一种高速公路隧道上伏采空区处治方法与流程

一种高速公路隧道上伏采空区处治方法，涉及岩土工程、交通工程、采矿工程等领域的采空区处治。

背景技术：

随着经济持续高速发展，我国正加大力度开展基础设施建设。其中，高速公路隧道作为沟通城市的重要环节，许多施工难题亟待工程技术人员进行攻克。高速公路隧道在施工过程中经常遭遇采空区、岩溶、断层等各种不良地质条件，时常诱发隧道塌方、岩爆、突泥、突水、有害气体扩散等灾害，其不但影响施工进度，而且有时也会危及人员生命及财产安全。因此，针对高速公路隧道施工过程中碰到的各类难题进行合理有效地处治，具有重要的科学研究意义及工程应用价值。

高速公路隧道选线经过的山岭，先前时常存在矿产资源的开采利用。而目前高速公路隧道施工过程中时常碰到的采空区问题，通常为隧道上穿采空区，其处治措施通常为混凝土配合注浆充填或架设旱桥跨越。针对高速公路隧道下穿采空区问题，国内外鲜有报道。因此，暂时未形成有效经济的处治措施，亟待建立一种可靠的高速公路隧道上伏采空区处治方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于建立一种高速公路隧道上伏采空区处治方法，保障高速公路隧道安全施工，顺利通过上伏采空区区域。为实现这一目的，本发明提供了以下技术方案。

一种高速公路隧道上伏采空区处治方法，其特征在于，主要实施步骤包括：(1)构建高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性计算力学模型，基于非线性尖点突变理论建立岩层稳定性临界距离10判别公式，确定高速公路隧道上伏采空区的处治区域与非处治区域；(2)针对高速公路隧道上伏采空区处治区域，当洞口隧道开挖遇见采空区揭露段，采用混凝土进行充填11；当隧道开挖施工至采空区非揭露区，施作止浆墙12，以防止后续水泥砂浆注浆施工时产生漏浆、跑浆现象；在隧道开挖处于采空区非揭露段时，采用水泥砂浆进行充填13。(3)针对高速公路隧道上伏采空区非处治区域，可暂时不作处治，但隧道开挖施工期间须观测采空区上伏地表变形，必要时另行处治。

步骤(1)将高速公路隧道与上伏采空区间岩层近似为一个矩形板，计算时简化为一固支梁，然后基于非线性尖点突变理论，考虑岩梁弯曲的应变能、系统势能的增加及外荷载对岩梁所作的功，构造势函数并进行相关计算，获得高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性临界距离10判别公式(式1)：

式中，p＝pw+pg-q。其中，l为隧道与上伏采空区间岩层跨度9，e为岩层弹性模量，n为水平地应力6，pw为采空区充水压力及pg为岩梁自重7，隧道顶板对岩层支撑力简化为均布荷载q作用于岩层8。

代入实际工程参数计算便可得到高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性临界距离10。当隧道与上伏采空区距离小于岩层稳定性临界距离10时，便可判定为采空区处治区域；当隧道与上伏采空区距离大于岩层稳定性临界距离10时，便可判定为采空区非处治区域。

步骤(2)针对高速公路隧道上伏采空区处治区域：当在洞口隧道开挖遇见采空区揭露段，开挖后在一定范围进行泵送c15混凝土充填11；当隧道开挖施工至采空区非揭露区，采用φ89钢管泵送c20混凝土施作止浆墙12；在隧道开挖处于采空区非揭露段时，在采空区上伏地表范围内做灌注孔，采用φ89钢管泵送m5.0水泥砂浆对采空区进行注浆充填处理13，灌注孔14间距为5m×5m；混凝土11、水泥砂浆13充填及止浆墙12施作，均须达到设计强度后方可进行洞身施工。

步骤(3)针对高速公路隧道上伏采空区非处治区域：可暂时不作处治，但隧道开挖施工期间须观测采空区上伏地表变形，必要时另行处治。

本发明还要求保护上述方法的用途，用于岩土工程、交通工程、采矿工程领域的采空区处治。

本发明可弥补现有高速公路隧道上伏采空区处治方法的不足，具有成本低廉、操作方便、处治效果好等优点。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是玉渡山崇礼端隧道及上伏采空区空间关系图；

图3是隧道与上伏采空区间岩层稳定性计算力学模型；

图4是隧道左线上伏采空区处治剖面图；

图5是隧道上伏采空区处治平面图；

图6是采空区揭露段混凝土充填处治(隶属采空区处治区域)；

图7是止浆墙施作(隶属采空区处治区域)；

图8是采空区非揭露段水泥砂浆充填处治(隶属采空区处治区域)；

图中：1-坡体；2-采空区处治区；3-采空区非处治区；4-左线隧道；5-右线隧道；6-水平地应力n；7-采空区充水压力pw及岩梁自重pg；8-隧道顶板对岩层支撑力q；9-隧道与上伏采空区间岩层跨度l；10-岩层稳定性临界距离h；11-c15混凝土充填；12-c20混凝土止浆墙；13-m5.0水泥砂浆充填；14-灌注孔。

具体实施方式

介绍一种高速公路隧道上伏采空区处治方法。延崇高速公路(北京段)第六标段设置1座隧道，为玉渡山隧道。隧道进京线(左线)4里程zk16+346.6～zk20+965，长4618.4m，隧道出京线(右线)5里程yk16+342～yk21+022，长4680m，为双向四车道隧道。隧道单洞建筑界限11.0×5.5m，为分离式隧道。隧道进出口平面均位于曲线上，纵面为2.6％单向坡。隧道勘察设计初期，发现玉渡山隧道崇礼端上伏有营门铁矿采空区洞口裸露。根据已有洞口的位置分布、高程分布情况，初步判断营门铁矿采空区对拟建隧道线位会造成施工及运营安全隐患，如图2所示。

采用本发明对该高速公路隧道上伏采空区进行处治，其具体步骤如下：

(1)考虑隧道与上伏采空区间岩层跨度9、水平地应力6、采空区充水压力及岩梁自重7、隧道顶板对岩层支撑力8等因素，构造高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性计算力学模型，如图3所示。

(2)基于非线性尖点突变理论，考虑岩梁弯曲的应变能、系统势能的增加及外荷载对岩梁所作的功，构造势函数并进行相关计算，获得高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性临界距离10判别公式，如(式1)所示。代入实际工程参数计算便可得到高速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性临界距离10。当隧道与上伏采空区距离小于岩层稳定性临界距离10时，便可判定为采空区处治区域；当隧道与上伏采空区距离大于岩层稳定性临界距离10时，便可判定为采空区非处治区域。

在本工程中，根据相关资料，采空区充水压力7为pw＝1.2mpa，隧道埋深为80m，侧压力系数为1.5，隧道顶板支撑力8取为0，弹性模量e＝1gpa，岩梁长度9取30m，将各参数代入临界安全距离公式，可求得速公路隧道与上伏采空区间岩层稳定性临界距离10为13.5m(注：通过隧道埋深及侧压力系数可换算求得水平地应力6)。即高速公路隧道上伏13.5m范围内的采空区需进行处治，而13.5m以上的采空区不需进行处治，如图3、4所示。

(3)针对高速公路隧道上伏采空区处治区域：当在洞口隧道开挖遇见采空区揭露段，开挖后在一定范围进行泵送c15混凝土充填11，如图6所示。混凝土充填须达到设计强度后方可进行洞身施工。

(4)针对高速公路隧道上伏采空区处治区域：当隧道开挖施工至采空区非揭露区，采用φ89钢管泵送c20混凝土施作止浆墙12，如图7所示。止浆墙须达到设计强度后方可进行洞身施工。

(8)针对高速公路隧道上伏采空区处治区域：在隧道开挖处于采空区非揭露段时，在采空区上伏地表范围内做灌注孔14，采用φ89钢管泵送m5.0水泥砂浆对采空区进行注浆充填处理13，灌注孔14间距为5m×5m；，如图8所示。水泥砂浆充填须达到设计强度后方可进行洞身施工。

(9)针对高速公路隧道上伏采空区非处治区域：可暂时不作处治，但隧道开挖施工期间须观测采空区上伏地表变形，必要时另行处治。此区域采空区上伏地表布置5m×5m混凝土墩监测点，采用全站仪每天定时进行地表监测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施过程进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。应将实例看做是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围有所附权利要求而不是上述说明限定。