CN106522981B - 穿越采空区隧道的支护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿越采空区隧道的支护方法,包括以下步骤:第一步,确定采空区的位置和形态,并测得采空区与隧道的最近距离S;第二步,确定采空区与隧道之间围岩层的最小安全厚度;第三步,判断隧道受采空区影响的安全性;第四步,根据隧道的安全性,确定支护方法。该穿越采空区隧道的支护方法,具有节约成本、提高施工效率以及能满足不同条件下隧道支护需求的优点。

Description

穿越采空区隧道的支护方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种穿越采空区隧道的支护方法。
背景技术
[0002] 作为公路建设和铁路建设的重要组成部分,山岭隧道已经在我国获得了大规模的 发展。其中不少隧道穿越或者临近釆空区,虽然国内外都对采空区安全这一问题给予了高 度的重视,但是此类事故依然不断发生。特别是我国地层分布复杂,采空区极不规则难以探 测,对隧道建设安全造成极大危害。采空区中瓦斯的存在也对隧道的施工造成重大的安全 隐患,深入研究采空隧道支护结构具有十分重要的意义。
[0003] 通过对现有的技术文献检索发现,虽然已有大量关于穿越采空区隧道的支护方法 的专利文献,如中国发明专利申请号201020241963.8,发明名称:煤层采空区隧道初期加固 及支护体系,但它并没有考虑采空区中瓦斯的存在,以及发明专利申请号 CN201310741014.4,发明名称:确定隧道下穿采空区安全顶板厚度的方法,但它所提供的安 全顶板厚度确定方法考虑的因素多,参数取值较困难,另外还有发明专利申请号 CN201310488653.4,发明名称:隧道下方采空区充填施工工法,但它只考虑了隧道下方采空 区,并没有全面考虑不同位置采空区的支护结构。
[0004]隧道与采空区的相对位置关系包括以下三种:1)隧道不与采空区贯通且与采空区 的最近距离大于最小安全厚度;2)隧道不与采空区贯通且与采空区的最近距离小于或等于 最小安全厚度;3)隧道与采空区贯通;目前,还没有一种隧道支护方法,既能节约成本、提高 施工效率,又能满足不同条件下的隧道支护需求。
发明内容
[0005]有鉴于此,本发明的目的是提供一种穿越采空区隧道的支护方法,使其具有节约 成本、提高施工效率以及能满足不同条件下隧道支护需求的优点。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术手段实现的,一种穿越采空区隧道的支护方法,包 括以下步骤:
[0007] 第一步,确定采空区的位置和形态,并测得采空区与隧道的最近距离S;
[0008] 第二步,确定采空区与隧道之间围岩层的最小安全厚度,具体包括如下步骤:
[0009] D几何建模;根据采空区的位置及形态和隧道的开挖轮廓,确定初始最小安全厚 度L;
[0010] 2)参数取值;所述参数包括各层岩土体的弹性模量、天然重度、泊松比、粘聚力、以 及摩擦角;隧道衬砌的厚度、弹性模量、泊松比以及重度;
[0011] 3)确定最小安全厚度;取隧道开挖轮廓上距采空区最近的点作为起始点,在连接 起始点与采空区的直线段上等间隔取多个围岩层的关键点,制定各关键点应力及位移曲线 变化图,确定各关键点应力及位移曲线变化图的线性变化段,并计算线性变化段对应的围 岩层厚度d,得到最小安全厚度H=L_d;
[0012] 第三步,判断隧道受采空区影响的安全性,当S>H时,隧道安全,当SSH时,隧道不 安全;
[0013] 第四步,根据隧道的安全性,确定支护方法,具体步骤如下:
[0014] ①隧道安全
[0015] 在隧道外依次设置二次衬砌、初期支护以及超前支护;
[0016] ②隧道不安全 [0017] 分为两种情况考虑:
[0018] 1)隧道与采空区无贯通,则依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护 后,在采空区与初期支护之间的围岩层中钻孔,在钻孔内设置有钻孔匹配的钢花管,在钢花 管壁上设置注浆孔,随后通过注浆孔往钢花管内注入水泥砂浆,注浆压力为0.5-lMpa;
[0019] 2)隧道与采空区贯通,则首先依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支 护,随后在初期支护外侧设置砼护结构,在砼护结构外侧设置砂砾回填缓冲层,砼护结构以 及砂砾回填缓冲层均处在采空区与隧道结构之间。
[0020] 进一步,第一步的具体过程为:利用钻探明确采空区的位置及形态,钻探严格控制 回次进尺以及转速,岩芯的采取率为80 % -100 %,回次采取率大于90 %。
[0021] 进一步,所述砼护结构,按重量份计,包括:水泥380-390份、砂770-780份、碎石 1010-1030份、水160-170份以及气密剂36-40份,砼护结构的水胶比为0.3-0.5。
[0022] 本发明的有益效果:本发明公开了一种穿越采空区隧道的支护方法,包括以下步 骤:第一步,确定采空区的位置和形态,并测得采空区与隧道的最近距离S;第二步,确定采 空区与隧道之间围岩层的最小安全厚度;第三步,判断隧道受采空区影响的安全性;第四 步,根据隧道的安全性,确定支护方法。该穿越采空区隧道的支护方法,具有节约成本、提高 施工效率以及能满足不同条件下隧道支护需求的优点。
[0023]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并 且在某种程度上,基于对下文的考察研宄对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可 以从本发明的实践中得到教导。
具体实施方式
[0024]下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的适用范围不限于下述的实施 例。
[0025] 实施例
[0026]某隧道工程设计为分离式双洞,左线长4475m,右线长4495m,最大埋深约348m。该 隧道属深埋特长隧道;分离洞相距约3〇m,隧道开挖洞宽13 • 5〇m,高9 • 00m。是连接中梁山东 西两侧的一条重要东西向通道,该隧道右线YK3+〇6〇-YK3+38〇段围岩为龙潭组采空区及断 层破碎带,岩性以泥岩、页岩为主,局部煤线、灰岩,围岩的整体性和自稳性较差。本实施例 中没有详细说明的部分,按照发明内容描述的技术方案进行操作,发明内容中也没有说明 的部分,采用本领域常规操作进行。
[0027]本实施例具体步骤如下:
[0028]第一步,确定采空区的位置和形态,并测得采空区与隧道的最近距离S;具体的,利 用钻探明确采空区的位置及形态,钻探严格控制回次进尺以及转速,岩芯的采取率为80%-100%,回次采取率大于90%,本实施例中,探明采空区位于隧道拱顶上方与左侧边墙处,隧 道拱顶上方采空区形状近乎矩形,尺寸10X 3m,采空区走向与隧道轴线垂直,采空区与隧道 贯通;隧道左侧边墙处采空区形状近乎矩形,尺寸8 X 2m,采空区走向与隧道轴线平行,采空 区与隧道无贯通且采空区距离隧道7.6m;
[0029]第二步,确定采空区与隧道之间围岩层的最小安全厚度,具体包括如下步骤:
[0030] 1)几何建模;根据采空区的位置及形态和隧道的开挖轮廓,确定初始最小安全厚 度L=30ni;
[0031] 2)参数取值;所述参数包括各层岩土体的弹性模量、天然重度、泊松比、粘聚力、以 及摩擦角;隧道衬砌的厚度、弹性模量、泊松比以及重度;本实施例中,地面至地下24m范围 内为土层,土层的弹性模量E = 0. IMPa,天然重度y =17.8kN/m3,泊松比v = 〇.33,粘聚力C =20kPa,摩擦角= I5°; 土层下为砂质灰岩,弹性模量=1.2MPa,天然重度y = 20kN/m3, 泊松比v = 0 • 3,粘聚力C = 15〇kPa,摩擦角巾=27 °;隧道衬砌厚度D = 26cm;弹性模量E = 30GPa,重度 y = 20kN/m3,泊松比v = 〇. 2;
[0032] 3)确定最小安全厚度;取隧道开挖轮廓上距采空区最近的点作为起始点,在连接 起始点与采空区的直线段上等间隔取多个围岩层的关键点,制定各关键点应力及位移曲线 变化图,确定各关键点应力及位移曲线变化图的线性变化段,并计算线性变化段对应的围 岩层厚度d,得到最小安全厚度H二L-d;本实施例中,具体的过程为:以隧道与采空区间围岩 各关键点到隧道开挖轮廓线距离为横坐标,以有限元法计算出来的各关键点位移及应力值 为纵坐标分别绘制出采空区位于拱顶上方、采空区位于左侧边墙规律曲线。根据此规律得 出采空区位于隧道拱顶上方和左侧边墙时的中间区岩层厚度(1=19.2111、〇1 = 18.1111,然后,得 出采空区位于隧道拱顶上方和左侧边墙时最小安全厚度HI = 30m-19.2m = 10.8m、H2 = 30m-18.lm二11_9m;
[0033] 第三步,判断隧道受采空区影响的安全性,当S>H时,隧道安全,当S<H时,隧道不 安全;本实施例中,隧道拱顶上方采空区与隧道贯通,隧道不安全;隧道左侧边墙采空区,S 彡取=11.9111,險道不安全;
[0034] 第四步,根据隧道的安全性,确定支护方法,具体步骤如下:
[0035] ①隧道安全
[0036]在隧道外依次设置二次衬砌、初期支护以及超前支护;
[0037]②隧道不安全 [0038]分为两种情况考虑:
[0039] 1)隧道与采空区无贯通,则依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护 后,在采空区与初期支护之间的围岩层中钻孔,在钻孔内设置有钻孔匹配的钢花管,在钢花 管壁上设置注浆孔,随后通过注浆孔往钢花管内注入水泥砂浆,注浆压力为0.5-lMpa;
[0040] 2)隧道与采空区贯通,则首先依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支 护,随后在初期支护外侧设置砼护结构,在砼护结构外侧设置砂砾回填缓冲层,砼护结构以 及砂砾回填缓冲层均处在采空区与隧道结构之间。
[0041]本实施例中,隧道左侧边墙采空区,采用的支护方法为:首先依次在隧道外设置二 次衬砌、初期支护以及超前支护,随后在左侧采空区与初期支护的围岩之间钻孔,并分别控 制二次衬砌、初期支护以及超前支护的参数,其中,二次衬砌的参数包括配筋率、二衬砼厚 度及强度;初期支护的参数包括钢拱架间距、喷射砼厚度及强度;超前支护的参数包括导管 间距、范围、长度。本实施例中,二次衬砌采用热轧无缝钢管4)108X6(直径X厚度)、长15tn、 57根/环、环向间距30ctn、拱部120 °范围布置,外插角3 °,搭接长度4-5m,每根纵向与隧道中 线方相一致。管壁上钻20mm的溢浆孔、间距20cm、呈梅花型布置,并压注水泥砂浆,由热轧无 缝钢管编织的钢架纵向间距为0.6m;
[OO42]所述钻孔钻孔深度为6m、直径89mm、按梅花形布置。
[0043]所述装管根据钻孔的形式选择与钻孔匹配的钢花管钻进,钢花管垂直布置,钢花 管端头嵌入采空区底板以下2m,钢花管注浆按梅花型布置,间距取为2mX 2m。注浆管壁上预 留注楽孔,孔径10-16mm,孔间距为15-20mm,尾部1-1.5m范围不留注衆孔,作为止楽段。
[0044]所述压浆的注浆材料采用水泥砂浆,水泥采用膨胀水泥。具体注浆参数根据现场 试验确定,本实例中水灰比取1:1,注浆压力0.5Mpa-1. OMPa,注浆区为松散塌体孔隙率较 大,扩散半径取2.0m。注浆机使用GZJB型液压双液注浆机。
[0045] 所述检查注浆效果采用ZH-20型岩石钻孔取芯机对采空区内塌渣进行取芯,根据 芯样判断注浆固结效果。如果注浆固结效果没达到方案设计要求,则进行重新补注浆。
[0046]本实施例中,隧道拱顶上方采空区,采用的支护方法为:首先依次在隧道外设置二 次衬砌、初期支护以及超前支护,随后在初期支护外侧设置砼护结构,在砼护结构外侧设置 砂砾回填缓冲层,砼护结构以及砂砾回填缓冲层均处在采空区与隧道结构之间,其中所述 砼护结构,按重量份计,包括:水泥380-390份、砂770-780份、碎石1010-1030份、水160-170 份以及气密剂36-40份,砼护结构的水胶比为0.3-0.5,本实施例中,水泥选用山西中条山新 型建材有限公司的中条牌P. 042.5;细骨料选用中砂(河砂);粗骨料采用5-31.5mm连续级配 碎石;水采用饮用水;气密剂采用山西凯迪建材有限公司的KD-10型混凝土气密剂,其中含 量分别为:每立方米水泥382kg、砂773kg、碎石l〇24kg、水168kg以及气密剂38.2kg,其中水 胶比为0.4。
[0047] 此外,隧道拱顶上方采空区,也可以采取对施工隧道进行加固的双层回填复合结 构、注浆加固和沿施工隧道延伸方向隧道支护体系,其中注浆加固与隧道左侧采空区支护 方法一致,这里不做详细介绍。
[0048] 最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种穿越采空区隧道的支护方法,其特征在于,包括以下步骤: 第一步,确定采空区的位置和形态,并测得采空区与隧道的最近距离S; 第二步,确定采空区与隧道之间围岩层的最小安全厚度,具体包括如下步骤: 1) 几何建模;根据采空区的位置及形态和隧道的开挖轮廓,确定初始最小安全厚度L; 2) 参数取值;所述参数包括各层岩土体的弹性模量、天然重度、泊松比、粘聚力、以及摩 擦角;隧道衬砌的厚度、弹性模量、泊松比以及重度; 3) 确定最小安全厚度;取隧道开挖轮廓上距采空区最近的点作为起始点,在连接起始 点与采空区的直线段上等间隔取多个围岩层的关键点,制定各关键点应力及位移曲线变化 图,确定各关键点应力及位移曲线变化图的线性变化段,并计算线性变化段对应的围岩层 厚度d,得到最小安全厚度H=L_d; 第三步,判断隧道受采空区影响的安全性,当S>H时,隧道安全,当SSH时,隧道不安 全; 第四步,根据隧道的安全性,确定支护方法,具体步骤如下: ① 隧道安全 在隧道外依次设置二次衬砌、初期支护以及超前支护; ② 隧道不安全 分为两种情况考虑: 1) 隧道与采空区无贯通,则依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护后,在 采空区与初期支护之间的围岩层中钻孔,在钻孔内设置有钻孔匹配的钢花管,在钢花管壁 上设置注浆孔,随后通过注浆孔往钢花管内注入水泥砂浆,注浆压力为0.5-lMpa; 2) 隧道与采空区贯通,则首先依次在隧道外设置二次衬砌、初期支护以及超前支护,随 后在初期支护外侧设置砼护结构,在砼护结构外侧设置砂砾回填缓冲层,砼护结构以及砂 砾回填缓冲层均处在采空区与隧道结构之间。
2. 根据权利要求1所述的穿越采空区隧道的支护方法,其特征在于:第一步的具体过程 为:利用钻探明确采空区的位置及形态,钻探严格控制回次进尺以及转速,岩芯的采取率为 80%-100%,回次采取率大于90%。
3. 根据权利要求2所述的穿越采空区隧道的支护方法,其特征在于:所述砼护结构,按 重量份计,包括:水泥380-390份、砂770-780份、碎石1010-1030份、水16〇-17〇份以及气密剂 36-40份,砼护结构的水胶比为0 • 3-0.5。
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