩层应力扩散角考虑所确定的宽度，即
B=D＋2d＋2Hctgβ。
式中：B—为治理宽度，单位：米。
D—公路路基底面宽度（m）；
d—路基维护带一侧的宽度（m）（一般取10m，桥梁取20m）。
H—为路限坡口或坡脚至采空区底板的垂直距离，单位：米。
β—为采空区覆岩应力扩散角，β=68°。
经计算，隧道范围内采空区治理宽度为235m。
3.3 注浆孔设计
沿路线轴线布置1排，孔距15m，采空区左右两侧治理边界各布设1排帷幕孔，孔距为20m，其余注浆孔排距20～35m，孔距25m。
注浆孔的设计深度为地面至15号煤层或采空区底板以下0.5m（能确认层位即可）的深度，注浆孔的注浆长度为采空区最上部完整基岩顶面以下5m至15号煤层或采空区底板，孔口管长度为地表之上1m至完整基岩5m处的深度。
3.4 浆液配合比设计
根据以往经验和当地材料供应情况，确定注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1:1.0～1:1.4。一般路基段水泥占固相的15%，粉煤灰占固相的85%；在桥梁、隧道段水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%。这种浆液配合比已经考虑了受采空区充水影响的情况。
帷幕孔需根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加一定量的速凝剂（水泥重量的2%），使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。
3.5 注浆工艺设计
本项目施工工艺流程如下：
1）定点
注浆孔应用经纬仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置0.5m。
2）成孔工艺
钻孔均在地表施工。
① 用φ127mm钻头开孔，钻至完整基岩6m后，下入φ114mm套管或焊管护壁，然后变径为φ91mm。在第四系卵、砾石层的钻探过程中采用跟管钻进。
② 用φ89mm钻头，钻至煤层采空区中的塌陷冒落带或煤层底板以下1m。
3）注浆工艺
① 施工顺序：按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及构造物工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高、由边部向中心展开施工，钻孔分二序次进行。
② 注浆
注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。
注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石屑带入孔内，或在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂。
③ 单孔注浆结束标准
在灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，根据结构物类型和采空区特征，孔口压力在1.0～3.0MPa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。
3.6工程质量检测
1）变形观测
应建立完整、持续、稳定的观测网，以便于积累资料，控制和评价处治效果。按《工程测量规范》（GB50026—2007）及相关技术要求，在不受采空区影响的稳定区域内选埋基准点；在采空区分两种情况布设观测点，建立观测网。
①处于路基工程范围内，在地表设观测点，沿路线中线每隔100m布设一个横断，每个横断设5个观测点，分别位于中线和两侧各12.5m、30m处。
②处于桥梁工程范围内，纵向沿轴线按墩台中心布设；横向以墩台为中心，向两侧间隔依次为15m、30m、50m布设，共设7个观测点。
2）施工结束后处治效果检测
采空区处治结束6个月后，依据工程类型及重要程度，隧道工程采用钻孔取芯、孔内波速测井、孔内电视摄像、注浆检测、地表变形观测等手段进行检测。浆液的结石体抗压强度，对于隧道下伏采空区的注浆浆液结石体抗压强度不小于1.8MPa。公路主体工程（路基、隧道与桥梁）应在采空区处治施工后，经检测认为施工质量满足要求后方可开工。
4. 结语
采空区对隧道结构安全影响较大，设计施工均应谨慎以保证安全。采空区治理属隐蔽工程，勘察工作的准确性决定着采空区治理的效果，应采取多种手段综合调查。治理过程中应加强现场监理工作，准确计量充填骨料数量及注浆数量，验证勘察成果。治理完成后还应重视治理质量的检测，待达到要求后方可进行隧道施工。