任琴雪 牛鵬飛

（1.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024；2.山西省黃河萬家寨水務(wù)集團有限公司 山西太原 030012）

1 概述

1.1 工程概況

萬家寨引黃北干線工程從黃河萬家寨水庫引水，滿足平魯、朔州、山陰、懷仁以及大同市的城市及生活用水，為關(guān)系國計民生的國家重點工程。引黃北干線工程輸水線路全長156.67 km，主要建筑物有隧洞、倒虹、調(diào)節(jié)水庫及地下泵站等。1#隧洞按輸水流量22.2 m3/s建設(shè)，1#隧洞總長43.67 km，其穿越虎頭山，通過多家煤礦采空區(qū)，在平魯區(qū)中溝灣北岸坡腳處出口。

1#隧洞下段約25 km采用TBM施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，其出口段長約13 km，沿線的地質(zhì)條件較復(fù)雜，圍巖為砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤層，裂隙發(fā)育，其中III類圍巖約占38.8%，IV類圍巖約占25.4%，V類圍巖約占35.8%。洞線從若干地方煤礦區(qū)的間隙中通過，5次穿過煤層，穿煤層區(qū)段累計長3.8 km，部分洞段還在煤礦采空區(qū)上方通過。

1.2 隧洞穿越煤礦采空區(qū)

針對隧洞穿越煤礦采空區(qū)問題，首先做了詳細的地質(zhì)勘察工作，勘察中采用了地質(zhì)調(diào)查訪問、井下測量、地面綜合物探、鉆孔驗證、地面變形監(jiān)測、巖層移動變形監(jiān)測等技術(shù)手段，找到煤礦采空區(qū)間的穩(wěn)定區(qū)段，調(diào)整隧洞走向，解決了隧洞大部分地段的穩(wěn)定問題。隧洞出口段，無法通過隧洞線路的調(diào)整避開采空區(qū)，此段為崔家?guī)X煤礦采空區(qū)，采空區(qū)處于隧洞以下，深約200 m（地面以下），塌陷變形的裂隙帶處于地表以下120 m左右，并逐漸向地面發(fā)展。1#隧洞位于地面以下50 m左右。

1#隧洞施工過程中，在施工營地（位于1#隧洞軸線南側(cè)，距離大于200 m）發(fā)生地面沉降，導(dǎo)致許多房屋產(chǎn)生裂縫，致使該營地被迫搬遷，充分證明采空區(qū)所引起的地層塌陷變形是存在并發(fā)展的，且會對隧洞的安全造成嚴重影響。

1.3 采取措施

為避免隧洞發(fā)生突發(fā)性變形，確保工程運行安全，對影響隧洞安全的崔家?guī)X煤礦采空區(qū)采取了工程處治措施加特殊的結(jié)構(gòu)措施。

2工程處治措施——采空區(qū)注漿

目前國內(nèi)尚無水工隧洞通過煤礦采空區(qū)的先例，設(shè)計根據(jù)國內(nèi)高速公路采空區(qū)處理的經(jīng)驗選用注漿法，并結(jié)合本工程實際情況進行。

工程處治措施，即對影響隧洞安全的煤礦采空區(qū)采取注漿法，通過鉆孔、注漿，將水泥粉煤灰漿液注入采空區(qū)及上覆巖體變形裂縫中，漿液形成的結(jié)石體對上覆巖層形成支撐，防止煤礦采空區(qū)的沉陷變形，保證隧洞安全。

由于1#隧洞出口段煤礦采空區(qū)布置較復(fù)雜，實際調(diào)查的采空區(qū)、空洞區(qū)，物探探測的采空區(qū)、塌陷區(qū)分布都不是很明顯，處治方法和處治工程量存在不確定性，為了保證工程質(zhì)量，整體工程施工前，在前期物探、勘察及現(xiàn)場收集資料的基礎(chǔ)上，各選一處空洞區(qū)和塌陷區(qū)，作為試驗區(qū)，進行現(xiàn)場注漿試驗，確定合理的灌漿參數(shù)，包括孔位、孔距、水灰比、注漿壓力、注漿時間及間隙時間等。試驗區(qū)為后續(xù)整體工程施工提供了技術(shù)支持，設(shè)計根據(jù)試驗結(jié)果修改了技術(shù)要求。

2.1 灌漿工程設(shè)計

2.1.1 處治范圍

采空區(qū)處治的范圍包括處治長度、寬度和深度，根據(jù)采空區(qū)的分布、埋藏深度以及上覆巖性等因素確定。

1）處治長度:沿隧洞軸線方向1 132 m，為下伏采空區(qū)的實際長度及覆巖移動影響范圍之和。

2）處治寬度:垂直隧洞軸線方向，隧洞軸線兩側(cè)各65 m，由隧洞寬度、圍護帶寬度、采空區(qū)覆巖移動的影響寬度三部分組成。采空區(qū)處治理寬度計算簡圖見圖1。

采空區(qū)上覆巖層移動影響角的選取。采空區(qū)覆巖移動的影響范圍與礦山開采方式、回采率、開采深厚比、覆巖的軟硬程度以及礦山開采時間有關(guān)。本工程采空區(qū)覆巖為二疊紀砂巖、砂質(zhì)泥巖，屬中硬覆巖，采區(qū)回采率35%～40%，參考《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》基巖移動影響角為80°～85°，考慮各種因素，參考山西以往公路工程采空區(qū)處治經(jīng)驗，選取基巖移動影響角為80°，松散層移動角取值為55°。

圖1 采空區(qū)處治寬度計算簡圖

3）處理深度:為確保隧洞安全，采空區(qū)處理深度為采空區(qū)之上至輸水隧洞頂高程以上20 m（與兩側(cè)的圍護帶寬度相一致，并大于隧洞圍巖厚度即3倍開挖洞徑），之下至采空區(qū)底板以下3 m。

2.1.2 灌漿孔與檢查孔的布置

1）灌漿孔

采空區(qū)處理范圍邊緣一圈布置邊緣帷幕孔即封邊孔，以防漿液大量流失；處理范圍內(nèi)部布置注漿孔。灌漿孔內(nèi)包含取芯孔，取芯孔的數(shù)量為5%。考慮灌漿的目的是保護輸水隧洞的安全，因此孔位的布設(shè)原則:隧洞附近較密，向兩側(cè)逐漸較疏。

排距:隧洞兩側(cè)第一排注漿孔距離隧洞中心線為7 m，第二排距離第一排18 m，第三排、第四排排距均為20 m，最外側(cè)封邊孔距離隧洞中心線距離為65 m。

孔距:第一排為13 m，第二、第三、第四排孔距均為20 m，按三角形布設(shè)。

2）檢查孔

檢查孔為檢測灌漿質(zhì)量而設(shè)，孔位布置在脫空較大、串漿孔集中的地方，設(shè)置檢查孔的數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的5%，均為取芯孔。

2.1.3 鉆孔、注漿

采空區(qū)灌漿工程，主要工序包括鉆孔、封孔、制漿、注漿等。鉆孔、注漿均分序次間隔進行，分三個序次，按一、二、三序孔依次進行，后序孔的注漿孔選擇在前序孔注漿結(jié)束一周后的鄰邊。一序孔包括取芯孔、測試孔和外圍孔，外圍孔采用跳打法進行，外圍孔水固比選用1∶1.1的漿液，二、三序孔水固比選1∶1.0的漿液，因為該孔除充填本區(qū)域內(nèi)的空洞裂隙外，還應(yīng)增大漿液擴散半徑，來補充鄰孔注漿后，由于漿液結(jié)石后出現(xiàn)的20%左右的空洞體積以及未連通的裂隙。

1）鉆孔

鉆孔深度深入采空區(qū)底板或4#煤層底板以下3 m，不得超過設(shè)計孔深5 m以上，如仍未見煤層即可終孔。

每個鉆孔應(yīng)測斜，終孔孔斜要求不超過1°。距離隧洞較近的鉆孔，要精確定位，鉆孔快達隧洞洞頂高程時對孔斜情況進行量測，確保隧洞安全。

鉆孔過程應(yīng)詳細記錄，做好鉆探原始記錄和巖芯編錄工作。鉆孔分為三種類型:

（1）掉鉆空區(qū)孔:鉆進具有明顯掉鉆（掉鉆深度大于0.5 m）、且漏水嚴重的鉆孔；

（2）冒落裂隙區(qū)孔:掉鉆不明顯、但漏水嚴重、鉆探中有較大碎石響聲、甚至有卡鉆現(xiàn)象的鉆孔；

（3）完整孔:鉆孔不漏水（或漏水很少）、鉆進平穩(wěn)的鉆孔。

2）制漿

（1）注漿材料:注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿。對原材料要求如下:

①水的pH大于4；

②水泥標號不應(yīng)低于32.5號，優(yōu)先選用礦渣水泥；

③粉煤灰要符合國家二、三級的質(zhì)量標準；

④砂:采用天然砂，粒徑不大于2.5 mm，有機物含量不大于3%；

⑤石屑或礦渣:可根據(jù)空洞和裂隙寬度及現(xiàn)場試驗選擇填充骨料，但粒徑不大于10 mm，有機物含量不大于3%；

⑥水玻璃:模數(shù) 2.4～3.4，濃度 50°Be＇以上。

（2）材料配比:

水泥粉煤灰漿的水固比（重量比）按 1∶1.0～1∶1.1控制，固相比即水泥:粉煤灰按2∶8進行，施工中各類漿液必須攪拌均勻。

3）注漿

本采空區(qū)為單層，施工一次成孔，孔口封閉，自下而上，一次全灌注，各孔注漿前先用清水沖洗鉆孔不小于10 min，再根據(jù)鉆孔類型，采用相應(yīng)注漿方案。

（1）掉鉆空區(qū)孔:用1∶1.0的漿液加砂、并伴以間歇注漿；

（2）冒落裂隙孔:用 1∶1.0 或 1∶1.1 的漿液、并伴以間歇注漿；

（3）完整孔:用 1∶1.0 的漿液注漿；

（4）一序孔的外圍孔和孔內(nèi)有水的孔，選用1∶1.1漿液注漿。

4）注漿結(jié)束標準

當吸漿量小于70L/min時，孔口壓力在1.5～2.5MPa，穩(wěn)定10～15 min；或注漿孔周圍有冒漿現(xiàn)象出現(xiàn)，可結(jié)束該孔注漿施工。

5）封孔

所有鉆孔注漿結(jié)束后，采用水泥砂漿封填密實，并將孔口壓抹平整。

2.2 質(zhì)量檢測

采空區(qū)治理灌漿質(zhì)量的檢測項目，包括孔內(nèi)波速測試、漿液結(jié)石體的抗壓強度測試和變形監(jiān)測等，灌漿結(jié)束6個月后，進行鉆孔檢驗。

質(zhì)量檢測控制指標:

1）注漿漿液的充填率不小于80%；

2）漿液結(jié)石體無側(cè)限抗壓強度平均值大于1.0MPa、最小值不小于0.6 MPa；

3）檢測過程中，鉆探循環(huán)液基本不漏失；

4）質(zhì)量檢測孔內(nèi)的注漿量小于該區(qū)單孔平均注漿量的10%；

5）灌漿后鉆孔波速測試，縱波大于2 500 m/s。

檢測結(jié)果:

1）注漿前后對鉆孔檢查情況分析:注漿前鉆孔漿液漏失量大，且不返水；注漿后鉆孔漿液漏失較小，耗水量??；

2）質(zhì)量檢測孔內(nèi)的注漿量均小于該區(qū)單孔平均注漿量的10%；

3）質(zhì)量檢測孔在鉆孔過程中均取到漿液結(jié)實體，通過檢驗結(jié)實體的抗壓強度值均大于1.0 MPa；

4）注漿前后鉆孔電磁波CT測試結(jié)論:測試深度為從孔底向上延伸100 m，測試范圍內(nèi)注漿后較注漿前電磁波吸收系數(shù)降低0%～20%，個別區(qū)域達到20%以上，綜合分析注漿后地層完整性較好；

5）注漿后鉆孔攝影監(jiān)測可見到結(jié)實體；

6）注漿后超聲波測試，滿足縱波波速均大于2 500 m/s要求。

由以上質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果推測，采空區(qū)治理工程滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)構(gòu)措施——隧洞內(nèi)穿PCCP

3.1 采取結(jié)構(gòu)措施的原因

1#隧洞下段采用TBM施工，襯砌型式為六邊形蜂窩狀預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，管片與圍巖之間的空隙用豆礫石充填并進行回填灌漿，這種襯砌型式能夠較好地適應(yīng)微小而連續(xù)的變形?？紤]到水工隧洞通過煤礦采空區(qū)在國內(nèi)尚無工程先例，對采空區(qū)進行工程處治措施，能否做到全面、徹底和無遺漏還不能說有絕對把握，萬一隧洞出現(xiàn)超出預(yù)期的變形、或者發(fā)生非連續(xù)的集中變形，將會使TBM管片接頭處開裂寬度超過預(yù)期。而如果管片接縫處出現(xiàn)了大的開裂沒有及時發(fā)現(xiàn)，或發(fā)現(xiàn)后沒有充足的反應(yīng)時間停水檢修，將造成洞內(nèi)水量集中滲漏；滲漏量較大、且滲流通道同煤礦的巷道和采掘工作面溝通時，可能造成煤礦透水事故，引起人員人身傷亡。

為確保工程萬無一失，經(jīng)過慎重考慮和多方論證，對1#隧洞通過煤礦采空區(qū)的設(shè)計方案進行了更深入的研究，特別是參考了國內(nèi)、外在易發(fā)生沉降變形的隧（涵）洞內(nèi)鋪設(shè)輸（泄）水管道的成功經(jīng)驗，如非巖石地基上的壩下埋管等工程案例，重點研究了在空間有限的隧洞內(nèi)埋設(shè)大口徑管道的施工技術(shù)問題、洞內(nèi)埋管后的過水能力問題、洞內(nèi)管道在隧洞發(fā)生變形后的受力狀態(tài)問題、以及管道如何適應(yīng)隧洞變形等問題。最終確定，對隧洞通過煤礦采空區(qū)洞段再采取特殊的結(jié)構(gòu)措施，以確保萬一發(fā)生較大變形而漏水時，不致產(chǎn)生嚴重后果。

3.2 結(jié)構(gòu)措施比選

特殊結(jié)構(gòu)措施可以分為兩個方面，一是結(jié)構(gòu)加強措施，另一個是結(jié)構(gòu)后備措施?？晒┛紤]的結(jié)構(gòu)加強措施包括現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌、鋼板襯砌；結(jié)構(gòu)后備措施在隧洞內(nèi)安裝預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）。

根據(jù)目前國內(nèi)高速公路建設(shè)處理采空區(qū)的經(jīng)驗，經(jīng)過注漿處理后，采空區(qū)上方地面變形是連續(xù)變形，沉降幅度不大，據(jù)觀測資料，一般不超過50 mm。采空區(qū)進行工程處治的目的，一方面是要防止采空區(qū)塌陷形成的大的地面下沉，同時要消除非連續(xù)的突變變形。經(jīng)過工程處治措施后，由于灌漿漿體的凝結(jié)收縮、徐變和壓縮變形等原因，產(chǎn)生少量的地面下沉是難以避免的。因此，對于相互獨立的地面建筑物（如樓房），或者埋深不大的地下構(gòu)筑物，在合理控制其長高比的前提下，采取特殊結(jié)構(gòu)（如分縫）措施以加強自身強度和剛度，可以保證在地面變形的情況下維持自身的穩(wěn)定；但在埋深較大的情況下、特別是隧洞和管道這樣的連續(xù)構(gòu)筑物，加強結(jié)構(gòu)剛度不僅需要付出較大代價，而且難于通過計算確定。況且在拉伸變形量很大的情況下，容易損壞止水材料，僅僅加強結(jié)構(gòu)剛度還不能解決問題?；谏鲜龇治?，設(shè)計不考慮提高結(jié)構(gòu)強度的加強措施，所以，現(xiàn)澆混凝土襯砌和鋼板襯砌的方法不采用。

根據(jù)國內(nèi)外工程實踐，在易發(fā)生沉降變形的地基上鋪設(shè)輸（泄）水管道，如在非巖石地基上的壩下埋管時，采用在能夠較好地抵抗外力涵洞內(nèi)，鋪設(shè)有較好適應(yīng)變形能力的管道、且便于檢修的方法，是一個好的解決方案。而PCCP即具有較好的適應(yīng)地基變形的能力，特別是采用深接頭的PCCP，既可以通過接頭的伸縮來適應(yīng)縱向的伸長變形，也可以通過接頭偏轉(zhuǎn)來適應(yīng)橫向的轉(zhuǎn)動變形。據(jù)了解，國外已有在土壩下埋設(shè)深接頭PCCP的工程實例。因此，采取隧洞內(nèi)安裝深接頭的PCCP，作為結(jié)構(gòu)后備措施，可以最大限度的保證在出現(xiàn)較大的連續(xù)變形時不致很快出現(xiàn)嚴重的漏水現(xiàn)象，為停水檢修贏得寶貴的時間，確保不會引發(fā)其它安全事故。隧洞內(nèi)安裝大口徑PCCP在引黃工程聯(lián)接段已經(jīng)取得了成功，因此，本工程采取隧洞內(nèi)穿PCCP結(jié)構(gòu)后備措施。

3.3 隧洞內(nèi)穿PCCP

隧洞TBM襯砌后內(nèi)徑為4.14 m，采用專用運管車進行隧洞內(nèi)PCCP運輸、安裝和灌漿施工，PCCP選用內(nèi)徑3 200 mm。PCCP與隧洞之間空隙，首、末節(jié)采取全斷面填充混凝土進行封堵，且密實不漏水；中間段僅對管底45°范圍填充混凝土，對PCCP進行支撐作用。隧洞內(nèi)穿PCCP管標準橫剖面見圖2。

圖2 隧洞內(nèi)穿PCCP管標準橫剖面圖

4 變形監(jiān)測

在1#隧洞施工前、施工中和運行期，對影響1#隧洞的煤礦采空區(qū)均進行了變形監(jiān)測，目的是為工程設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。監(jiān)測工作有:地表變形監(jiān)測和巖層移動監(jiān)測。監(jiān)測時間從2005年10月開始（2004年5月開始施工），截止隧洞運營后三年2014年10月5日止，歷經(jīng)近10年的時間，進行了不間斷的觀測，獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)，對1#隧洞的安全施工和順利運行提供了重要的參考資料。

4.1 地表變形監(jiān)測

地表變形監(jiān)測分水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測兩部分，近十年，共完成了41次垂直位移變形監(jiān)測和18次水平位移監(jiān)測工作。

地表變形監(jiān)測結(jié)果:整體沉降量不大，垂直沉降值在允許誤差±5.6 mm范圍，水平沉降值在允許誤差±17 mm范圍，沉降值的變化大都隨季節(jié)、隨溫度變化，呈波浪式，個別點存在突變情況，最大下沉量-25.9 mm，位于隧洞出口段崔家?guī)X煤礦采空區(qū)。

從地表變形監(jiān)測成果分析，近十年的監(jiān)測，涉到的四個采空區(qū)變形量基本較小，尤其是洞線中軸的點變化都不大，而且?guī)r移變形監(jiān)測也映證了這一點。

變形原因分析:采空區(qū)土質(zhì)是濕陷性黃土，受季節(jié)因素影響大；個別監(jiān)測點的埋設(shè)位置靠近鐵路、公路，引起一定的變形；變形是局部變形，非采空區(qū)整體沉降變形。另外在采空區(qū)鉆孔、灌漿施工過程中，可能對監(jiān)測點也造成了擾動，使得個別點監(jiān)測數(shù)據(jù)突變。

4.2 巖層移動監(jiān)測

巖層移動監(jiān)測主要是利用多點位移計對已確定的煤礦采空區(qū)進行巖移變形監(jiān)測。本工程在已確定的1#和2#采空區(qū)（編號為CKQ1、CKQ2）內(nèi)安裝了4套六點式多點位移計，其中每個采空區(qū)兩套，分別布設(shè)于采空區(qū)的沉降中心和邊緣位置。依采空區(qū)編號次序?qū)⑺奶锥帱c位移計分別編號為CKQ11、CKQ12和CKQ21、CKQ22。變形監(jiān)測結(jié)果:

兩個采空區(qū)的地表均產(chǎn)生了不同程度的下沉，但總體下沉量較小。地表變形觀測量分別為:CKQ11為9.8 mm；CKQ12為 5.8 mm；CKQ21為 1.8 mm；CKQ22為3.6 mm。

四套多點位移計的24個錨頭均表現(xiàn)為下沉變形，錨頭位于洞軸線以下75 m范圍，其中各套位移計的最大變形位置及變形量分別為:CKQ11最大沉降量為1號錨頭14.3 mm；CKQ12最大沉降量為5號錨頭8.3 mm；CKQ21最大沉降量為 5號錨頭 4.2 mm；CKQ22最大沉降量為1號錨頭6.0 mm。

監(jiān)測成果分析:從整體的變形量來看，雖然該采空區(qū)產(chǎn)生了一定的沉降變形，但總體變形量較小，仍限于毫米級（沉降量占地層厚度小于0.01%），期間也未發(fā)生局部性坍塌或突變現(xiàn)象，所以認為本區(qū)巖移變形仍局限于蠕變類的變形，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；盡管該采空區(qū)區(qū)塊未產(chǎn)生大的沉陷變形，但觀測結(jié)果表明該區(qū)仍產(chǎn)生了整體性的沉降變形，且多數(shù)是深部變形大于地表變形，從而表明該變形機制來源于地下采空。

在進行變形監(jiān)測的同時，還派專人對采空區(qū)監(jiān)測范圍進行了巡視、查勘，未發(fā)現(xiàn)有明顯的塌陷、裂縫等地面情況。

5 結(jié)論

1#隧洞TBM開工于2004年6月，2010年11月全線順利貫通；采空區(qū)注漿工程于2011年至2014年進行，2013年12月完成全部鉆孔、注漿工作，6個月后完成了灌漿質(zhì)量檢測工作，2014年10月通過單位工程及合同工程完工驗收；引黃北干線工程于2011年9月16日全線建成并通水。采空區(qū)處治后，隧洞工程已運行6年多，各種觀測、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示一切正常，由此得出隧洞安全運行得到保障。

水工隧洞通過煤礦采空區(qū)在國內(nèi)尚屬首次，希望本文對以后類似工程具有參考和借鑒作用。