公路隧道穿越采空區(qū)的探測與處理技術(shù)研究

石剛+富志鵬+謝永利+楊曉華+李曉婷

摘要：以某在建高速公路隧道施工過程中遇到的采空區(qū)處理為依托，探討了隧道穿越采空區(qū)的探測與處理技術(shù)。對探地雷達(dá)應(yīng)用于隧道施工過程中的采空區(qū)探測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)；利用ANSYS軟件對2種預(yù)備的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，推薦了具體的支護(hù)方案；分析了采空區(qū)對隧道的影響，給出了具體的設(shè)計(jì)方案和施工原則；將施工過程中監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)信息和仿真模擬數(shù)值進(jìn)行對比分析，對處理的結(jié)果進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明：在經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)方面可行而又滿足施工進(jìn)度要求的情況下采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)，并用輕型材料填充的處理方法，能較好地控制隧道的變形和位移。

關(guān)鍵詞：隧道工程；公路隧道；采空區(qū)；探地雷達(dá)；處理技術(shù)；監(jiān)控量測

中圖分類號：U445.49文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著中國公路網(wǎng)向邊遠(yuǎn)山區(qū)的進(jìn)一步延伸，以及公路等級的提高和人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，隧道工程在公路建設(shè)中所占比例日益增大，伴隨而來的是隧道穿越特殊地質(zhì)體的災(zāi)害處理。各種形式的采礦在中國具有悠久的歷史，長期的私采濫挖及無序性開采，遺留下大大小小不計(jì)其數(shù)的采空區(qū)，而采空區(qū)深埋地下，上面又常有較厚的覆蓋層，當(dāng)隧道不可避免要穿越采空區(qū)時(shí)，若配合施工的探測不及時(shí)，會對施工過程造成隱患；若相應(yīng)的治理技術(shù)不當(dāng)，后期的沉降和不均勻變形會成為運(yùn)營隧道的嚴(yán)重病害，甚至破壞其主體結(jié)構(gòu)。近年來，關(guān)于隧道下伏采空區(qū)處理的相關(guān)報(bào)道較多，對于隧道上部采空區(qū)和穿越采空區(qū)處理的文獻(xiàn)報(bào)道較少，煤炭系統(tǒng)工作者在對采空區(qū)處理方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)[1]。目前，公路隧道穿越采空區(qū)的處理主要借鑒其他構(gòu)筑物下伏空洞的處理方法，但是公路隧道工程具有自身的特殊性，如埋置在地層的襯砌結(jié)構(gòu)所承受的荷載比地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對拱頂沉降和周邊收斂要求嚴(yán)格以及附屬設(shè)施較多等，因此，處理方法選取的原則和技術(shù)規(guī)范也有別于其他建筑物或構(gòu)筑物[23]。本文中筆者結(jié)合某在建公路隧道施工過程中遇到的采空區(qū)，本著綜合技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則，從理論和實(shí)際可行性方面探討了采空區(qū)的探測與處理方案，為隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的技術(shù)依據(jù)，該研究成果對其他隧道穿越采空區(qū)的處理具有參考意義。

1采空區(qū)探測

1.1工程概況

根據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部門提供的資料，隧道所在山體是當(dāng)?shù)厥嗟闹匾獊碓吹?，且具有久遠(yuǎn)的開采歷史。該山體為富存的石膏礦的礦體和中軟弱、軟弱巖體，采礦方式普遍采用房柱采礦法，即留設(shè)礦柱支撐采空區(qū)，以合理的采留比使采空區(qū)保持足夠的長期強(qiáng)度。當(dāng)?shù)鼐用耖L期對該區(qū)域的無秩序開采，在山體內(nèi)留下大量的未塌落的、呈不規(guī)則形狀、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的采空區(qū)，而且采空區(qū)的形狀、位置以及范圍都不確定。

當(dāng)隧道穿越采空區(qū)或采空區(qū)距離隧道較近時(shí)，采空區(qū)對隧道影響比較大。因此，公路設(shè)計(jì)部門對該隧道所在山體進(jìn)行了前期地勘，地勘資料表明：該隧道穿越的山體地層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，所經(jīng)山體暗含形狀和范圍不明確的采空區(qū)，在設(shè)計(jì)圖有簡單的采空區(qū)標(biāo)定，但是標(biāo)定的采空區(qū)的位置、大小可能和實(shí)際有一定的出入。

1.2雷達(dá)探測

1.2.1探測的依據(jù)

該隧道所在地區(qū)屬干旱、半干旱地帶，根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料可知，山體內(nèi)遺留采空區(qū)內(nèi)的充填物主要是空氣，空氣和周圍的圍巖介質(zhì)存在著明顯的物性差異，這種物性差異形成的電性分界面是探地雷達(dá)進(jìn)行采空區(qū)準(zhǔn)確定位的理論基礎(chǔ)，探測出電性分界面的情況，即可得出采空區(qū)的位置、范圍、深度等。

根據(jù)雷達(dá)探測理論，采空區(qū)在雷達(dá)剖面圖像的特征是界面反射，屬于強(qiáng)反射，反射波為高幅、高頻、細(xì)密波型，出現(xiàn)采空區(qū)被側(cè)壁強(qiáng)反射所包圍，且常伴有弧形繞射現(xiàn)象；在采空區(qū)內(nèi)，由于電磁波在空氣中傳播，單道雷達(dá)波型呈現(xiàn)長距離大幅震蕩狀態(tài)[4]。

1.2.2探測的結(jié)果

由于探地雷達(dá)探測精度高，并有揭露的掌子面地質(zhì)資料作為參考，在本次隧道探測中，采用美國GSSI公司研發(fā)的SIR20探地雷達(dá)探測儀，探測方式采用線測和點(diǎn)測相結(jié)合，主要參數(shù)指標(biāo)見表1，探地雷達(dá)可探測出掌子面前方約35 m范圍的圍巖情況。圖1為技術(shù)人員在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。如果掌子面前方35 m范圍內(nèi)存在采空區(qū)，探地雷達(dá)波剖面圖像上就會出現(xiàn)反射波波幅和反射波組隨采空區(qū)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定變化的現(xiàn)象。

在K21+600處掌子面上進(jìn)行探測時(shí)，得到如圖2所示的原始雷達(dá)波剖面，經(jīng)過偏移聚焦處理后的雷達(dá)波剖面如圖3所示。探地雷達(dá)波剖面中出現(xiàn)了強(qiáng)反射，雷達(dá)波同相軸出現(xiàn)弧形異常，結(jié)合具體的地質(zhì)情況，推測掌子面前方約10～15 m處，即K21+610～K21+615段存在采空區(qū)分界面。后經(jīng)表1主要參數(shù)指標(biāo)

在K21+511～K21+514處位于拱頂位置的原石膏礦開采遺留的運(yùn)輸巷道相對較小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[58]，采用了常規(guī)的充填封閉處理；而在K21+610處的采空區(qū)規(guī)模較大，需要進(jìn)行特殊處理。但是針對工程要求，要充分考慮采空區(qū)的形狀、大小、位置、地質(zhì)條件以及施工技術(shù)等因素，選擇一種在經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)方面可行而又滿足施工進(jìn)度要求的處理方法。

2.1采空區(qū)支護(hù)方案對比

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選用了2種支護(hù)方案：方案1，采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)，并用輕型材料填充；方案2，采用片石（干砌或漿砌）對采空區(qū)進(jìn)行回填。

2.1.1計(jì)算模型

為了更好地進(jìn)行對比，2種支護(hù)方案均采用相同尺寸、地層參數(shù)以及相同邊界約束條件的平面應(yīng)變彈塑性有限元模型，區(qū)別僅在于采空區(qū)的材料參數(shù)有所不同。根據(jù)目前技術(shù)研究結(jié)果可知，有限元模型所選取的隧道開挖后引起的塑性擾動范圍為隧道開挖半徑的3～5倍[2]。因此，橫向兩端各取隧道跨徑的4倍（跨徑為10.8 m）；隧道底部向下取隧道跨徑的4倍；隧道埋深為實(shí)際埋深，即60 m。有限元模型邊界條件為：在地層左右邊界固定其x方向位移；底部固定其y方向位移，上邊界為自由邊界。具體建立的有限元模型見圖6。

利用ANSYS軟件，經(jīng)過有限元計(jì)算分析得到第1種、第2種支護(hù)方案下拱頂上方y(tǒng)方向應(yīng)力分別見圖7，8，第1種、第2種支護(hù)方案節(jié)點(diǎn)荷載分別見表2，3。

Support Project in y Direction （Unit：MPa）通過對比2種支護(hù)方案相同位置的節(jié)點(diǎn)荷載，可知第1種支護(hù)方案在受力方面整體上小于第2種支護(hù)方案，并綜合考慮節(jié)省費(fèi)用的因素，推薦采用第1種支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析

為了保證隧道的安全施工，選取上述方法模擬第1種支護(hù)方案的有限元模型，分析臺階法施工過程中圍巖的位移和應(yīng)力變化。圖9為上臺階初期支護(hù)彎矩，圖10為上臺階初期支護(hù)剪力，圖11為上臺階初期支護(hù)軸力。

從圖9～11可見，上臺階初期支護(hù)后，邊墻和仰拱連接處的彎矩和剪力都特別大，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，彎矩最大值為228.745 kN·m，而拱頂和仰拱處的彎矩都比較小，分別只有3.614 kN·m和33.908 kN·m。剪力最大值為350.613 kN，位于拱腳部位，剪力最小值為-34.567 kN。邊墻的軸力比較大，而拱頂、仰拱處的軸力均較小，由拱腳分別向拱頂和仰拱處遞減，軸力最大值為-2 140 kN，仰拱處的軸力最小值為113.193 kN。圖12為下臺階開挖后y方向位移，圖13為下臺階開挖后y方向應(yīng)力，圖14為下臺階開挖后支護(hù)剪力，圖15為下臺階開挖后支護(hù)彎矩。

由以上計(jì)算結(jié)果，綜合分析上、下臺階開挖支護(hù)后隧道內(nèi)的穩(wěn)定性，所得結(jié)果見表4。從表4可以看出，上、下臺階開挖支護(hù)后隧道的變形量分別減小了0.85 cm和0.75 cm，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工對圍巖的位移起到限制作用，并且能夠使圍巖穩(wěn)定性能有所增加，說明第1種支護(hù)方案符合開挖要求，可以采用。3施工設(shè)計(jì)與監(jiān)控

3.1施工設(shè)計(jì)

由于采空區(qū)底板位于隧道頂板之上3～7 m，且采空區(qū)的空洞較大，對隧道的危害嚴(yán)重。在施工設(shè)計(jì)中除進(jìn)行砂漿片石砌筑墩柱外，為了提高隧道開挖后所形成的塑性區(qū)范圍內(nèi)的支護(hù)強(qiáng)度，防止出現(xiàn)大的變形，還增設(shè)了I18工字型鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，并在鋼拱架間填充聚乙烯輕型材料（或廢舊海綿、泡沫塑料等）。

3.1.1墩臺設(shè)計(jì)

墩臺高度為石膏礦采空區(qū)底板至石膏礦頂板。對于局部已塌落的區(qū)域，要清渣至未風(fēng)化完整的采空區(qū)底板，片石墩臺砌至頂板，不留縫隙；片石、塊石采用未風(fēng)化的堅(jiān)硬砂巖或灰?guī)r，砂漿強(qiáng)度采用M7.5；表2第1種支護(hù)方案節(jié)點(diǎn)荷載

3.1.2鋼拱架和輕型材料設(shè)計(jì)

采用I18工字型鋼拱架，其縱向間距為80 cm，并在縱橫向用Φ22鋼筋連接，以增加鋼拱架間的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。輕型材料可選用聚乙烯輕型材料或泥灰?guī)r碎塊，填充在拱架間，其目的是填充鋼拱架的空間，對采空區(qū)起到填充作用，以阻止采空區(qū)的變形和坍塌。

3.1.3施工原則及方案

對受采空區(qū)影響的隧道段落，施工應(yīng)在采空區(qū)處理之后進(jìn)行。施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循新奧法設(shè)計(jì)理論[8]，堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早閉合”的原則，當(dāng)變形嚴(yán)重時(shí)需要進(jìn)一步調(diào)整結(jié)構(gòu)支護(hù)模式與施工方法，以確保襯砌結(jié)構(gòu)安全[914]。由于采空區(qū)底板距隧道頂部較近，隧道支護(hù)按Ⅴ級淺埋圍巖段設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。隧道初期支

隧道的施工監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)和信息可以反映出對隧道采空區(qū)的處理效果，也是判斷圍巖和支護(hù)是否穩(wěn)定、保證施工安全、進(jìn)行施工管理的主要手段。采空區(qū)里程為K21+610～K21+645，采空區(qū)最大寬度位于K21+618處，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在K21+615和K21+625處增設(shè)2個(gè)量測點(diǎn)，以對采空區(qū)的處理效果進(jìn)行評價(jià)。將現(xiàn)場量測到的水平收斂值和拱頂下沉值經(jīng)過溫度修正后繪制成位移時(shí)間關(guān)系曲線及位移速率時(shí)間關(guān)系曲線，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖17。

伏，20 d后趨于穩(wěn)定，變形均在0.1～0.2 mm之間。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測圍巖變形規(guī)律存在一定誤差，這主要是計(jì)算模型的簡化與巖體材料的各向同性假設(shè)以及平面應(yīng)變模型對隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，由于無法考慮隧道圍巖變形的時(shí)空效應(yīng)，使得計(jì)算值不可避免地存在一定誤差。圍巖的位移變化趨勢和變形規(guī)律還是與實(shí)測值吻合的，這說明使用ANSYS進(jìn)行平面彈塑性數(shù)值模擬分析能夠得出隧道施工過程中的力學(xué)性狀變化整體趨勢，從而可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。4結(jié)語

（1）以實(shí)際工程為例，對探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程中的采空區(qū)探測進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并將探測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，合理應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對隧道的安全施工具有重要指導(dǎo)意義。

（2）針對該隧道施工過程中遇到的采空區(qū)，應(yīng)用ANSYS軟件，采用有限元法對2種預(yù)備的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，推薦了具體的支護(hù)方案，即采用鋼拱架和墩臺對采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)，用輕型材料填充，并給出了具體的設(shè)計(jì)方案和施工原則。

（3）將具體施工過程中監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)信息和仿真模擬數(shù)值進(jìn)行對比，說明該支護(hù)措施是合理的，且采用的有限元位移場和應(yīng)力場模擬分析是可行的，該體系對類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有參考意義。

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ZHU Zhengguo，CHEN Mingzhang，SUN Minglei.Calculation Method of Pressure of Surrounding Rock on Doublearch Road Tunnel[J].Journal of Changan University：Natural Science Edition，2010，30（2）：7579.

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《空間結(jié)構(gòu)》是由國家教育部主管、浙江大學(xué)主辦的全國性專業(yè)科技期刊，1994年創(chuàng)刊，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，目前是《中文核心期刊要目總覽》建筑類核心期刊，中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫（CSCD）來源期刊?！犊臻g結(jié)構(gòu)》主要刊載空間結(jié)構(gòu)的理論研究、分析設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與實(shí)測、建筑造型、施工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)、工程實(shí)例、信息報(bào)道及有特色的空間結(jié)構(gòu)工程照片等方面的內(nèi)容。讀者對象為科研單位、設(shè)計(jì)院、生產(chǎn)施工單位、質(zhì)檢管理部門的科技人員及大專院校師生。

《空間結(jié)構(gòu)》為季刊，大16開本，96頁，每期定價(jià)15元，全年共60元；兼營廣告，10月起征訂下一年度廣告?！犊臻g結(jié)構(gòu)》自辦發(fā)行，請直接匯款至本編輯部訂閱，發(fā)行組收到匯款后即寄發(fā)票并按期寄給訂戶，務(wù)請?jiān)趨R款用途欄或附言欄內(nèi)注明訂購《空間結(jié)構(gòu)》份數(shù)及年限。訂購款按以下方式匯寄：

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地址：杭州玉泉浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心《空間結(jié)構(gòu)》雜志編輯部

[13]潘雪峰，喬粉劍.高速公路以隧道形式下穿明長城的保護(hù)方案研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（7）：9092.

PAN Xuefeng，QIAO Fenjian.Research on Protection Scheme for Ming Great Wall Traversed Underneath by Highway Tunnel[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2014，31（7）：9092.

[14]朱正國，陳明長，孫明磊.雙連拱公路隧道圍巖壓力計(jì)算方法[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，30（2）：7579.

ZHU Zhengguo，CHEN Mingzhang，SUN Minglei.Calculation Method of Pressure of Surrounding Rock on Doublearch Road Tunnel[J].Journal of Changan University：Natural Science Edition，2010，30（2）：7579.

《空間結(jié)構(gòu)》2015年征訂通知

《空間結(jié)構(gòu)》是由國家教育部主管、浙江大學(xué)主辦的全國性專業(yè)科技期刊，1994年創(chuàng)刊，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，目前是《中文核心期刊要目總覽》建筑類核心期刊，中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫（CSCD）來源期刊?！犊臻g結(jié)構(gòu)》主要刊載空間結(jié)構(gòu)的理論研究、分析設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與實(shí)測、建筑造型、施工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)、工程實(shí)例、信息報(bào)道及有特色的空間結(jié)構(gòu)工程照片等方面的內(nèi)容。讀者對象為科研單位、設(shè)計(jì)院、生產(chǎn)施工單位、質(zhì)檢管理部門的科技人員及大專院校師生。

《空間結(jié)構(gòu)》為季刊，大16開本，96頁，每期定價(jià)15元，全年共60元；兼營廣告，10月起征訂下一年度廣告?！犊臻g結(jié)構(gòu)》自辦發(fā)行，請直接匯款至本編輯部訂閱，發(fā)行組收到匯款后即寄發(fā)票并按期寄給訂戶，務(wù)請?jiān)趨R款用途欄或附言欄內(nèi)注明訂購《空間結(jié)構(gòu)》份數(shù)及年限。訂購款按以下方式匯寄：

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