煤层采空区隧道三层超前小导管预支护施工技术

工程监管　

Ｇｏｎｇ　Ｃｈｅｎｇ　Ｊｉａｎ　Ｇｕａｎ　建筑与发展　

ＪｌａｎＺｈｕＹｕ　ＦａＺｈａｎ　・１８９・　

煤层采空区隧道三层超前小导管预支护施工技术　

刘应安李海华　

【摘要】煤层采空区是铁路隧道典型的不良地质之一，本文以赣龙铁路小密隧道施工为例，阐述三层超前小导管施工技术在煤层采空区中　

实际运用　

【关键词】煤层；采空区；三层超前小导管；预支护　

一、引曹　在铁路隧道施工中，煤层采空区是隧道施工中常遇到的不良地质，　

因为煤层采空区可能是瓦斯聚集区、积水地带、围岩破碎带等不良地　

质，原始地层被完全破坏，成洞条件困难，施工中易发生变形或坍方。　

因此有必要对隧道煤层采空区地段的施工技术进行全面、系统的分析　

和探讨。　

隧道煤层采空区施工，通常采用的超前预支护工艺是洞内长管棚　

或洞内５米超前预注浆等施工技术，但由于受开挖断面的局限，洞内长　

管棚方案施工长度、角度和注浆效果均很难达到设计要求，而洞内预　

注浆工艺周期长、分台阶施做注浆效果难达到预想要求。本文结合小　

密隧道煤层采空区地段的实际施工，对隧道煤层采空区地段的超前预　

支护工艺施工方法进行实地分析、探讨，采用三层超前小导管预支护　

技术，较好的解决了上述施工难题，对采空区施工中坍方和抑制变形　

取得了较好的效果。　

＝、工程概况　

小密隧道位于江西省会昌县小密乡内，全长１４９３ｍ。隧道为时速　

２００ｋｍ／ｈ客货共线双线铁路隧道，隧道内线间距为４．４～４．６ｍ。　

该隧道地质条件非常复杂，隧址区表层分布人工填土，第四系残　

坡积层、第四系下更新统坡洪积层，下伏基岩主要为：石炭系中统黄　

龙组（Ｃ２ｈ）灰岩；石炭系下统梓山组（Ｃｌｈ）泥质粉砂岩、粉砂岩、　

泥岩、炭质页岩、煤层；泥盆系上统三门滩组（Ｄ３ｚ）细砂岩；寒武　

系下统（∈ａ）凝灰质砂岩、变质砂岩。Ｖ级围岩占４２％；地下水较发　育；隧址区存在断层破碎带４条及岩层分界线２条。　

隧址区ＤＫ８６＋７００一＋９４０段线路穿越煤矿开采区。　

ＤＫ８６＋７６０～＋９９８段存在煤层，部分地段存在煤层采空区。局部煤层　

地段可能存在瓦斯富集。经地质勘探分析后确定该段按低瓦斯工区设　

计和施工，隧道衬砌支护结构按三级瓦斯地段设防。路线附近分布有　

深浅不一的煤矿探洞，无任何支护，开采后未进行人工回填，部分探　

洞自然垮塌掩埋，少量洞内存在积水情况，对隧道施工存在一定影响。　

施工风险极高。　

小密隧道是具瓦斯、岩溶、软弱围岩及复杂地质于一身的极高风　

险隧道，是赣龙铁路的重点控制工程。　

三、三层超前小导管作用原理　

在隧道开挖以后，掌子面围岩将改变原来的初始应力状态，进行　

应力重分布，形成二次应力状态。小导管注浆在隧道开挖前就相应改　

变了围岩的初始应力状态，因此直接影响二次应力状态的结果。在形　

成二次应力过程中，小导管将起到支撑梁和锚杆的作用，因而诱导改　

变二次应力分布状态，产生有别于未加固围岩的二次应力状态；另外，　

注浆后改变了岩体的变形参数（Ｅ、ＩＩ）和强度参数（ｃ、ｆ），使Ｅ、Ｃ、　

ｆ值提高，ｕ值减小，这样提高了围岩本身的自稳能力。通过这两方面　

的作用，使得隧道在开挖时，围岩塑性区出现的时间得到延缓，并使　

围岩的塑性区域减小。　

三层超前小导管作用原理　

１、小导管在超前支护中起到荷载传递的作用，超前小导管的存　

桩间地基土。　

②要在雨后钻机下铺设碎石垫层，不能扰动地基土。　

③施工图标示桩顶高程以上预留５０一１００毫米的厚土层，待检槽合　

格后，才能开挖至施工图标示桩顶高程。　

３－３、应注意的质量问题　

３．３．１、对于密实砂层和较硬的土层，不应该使用振动沉管法成桩，　

以免振动挤密时破坏土的机构，减小密度，降低承载力。　

３．３．２、泵压成桩工艺要控制好提钻的速度，按照合理科学的施工　

顺序，并根据土层的实际情况调整施工工艺，以防提钻过快发生缩径　

和断桩现象。　

３．３ｌ３、在施工过程中，拔管速度要保持均匀一致，控制好留振的　

时间，避免因为拌合料而出现离析，造成桩体强度不均匀。　

３．３．４、对活瓣打开的宽度和提钻速度要进行严格的控制，使拌合　

料充分下落，防止土与桩体材料混合，导致桩身渗土等缺陷。　

３．３．５、接桩，当桩顶高程低于施工图标示高程时，如开槽或剔除　

桩头必须进行补桩，这时可以选用比桩体强度高一等级的豆石混凝土接　

桩，以达到施工图标示桩顶标高，在接桩过程中要注意保护好桩间距。　

３．４、ＣＦＧ桩施工质量控制措施　

３．４．１、施工操作不当　

钻杆进入土层预定高度后，开始泵送拌合料，管内空气从排气阀　

排出，待钻杆芯管及输送管充满拌合料且呈连续体后，应及时提钻，　

保证拌合料在一定压力下灌注成桩。　３．４．２、桩体上部存气　

为防止桩体因管内空气无法排出而形成空洞，施工时要对排气阀进　

行检查，防止堵塞，如果发现堵塞现象要及时采取措施对其进行清洗。　

３．４．３、防止缩颈和段桩的措施　

要优先拌合料配料，对最大粒径和大粒径颗粒含量进行控制，保　

证工作度适宜，拔管速度要合适，在拔管时使用自动测量装置监控管　

内拌合料顶面高程的变化，导管的内壁要保持光滑，接头要保持平顺，　

使用前应进行摩阻测试和灌注模拟试验。　

总的来说，本文通过对贵广铁路铁路路基工程中应用ＣＦＧ桩复合　

地基处理技术的经验总结，阐述了笔者的看法和建议，为同类工程做　

了借鉴与参考。　

参考文献：　

【１】杨有海．赖国泉．戈壁地区高速铁路路基填筑试验研究［Ｊ】一铁道　

学报２０１１，３３（３）　

［２】张继文．曾俊铖．涂永明．童小东京沪高速铁路ＣＦＧ桩一筏复合　

地基现场试验研究［Ｊ卜铁道学报２０１１，３３（１）　

［３】陈燕．魏宏超．徐鹏．高速铁路粉土路基改良试验研究［Ｊ卜安全与　

环境工程２０１ｌ，１８（３）、　

［４］张延杰．王旭．蒋代军．王宇泉．粉喷桩技术在加固松软土地基中　

应用［Ｊ卜低温建筑技术２０１１，３３（２）　

［５］李佳音．粉喷桩复合地基处理高速铁路软土变形的试验研究［Ｊ］一　

铁道勘察２００９，３５（３）

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在，改变了掌子面和衬砌的荷载和应力分布，将隧道开挖释放的荷载　

向前传递给掌子面前方的围岩，向后传递给初支，使得掌子面所承受　

的荷载减少，而衬砌所承受的荷载增加。　

２、超前小导管的存在，不仅使掌子面上承受的开挖释放荷载减　

小，竖向位移减小，稳定性增强，防止塌方事故的发生，有利于煤层　

采空区隧道的施工安全。　

３、小导管注浆浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或　

岩石裂隙中的水分和空气，并占据其位置，浆液强度达到后将原来松　

散的碎石或土粒胶结成一个整体，形成一个强度更大，防水性能更好　

的固结体。　

４、三层超前小导管预支护技术由于是三层小导管注浆组成，其　

注浆是在第一层（１号小导管）注浆的基础上再进行第二层（２号小导　

管）注浆，然后以外插角４｜０度的小导管（３号小导管）对围岩上方进　

行再次注浆（见三层超前小导管正面布置图和剖面图），对开挖轮廓线　

周边的围岩进行了有效加固，也对轮廓线周边的采空区进行了有效的　

处理，且施作简单、周期短，适合煤层采空区的施工。　

四、　

兰屡超葡小导管正面布置豳　

村面田　

１、本图为拱部三层小导管注浆预支护，Ａ、Ｂ两榀钢架为一循环　

（图中未示径向系统锚杆和钢架定位系筋）。　

２、超前小导管配合钢架使用，相邻两排小导管的水平搭接长度不　

小于１．５米，纵向间距为３ｍ一环。　

３、除按图示布置超前小导管外，为抑制钢架整体下沉，对上台阶　

两侧拱脚处也需注浆加固处理（可沿径、纵向偏下插打小导管）。上台　

阶锁脚钢管由原设计的一组增加至两组。　

４、超前小导管设计参数：　

小导管管长与管径参数的确定是基于对围岩的地质资料及围岩的　

压力调查。本工程处于煤层采空区，围岩松散，易塌方，经分析比较　

采用超前小导管设计参数如下：　

（１）超前小导管规格：热轧无缝钢花管，单根长５米，外径５０ｒａｍ，　

壁厚５ｍｍ。　

（２）小导管前部钻注浆孔，孔径１０ｒａｍ，孔间距１５ｃｍ，呈梅花形布　

置，前端加工成锥形，尾部长度３０ｃｍ，作为不钻孔的预留止浆段。　

（３）Ａ、Ｂ单元钢架小导管环向间距６０ｃｍ且交错布置，为控制小导　

管的角度，可在型钢的钢架腹板开孔以穿小导管，直接在Ａ、Ｂ单元钢　

架腹板钻孔定位，Ｂ钢架腹板钻孔为竖向椭圆形，以利调整２号导管的　

角度。　（４顺角：Ａ单元钢架插打１号小导管，倾角为５ｏ～ｌＯ。；　

Ｂ单元钢架插打２号小导管，倾角为２０。；　

３号小导管在Ａ、Ｂ单元之间沿Ｂ钢架顶部插打，环向间距３０ｅｍ，　

倾角为４Ｏ。。　

５、小导管施工要求：　

（１）小导管采用钻孔打人，钻孔直径比钢管直径大３～５ｍｍ，小导　

管穿过钢架用钻机顶人，顶人长度不小于钢管长度的９０％。　

（２）小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，当所有小导管　

安设完毕后，在Ａ、Ｂ单元附近及工作面喷射混凝土。　

６、小导管注浆：　

（１）水泥浆液水灰比：０．８：１（重量比）ｃ　

（２）注浆压力：０．５—１ＭＰａ．　

（３）注浆顺序：先注１号小导管再注２号小导管最后注３号小导管。　

所有注浆均自下而上进行，当一次注浆效果达不到设计终压可在较短　

时间内进行二次补注浆。　

（４）注浆过程要分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。并做好注　浆记录。　

（５）注浆压力达到设计终压时刻结束注浆。　

五、施工注意■项　

１、开挖时不爆破，采用挖机配破碎器逐榀掘进，循环进尺为一榀　

格栅钢架，尽量减少对围岩的扰动，保证施工的绝对安全。　

２、对前方地质情况进行超前地质预报，每次预报长度为８５—１００　

米，搭接长度为１０米。并施作超前物探、钻探检测线路前方、侧壁以　

及隧底地质情况，线路前方超前探孔采用　７５钻管，长度为３Ｏ一５Ｏ　

米，每次搭接５米，两侧壁及隧底每隔ｌ０米进行一次物探。　

３、对地表显露煤洞竖井周围５米范围内进行封闭防水，具体为用　

脚手架搭设防雨棚，周围设截水沟，防止雨水流入采空区。采空区浅　

埋段地表必须进行全范围封闭防水。　

４、为防止隧道施工中有害气体超限带来危险，确保施工安全和正　

常施工，煤层采空区施工中应进行全天候不间断的瓦斯检测并根据有　

害气体的含量高低、浓度大小，采取相应的技术措施。　

５、为保证钢架稳定性，按三台阶临时仰拱法及时施作临时仰拱，　

上台阶钢架及时成环。二衬及时跟进开挖面，二衬与开挖面距离保持　

在４５ｍ以内。　

６、隧道预留沉降量应放大至５０—６０ｃｍ．　

六、结语　

通过本隧道现场施工情况说明：隧道穿过采空区时采用三层超前　

小导管等施工技术，能安全、优质、高效的通过煤层采空区不良地段，　

是隧道煤层采空区施工中一种有效的、安全的方法；三层超前小导管　

施工技术还可用于浅埋偏压软弱围岩隧道。在今后的隧道施工中进行　

进一步探讨三层超前小导管施工技术，并在实践中不断研究，逐步完　

善和提高。　

参考文献：　

【１１铁道部．ＴＺ２０４－－２００８铁路隧道工程施工技术指南【Ｓ１．北京：中　

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【２】中铁二局集团有限公司．ＴＢ１０２０４－－２００２铁路隧道施工规范【ｓ】．　

北京：中国铁道出版社，２０ｏ２．　

［３】郭陕云．隧道施工技术方案及方法遴选要点［Ｍ］．隧道建设，　

２００６（６）：５２３—５２７．　

ｆ４１李晓红等．公路隧道穿越采空区治理技术研究岩土力学２００５６月