本發(fā)明涉及一種穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法。

背景技術(shù)：

作為公路建設(shè)和鐵路建設(shè)的重要組成部分，山嶺隧道已經(jīng)在我國(guó)獲得了大規(guī)模的發(fā)展。其中不少隧道穿越或者臨近釆空區(qū)，雖然國(guó)內(nèi)外都對(duì)采空區(qū)安全這一問(wèn)題給予了高度的重視，但是此類事故依然不斷發(fā)生。特別是我國(guó)地層分布復(fù)雜，采空區(qū)極不規(guī)則難以探測(cè)，對(duì)隧道建設(shè)安全造成極大危害。采空區(qū)中瓦斯的存在也對(duì)隧道的施工造成重大的安全隱患，深入研究采空隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，雖然已有大量關(guān)于穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法的專利文獻(xiàn)，如中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01020241963.8，發(fā)明名稱：煤層采空區(qū)隧道初期加固及支護(hù)體系，但它并沒(méi)有考慮采空區(qū)中瓦斯的存在，以及發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朇N201310741014.4，發(fā)明名稱：確定隧道下穿采空區(qū)安全頂板厚度的方法，但它所提供的安全頂板厚度確定方法考慮的因素多，參數(shù)取值較困難，另外還有發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)朇N201310488653.4，發(fā)明名稱：隧道下方采空區(qū)充填施工工法，但它只考慮了隧道下方采空區(qū)，并沒(méi)有全面考慮不同位置采空區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

隧道與采空區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系包括以下三種：1)隧道不與采空區(qū)貫通且與采空區(qū)的最近距離大于最小安全厚度；2)隧道不與采空區(qū)貫通且與采空區(qū)的最近距離小于或等于最小安全厚度；3)隧道與采空區(qū)貫通；目前，還沒(méi)有一種隧道支護(hù)方法，既能節(jié)約成本、提高施工效率，又能滿足不同條件下的隧道支護(hù)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法，使其具有節(jié)約成本、提高施工效率以及能滿足不同條件下隧道支護(hù)需求的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的，一種穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法，包括以下步驟：

第一步，確定采空區(qū)的位置和形態(tài)，并測(cè)得采空區(qū)與隧道的最近距離S；

第二步，確定采空區(qū)與隧道之間圍巖層的最小安全厚度，具體包括如下步驟：

1)幾何建模；根據(jù)采空區(qū)的位置及形態(tài)和隧道的開(kāi)挖輪廓，確定初始最小安全厚度L；

2)參數(shù)取值；所述參數(shù)包括各層巖土體的彈性模量、天然重度、泊松比、粘聚力、以及摩擦角；隧道襯砌的厚度、彈性模量、泊松比以及重度；

3)確定最小安全厚度；取隧道開(kāi)挖輪廓上距采空區(qū)最近的點(diǎn)作為起始點(diǎn)，在連接起始點(diǎn)與采空區(qū)的直線段上等間隔取多個(gè)圍巖層的關(guān)鍵點(diǎn)，制定各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力及位移曲線變化圖，確定各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力及位移曲線變化圖的線性變化段，并計(jì)算線性變化段對(duì)應(yīng)的圍巖層厚度d，得到最小安全厚度H＝L-d；

第三步，判斷隧道受采空區(qū)影響的安全性，當(dāng)S＞H時(shí)，隧道安全，當(dāng)S≤H時(shí)，隧道不安全；

第四步，根據(jù)隧道的安全性，確定支護(hù)方法，具體步驟如下：

①隧道安全

在隧道外依次設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)；

②隧道不安全

分為兩種情況考慮：

1)隧道與采空區(qū)無(wú)貫通，則依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)后，在采空區(qū)與初期支護(hù)之間的圍巖層中鉆孔，在鉆孔內(nèi)設(shè)置有鉆孔匹配的鋼花管，在鋼花管壁上設(shè)置注漿孔，隨后通過(guò)注漿孔往鋼花管內(nèi)注入水泥砂漿，注漿壓力為0.5-1Mpa；

2)隧道與采空區(qū)貫通，則首先依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)，隨后在初期支護(hù)外側(cè)設(shè)置砼護(hù)結(jié)構(gòu)，在砼護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置砂礫回填緩沖層，砼護(hù)結(jié)構(gòu)以及砂礫回填緩沖層均處在采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)之間。

進(jìn)一步，第一步的具體過(guò)程為：利用鉆探明確采空區(qū)的位置及形態(tài)，鉆探嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺以及轉(zhuǎn)速，巖芯的采取率為80％-100％，回次采取率大于90％。

進(jìn)一步，所述砼護(hù)結(jié)構(gòu)，按重量份計(jì)，包括：水泥380-390份、砂770-780份、碎石1010-1030份、水160-170份以及氣密劑36-40份，砼護(hù)結(jié)構(gòu)的水膠比為0.3-0.5。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明公開(kāi)了一種穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法，包括以下步驟：第一步，確定采空區(qū)的位置和形態(tài)，并測(cè)得采空區(qū)與隧道的最近距離S；第二步，確定采空區(qū)與隧道之間圍巖層的最小安全厚度；第三步，判斷隧道受采空區(qū)影響的安全性；第四步，根據(jù)隧道的安全性，確定支護(hù)方法。該穿越采空區(qū)隧道的支護(hù)方法，具有節(jié)約成本、提高施工效率以及能滿足不同條件下隧道支護(hù)需求的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的適用范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

某隧道工程設(shè)計(jì)為分離式雙洞，左線長(zhǎng)4475m，右線長(zhǎng)4495m，最大埋深約348m。該隧道屬深埋特長(zhǎng)隧道；分離洞相距約30m，隧道開(kāi)挖洞寬13.50m，高9.00m。是連接中梁山東西兩側(cè)的一條重要東西向通道，該隧道右線YK3+060-YK3+380段圍巖為龍?zhí)督M采空區(qū)及斷層破碎帶，巖性以泥巖、頁(yè)巖為主，局部煤線、灰?guī)r，圍巖的整體性和自穩(wěn)性較差。本實(shí)施例中沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明的部分，按照發(fā)明內(nèi)容描述的技術(shù)方案進(jìn)行操作，發(fā)明內(nèi)容中也沒(méi)有說(shuō)明的部分，采用本領(lǐng)域常規(guī)操作進(jìn)行。

本實(shí)施例具體步驟如下：

第一步，確定采空區(qū)的位置和形態(tài)，并測(cè)得采空區(qū)與隧道的最近距離S；具體的，利用鉆探明確采空區(qū)的位置及形態(tài)，鉆探嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺以及轉(zhuǎn)速，巖芯的采取率為80％-100％，回次采取率大于90％，本實(shí)施例中，探明采空區(qū)位于隧道拱頂上方與左側(cè)邊墻處，隧道拱頂上方采空區(qū)形狀近乎矩形，尺寸10×3m，采空區(qū)走向與隧道軸線垂直，采空區(qū)與隧道貫通；隧道左側(cè)邊墻處采空區(qū)形狀近乎矩形，尺寸8×2m，采空區(qū)走向與隧道軸線平行，采空區(qū)與隧道無(wú)貫通且采空區(qū)距離隧道7.6m；

第二步，確定采空區(qū)與隧道之間圍巖層的最小安全厚度，具體包括如下步驟：

1)幾何建模；根據(jù)采空區(qū)的位置及形態(tài)和隧道的開(kāi)挖輪廓，確定初始最小安全厚度L＝30m；

2)參數(shù)取值；所述參數(shù)包括各層巖土體的彈性模量、天然重度、泊松比、粘聚力、以及摩擦角；隧道襯砌的厚度、彈性模量、泊松比以及重度；本實(shí)施例中，地面至地下24m范圍內(nèi)為土層，土層的彈性模量E＝0.1MPa，天然重度γ＝17.8kN/m3，泊松比ν＝0.33，粘聚力C＝20kPa，摩擦角φ＝15°；土層下為砂質(zhì)灰?guī)r，彈性模量＝1.2MPa，天然重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.3，粘聚力C＝150kPa，摩擦角φ＝27°；隧道襯砌厚度D＝26cm；彈性模量E＝30GPa，重度γ＝20kN/m3，泊松比ν＝0.2；

3)確定最小安全厚度；取隧道開(kāi)挖輪廓上距采空區(qū)最近的點(diǎn)作為起始點(diǎn)，在連接起始點(diǎn)與采空區(qū)的直線段上等間隔取多個(gè)圍巖層的關(guān)鍵點(diǎn)，制定各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力及位移曲線變化圖，確定各關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力及位移曲線變化圖的線性變化段，并計(jì)算線性變化段對(duì)應(yīng)的圍巖層厚度d，得到最小安全厚度H＝L-d；本實(shí)施例中，具體的過(guò)程為：以隧道與采空區(qū)間圍巖各關(guān)鍵點(diǎn)到隧道開(kāi)挖輪廓線距離為橫坐標(biāo)，以有限元法計(jì)算出來(lái)的各關(guān)鍵點(diǎn)位移及應(yīng)力值為縱坐標(biāo)分別繪制出采空區(qū)位于拱頂上方、采空區(qū)位于左側(cè)邊墻規(guī)律曲線。根據(jù)此規(guī)律得出采空區(qū)位于隧道拱頂上方和左側(cè)邊墻時(shí)的中間區(qū)巖層厚度d＝19.2m、d＝18.1m，然后，得出采空區(qū)位于隧道拱頂上方和左側(cè)邊墻時(shí)最小安全厚度H1＝30m-19.2m＝10.8m、H2＝30m-18.1m＝11.9m；

第三步，判斷隧道受采空區(qū)影響的安全性，當(dāng)S＞H時(shí)，隧道安全，當(dāng)S≤H時(shí)，隧道不安全；本實(shí)施例中，隧道拱頂上方采空區(qū)與隧道貫通，隧道不安全；隧道左側(cè)邊墻采空區(qū)，S≤H2＝11.9m，隧道不安全；

第四步，根據(jù)隧道的安全性，確定支護(hù)方法，具體步驟如下：

①隧道安全

在隧道外依次設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)；

②隧道不安全

分為兩種情況考慮：

1)隧道與采空區(qū)無(wú)貫通，則依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)后，在采空區(qū)與初期支護(hù)之間的圍巖層中鉆孔，在鉆孔內(nèi)設(shè)置有鉆孔匹配的鋼花管，在鋼花管壁上設(shè)置注漿孔，隨后通過(guò)注漿孔往鋼花管內(nèi)注入水泥砂漿，注漿壓力為0.5-1Mpa；

2)隧道與采空區(qū)貫通，則首先依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)，隨后在初期支護(hù)外側(cè)設(shè)置砼護(hù)結(jié)構(gòu)，在砼護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置砂礫回填緩沖層，砼護(hù)結(jié)構(gòu)以及砂礫回填緩沖層均處在采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)之間。

本實(shí)施例中，隧道左側(cè)邊墻采空區(qū)，采用的支護(hù)方法為：首先依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)，隨后在左側(cè)采空區(qū)與初期支護(hù)的圍巖之間鉆孔，并分別控制二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)的參數(shù)，其中，二次襯砌的參數(shù)包括配筋率、二襯砼厚度及強(qiáng)度；初期支護(hù)的參數(shù)包括鋼拱架間距、噴射砼厚度及強(qiáng)度；超前支護(hù)的參數(shù)包括導(dǎo)管間距、范圍、長(zhǎng)度。本實(shí)施例中，二次襯砌采用熱軋無(wú)縫鋼管φ108×6(直徑×厚度)、長(zhǎng)15m、57根/環(huán)、環(huán)向間距30cm、拱部120°范圍布置，外插角3°，搭接長(zhǎng)度4-5m，每根縱向與隧道中線方相一致。管壁上鉆20mm的溢漿孔、間距20cm、呈梅花型布置，并壓注水泥砂漿，由熱軋無(wú)縫鋼管編織的鋼架縱向間距為0.6m；

所述鉆孔鉆孔深度為6m、直徑89mm、按梅花形布置。

所述裝管根據(jù)鉆孔的形式選擇與鉆孔匹配的鋼花管鉆進(jìn)，鋼花管垂直布置，鋼花管端頭嵌入采空區(qū)底板以下2m，鋼花管注漿按梅花型布置，間距取為2m×2m。注漿管壁上預(yù)留注漿孔，孔徑10-16mm，孔間距為15-20mm，尾部1-1.5m范圍不留注漿孔，作為止?jié){段。

所述壓漿的注漿材料采用水泥砂漿，水泥采用膨脹水泥。具體注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，本實(shí)例中水灰比取1︰1，注漿壓力0.5Mpa-1.0MPa，注漿區(qū)為松散塌體孔隙率較大，擴(kuò)散半徑取2.0m。注漿機(jī)使用GZJB型液壓雙液注漿機(jī)。

所述檢查注漿效果采用ZH-20型巖石鉆孔取芯機(jī)對(duì)采空區(qū)內(nèi)塌渣進(jìn)行取芯，根據(jù)芯樣判斷注漿固結(jié)效果。如果注漿固結(jié)效果沒(méi)達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)行重新補(bǔ)注漿。

本實(shí)施例中，隧道拱頂上方采空區(qū)，采用的支護(hù)方法為：首先依次在隧道外設(shè)置二次襯砌、初期支護(hù)以及超前支護(hù)，隨后在初期支護(hù)外側(cè)設(shè)置砼護(hù)結(jié)構(gòu)，在砼護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置砂礫回填緩沖層，砼護(hù)結(jié)構(gòu)以及砂礫回填緩沖層均處在采空區(qū)與隧道結(jié)構(gòu)之間，其中所述砼護(hù)結(jié)構(gòu)，按重量份計(jì)，包括：水泥380-390份、砂770-780份、碎石1010-1030份、水160-170份以及氣密劑36-40份，砼護(hù)結(jié)構(gòu)的水膠比為0.3-0.5，本實(shí)施例中，水泥選用山西中條山新型建材有限公司的中條牌P.O42.5；細(xì)骨料選用中砂(河砂)；粗骨料采用5-31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石；水采用飲用水；氣密劑采用山西凱迪建材有限公司的KD-10型混凝土氣密劑，其中含量分別為：每立方米水泥382kg、砂773kg、碎石1024kg、水168kg以及氣密劑38.2kg，其中水膠比為0.4。

此外，隧道拱頂上方采空區(qū)，也可以采取對(duì)施工隧道進(jìn)行加固的雙層回填復(fù)合結(jié)構(gòu)、注漿加固和沿施工隧道延伸方向隧道支護(hù)體系，其中注漿加固與隧道左側(cè)采空區(qū)支護(hù)方法一致，這里不做詳細(xì)介紹。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。