穿越采空区桥隧工程危害效应及对策分析

穿越采空区桥隧工程危害效应及对策分析

商聪,余成浪,孟海连

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摘要：高速公路桥隧下伏采空区潜在危害性评价及其处治技术的研究，是目前高速公路建设中急待解决且具有挑战性的技术难题。文章以某穿越采空区的桥隧工程为例，对桥隧工程施工过程中的各部分受力特征进行数值模拟，分析了穿越采空区桥隧工程危害效应并做出预测，研究结果表明对采空区进行注浆补强处治和加固桥隧工程关键部位设计和施工，具有重要的理论指导意义和工程实用价值。

关键词：采空区；桥隧工程；危害效应

1、某穿越采空区桥隧工程概况

某穿越采空区的桥隧工程是高速公路的一项两桥四隧工程，线路途经了三个煤矿采空区，施工难度较大。当地受到煤矿开采的影响，煤层顶板和底板位置的岩性为泥岩，采空区位于桥隧工程施工经过点段，在采空区地表处肉眼可见明显的塌陷坑。本段桥隧工程需要穿越采空区，采空区地貌为黄土高原丘陵区，顶面平缓，采空区内侵蚀较为严重，地形出现明显的起伏变化，各个位置的煤层开挖状况不同。

2、穿越采空区桥隧工程危害效应分析

2.1模型构建

在分析桥隧工程危害效应的过程中，需要借助一些分析工具。该桥隧工程施工难度较大，并且国内外并没有太多可以借鉴参考的理论和实践经验。从普遍情况来看，对较为复杂的桥隧工程危害效应分析一般选择FLAC3D软件进行模型构建。但是受到施工难度的影响，整个建模过程的计算数据较多，需要花费较长的时间。针对这一情况，对模型进行了优化处理。借助处理软件，进入本次桥隧工程的数据库中，选择相应的文件，然后对各种地形数据进行重新处理，重新建模和划分，简化了原来的处理过程，完成了穿越采空区桥隧工程模型构建。根据构建完成的模型，掌握了本次桥隧工程的岩土体物理力学参数，并且分析了整个施工过程。

2.2模拟分析过程

本次桥隧工程穿越的地下采空区是之前采矿留下的，对其进行注浆处理，然后进行隧道开挖，完成桥隧工程施工。借助桥隧工程模型，能确定桥隧工程的特征参数和受力特征，模拟分析过程如下：

(1)根据本次桥隧工程施工所在地的地形地貌特点，进行了基础应力场计算，通过处理，忽视其他所有因素，只考虑基础的初始应力；

(2)根据施工现场勘探结果，确定采空区的具体分布，然后根据采空区的回采时间预测，分析采矿工作可能对该地点的地表影响以及应力影响，分析其特征变化；

(3)在采空区煤矿停采之后，对采空区进行注浆处理，然后开挖隧道，完成桥隧工程施工过程，并且在施工过程中，分析地表变形，分析桥隧工程的变形和受力特征[1]。

2.3模型分析结果

2.3.1采空区地表变形特征

根据桥隧工程施工要求和采空区煤层开采的特点，对本次桥隧工程施工过程进行模拟计算，确定地表变形特点和可能出现的沉降位置，得出最大沉降值。通过模型分析可以看出，在桥隧工程施工过程中，需要采取相应的安全处理措施，尤其是注浆处理，以保证桥隧工程的施工安全。

2.3.2桥隧工程变形特征

根据模型分析和计算结果可以看出，桥隧工程会出现结构变形。而注浆处理对于隧道的影响较小，隧道经过处理之后，不会出现较大程度的变形。不过桥梁部分会出现墩台变形和沉降，这样就会影响到桥梁的施工质量。因此针对这一部分，通过注浆处理之后可以看出，桥梁的变形明显变小，可以满足施工要求。

2.3.3桥隧工程受力特征

桥隧工程穿越采空区，受到采空区边缘应力的影响，导致其拉应力增大，因此要做好这一部位的支护。从具体的拉应力变化可以看出，对于受力关键部位需要采取补强措施，以保证桥隧工程的施工安全。

3、穿越采空区桥隧工程施工对策

3.1施工要点

3.1.1重视煤层赋存条件

采空区煤层的分布并不相同，针对这一情况，穿越采空区的桥隧工程根据煤层的分布不同也会有不同的断面构造，也就使得桥隧工程各个部位的稳定性有所差别。针对这一问题，需要重视煤层本身的赋存条件，根据采空区的构造不同，采取针对性的处理措施。

3.1.2重新分布隧道开挖应力

在桥隧工程施工过程中，根据隧道应力的分布状态，会有不同的受力变化，因此也需要采取不同的施工方法。如果隧道围岩应力与岩体强度相比较大时，桥隧工程的施工会让隧道开挖部分的压力较大，进而影响到围岩的岩体，造成岩体与隧道接触部分出现松动甚至变形，而这一变形又会造成围岩松动，很容易出现塑性干扰。针对这一情况，需要合理分布隧道开挖应力。在桥隧工程施工过程中，可以选择对采空区采取一定的支护措施，这样就不会由于桥隧工程的施工导致采空区岩体进一步破坏。通过现场处理，可以确定塑性区半径R0的大小，具体的计算公式如下：

式中：

R0为塑性区半径；a为桥隧工程施工面的半径；Ρ为原岩应力；Ρi为围岩应力；c为围岩内聚力；为围岩内摩擦角[1]。

3.1.3增加断面预留量

在采空区进行桥隧工程施工时，尤其是在由于煤层开挖而出现的采空区施工时，本身煤层较软，很容易出现变

形，因此要尽可能合理增加断面预留量，这样在出现变形的时候能留出足够的处理空间。

3.2穿越采空区桥隧工程施工方案设计

在桥隧工程施工过程中，由于采空区和桥隧工程两者的位置分布不同，需要采取不同的施工方案，这样才能进行相应的支护处理，以免桥隧工程在施工中受到采空区的影响而出现变形或者塌陷。

3.2.1采空区在桥隧工程的上方

当采空区在桥隧工程的上方，尤其是在一些采空区与隧道顶部距离较近的时候，很容易出现压迫，造成隧道直接塌陷，因此需要对桥隧工程进行相应的支护处理。支护方法是在隧道的顶部用格栅钢架进行支撑，以免隧道顶部发生变形，并且增加管棚，管棚内部做注浆处理，以提高其强度，使其能承载更大的压力。

3.2.2采空区在桥隧工程横断面中部

桥隧工程施工时若需要横跨采空区，单纯采用加固的方式并不能达到施工要求，可以选择全新的方式进行处理。采煤过程中，煤层开采出来之后往往会填充一些弃土和矸石等，而在桥隧工程施工中，可将这部分填充物挖出来，重新填充块石，并且浇筑水泥砂浆或者混凝土，这样能提高采空区的承载力，并且不会改变采空区原本的状态，还能让整个开挖过程更加方便，也能尽可能避免桥隧工程开挖过程中出现较大程度的变形甚至破损。

3.2.3采空区在桥隧工程断面顶部和底部

桥隧工程如果是直接穿过采空区，采空区就会位于桥隧工程断面的顶部和底部，这样需要对顶部和底部分开治理。在桥隧工程顶部增加管棚，管棚内部做注浆处理，提高其强度，然后借助格栅钢架进行支撑。在隧道顶部围岩处，还需要增加混凝土护拱，借助钢筋网进行加固支撑。在桥隧工程底部，改变原本采空区的填充物，用水泥砂浆进行固定，然后采用仰拱的方式施工[2]。

3.2.4采空区在桥隧工程下部

采空区如果在桥隧工程施工地点的下部，需要预防的问题就是采空区本身的承载能力较弱，桥隧工程施工很容易造成原本平衡的压力失衡，然后隧道出现下沉，因此需要进行加固处理。在隧道内注入水泥砂浆，能提高采空区的承载力，避免隧道下沉，也能让隧道在之后的使用过程中不会由于车辆通过造成承载力变化而影响到采空区的稳定。在实际的桥隧工程施工中，应从具体的施工条件人手，如果施工条件可以满足需求，也可以选择旋喷桩固结隧道底岩体，这种方式和一般的加固方式相比效果更好。如果采空区与桥隧工程的底部距离较远，超过15m的时候，尽管还会有下沉的危险，但是采取注浆加固的方式会增加施工难度，也会增加施工成本，因此这种情况下一般并不选择注浆加固方式，而往往选择的是在隧道侧边挖掘斜井，在斜井内进行注浆加固，这样既能达到加固要求，保证桥隧工程施工质量，也能降低施工难度，更好地控制施工成本。

结语

综上所述，桥隧工程在建成投人使用之后承受的交通量较大，对于工程质量要求较高，如果出现结构破坏，将严重影响交通安全。在桥隧工程路线设计阶段，一般都是避开采空区。不过由于某些因素的影响，桥隧工程必须穿越采空区施工，这就需要采取一定的应对措施。本文结合某桥隧工程的实际情况，分析其危害效应，总结了穿越采空区桥隧工程施工中应采取的对策，旨在保证桥隧工程的施工质量和安全。

参考文献：

[1]王树仁,张海清,慎乃齐.穿越采空区桥隧工程危害效应分析及对策[J].解放军理工大学学报（自然科学版）,2009,10(5):492-496.

[2]梁健刚.张基屯隧道穿越采空区稳定性及治理措施数值模拟研究[D].2019