磁東線大協(xié)站采空區(qū)穩(wěn)定性評價與整治

張永柱 王清秋

(濟南鴻運鐵路巖土工程有限責任公司,山東濟南 250022)

1 工程概況

磁(窯)東(都)線大協(xié)站位于山東省新泰市小協(xié)鎮(zhèn)大協(xié)村北部,周圍有采空區(qū)分布,從2006年起線路兩側(cè)多次發(fā)生地面塌陷。采空區(qū)整治之前,為確保行車安全,列車限速25 km/h通過,已嚴重影響了磁東線的正常運營。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

磁東線大協(xié)站位于新泰市小協(xié)鎮(zhèn)大協(xié)村北側(cè),南臨蒙館公路(333省道)。該區(qū)位于蓮花山與蒙山山脈兩大分水嶺之間,宏觀地貌單元為半緩階地型丘陵,站場內(nèi)地形開闊平坦,地勢南高北低,附近為村莊和農(nóng)田。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為新蒙向斜的南翼,構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造。本區(qū)斷層多形成于燕山期,在喜馬拉雅山期又有活動,斷層的特點具有多期性與繼承性,多為正斷層,落差由淺部向深部變小或尖滅,主干斷層多有伴生次一級斷層,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。主要有大協(xié)站東側(cè)的羊流斷層,北部及東部的蓮花山斷層?？辈旆秶植加蠪20-1、F20-2(如圖1 所示)。

根據(jù) 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001),該區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

2.3 地層巖性

粉質(zhì)黏土層厚3.0～10.5m,平均厚度4.3m,局部夾砂。砂類土多為中砂和粗砂,層厚1.1～8.6m,平均厚度5.9m,為古小汶河河床所沉積,夾有圓礫、卵石等。

含煤地層以泥巖、頁巖夾砂巖為主,間夾第一、四層灰?guī)r,厚147～172m,為海陸交互相沉積。泥巖中含蘆木、輪木、楔葉木等化石,石灰?guī)r中富含紡錘蟲、海百合莖等化石。大協(xié)車站附近可采煤層為11、13、15層煤,勘察深度范圍內(nèi)11、13煤已揭露(如圖2所示)。

2.4 水文地質(zhì)條件

圖2 大協(xié)站采空區(qū)1-1′工程地質(zhì)剖面

區(qū)內(nèi)地表徑流主要為北部的小汶河,小汶河常年流水,自東向西流過。站場北部有礦區(qū)間歇性排水,致使低洼處終日積水。

地下水包括第四系壤中潛水和巖溶裂隙水。第四系含水層為分布于粉質(zhì)黏土之下的中粗砂層,平均厚度4.3m。據(jù)協(xié)莊煤礦抽水試驗資料,含水層單位涌水量 1.204～22.604 L/s·m,滲透系數(shù) 35.38～469.78m/d,屬富水性強的孔隙水含水層,地下水類型為重碳酸硫酸鈣型、重碳酸硫酸鈣鎂型淡水。巖溶裂隙水主要賦存于石炭系上統(tǒng)太原組四灰中以及泥巖頁巖裂隙中。據(jù)協(xié)莊煤礦資料,鉆孔單位涌水量0.002～6.180 1 L/s·m,滲透系數(shù)0.0057～76.777m/d,水質(zhì)類型為重碳酸硫酸鈣型水。據(jù)調(diào)查,站場周邊礦區(qū)較多,地下水受礦區(qū)排水影響較大。

3 采空區(qū)的分布、特點及穩(wěn)定性評價

3.1 采空區(qū)的分布

根據(jù)調(diào)繪、物探及鉆探資料綜合分析,站場內(nèi)采空區(qū)主要分布在以下兩個區(qū)域。

(1)K54+112～K54+157

該段11煤大部分已經(jīng)剝蝕。13煤埋深26.8～39.2m,其中基巖厚度16.5～29.4m,其直接頂板灰?guī)r平均厚度6.5m,溶蝕嚴重,煤層厚度1.0～2.9m。該層煤為該段主要開采煤層,大多已被開采。

(2)K54+191～K54+248

物探資料顯示,該段內(nèi)11煤已采,煤洞多呈空或半空狀態(tài),在鐵路線范圍內(nèi)已形成通道。鉆探揭示,11煤埋深16.1～23.0m,頂板為頁巖、泥巖互層,頂板厚度6.1～12.5m,煤層厚度1.6～2.4m,為該段主要開采煤層,采空區(qū)局部充填有煤灰及矸石,與物探結(jié)果相符。13煤埋藏深度50～55m,煤層厚度1.4m左右,鉆孔揭示該層煤未開采。13煤頂板為巖溶化石灰?guī)r,溶蝕現(xiàn)象發(fā)育,局部揭示有較大溶洞,豎向尺寸1.2～3.8m,局部充填黏性土及灰?guī)r角礫。據(jù)礦區(qū)資料,該區(qū)段15煤埋深較大,勘探深度內(nèi)未揭露。

勘察范圍內(nèi)其他地段各煤層均未開采或僅以煤洞式開采。

3.2 采空區(qū)的特點

采空區(qū)所處地理位置及工程地質(zhì)條件決定其具有如下特點:

(1)該區(qū)位于 11、13、15煤露頭附近,采空區(qū)埋藏淺。

(2)上覆厚層砂類土,土質(zhì)松散且含水量豐富。

(3)含煤地層為泥巖、頁巖夾砂巖及灰?guī)r,泥巖、頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育,灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象發(fā)育,采空區(qū)頂板力學性質(zhì)較差。

(4)開采年限久遠(已超過60年),開采方式簡單,僅為局部支撐式或巷道式開采。隨著時間推移,煤柱支撐作用逐漸減弱,開采范圍無嚴格規(guī)劃,采空區(qū)分布不規(guī)則。

(5)人類活動對采空區(qū)影響大。該采空區(qū)周圍分布有多座大小型煤礦,礦區(qū)長期抽排地下水,造成采空區(qū)水位波動,從而影響采空區(qū)的穩(wěn)定。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10027—2001)、《鐵路工程地質(zhì)手冊》(1999年版),小窯采空區(qū)可結(jié)合其特點,按以下方法綜合判定采空區(qū)地基穩(wěn)定性。

(1)確定臨界深度H0

小窯采空區(qū)如圖3所示,其頂板巖塊ABCD因重力G的作用將會下沉,兩邊的楔形體ABM和CDN也對其施以水平壓力P。因此,在AB和CD兩個面上將存在著因P的作用而產(chǎn)生的摩阻力F。取單位長度為采空區(qū)計算單元體,建筑物作用在其上的單位壓力為R,根據(jù)豎直方向受力平衡,作用在采空段頂板上的壓力Q為

Q=G+2aR-2F

圖3 小窯采空區(qū)頂板穩(wěn)定性示意

式中 Q——單位長度頂板上所受的壓力;

G——單位長度頂板上巖層的總重力,G=γ×H×2a;

γ——上覆巖層重度,取25(g/cm3);

H——頂板埋藏深度;

a——寬度的一半;

R——建筑物基底的單位壓力;

P——楔形體ABM和CDN作用在AB或CD面上的主壓應(yīng)力,當取其最大值時,

φ——巖層內(nèi)摩擦角;

F——單位長度頂板側(cè)壁的摩阻力,F=P×tanφ;

則有

當Q=0時

此時采空區(qū)頂板上方巖層的自拱力恰好能保持平衡而不塌陷,該H0即為臨界深度。

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2005),取R=60 kPa;綜合考慮巖體的強度、結(jié)構(gòu)類型、節(jié)理發(fā)育程度 、地下水等,取 φ=60°;γ=25 g/cm3,則有

小窯采空區(qū)巷道式開采時,a=2.0～6.0m,則H0=18.7～52.3m。

(2)穩(wěn)定性評價

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》(1999年版),當H＜H0時,頂板及地基不穩(wěn)定;當H0＜H ＜1.5H0時,頂板及地基穩(wěn)定性差;當H＞1.5H0時,頂板及地基穩(wěn)定。對于第四系土層,按3∶1換算為基巖厚度。

所以,當H ＞1.5H0=28.0～78.5m 時,頂板及地基穩(wěn)定。第四系土層平均厚度約10m,換算后,可得采空區(qū)穩(wěn)定的安全深度為H=34.7～85.2m。

大協(xié)站采空區(qū)埋深16.1～39.2m,小于安全深度H=34.7～85.2m,并且開采年限久遠,煤柱支撐作用逐漸減弱,加上人類活動及地下水的影響,其頂板及地基不穩(wěn)定。

4 采空區(qū)的整治

4.1 整治方案比選

根據(jù)近幾年鐵路、高速公路采空區(qū)的治理經(jīng)驗,結(jié)合該采空區(qū)特點,對以下四種方案進行比選。

(1)橋跨方案

跨越采空區(qū)的橋梁,一般采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該方案存在灌注樁如何穿過采空區(qū)的問題,處理不好會影響施工質(zhì)量,而且采空區(qū)塌陷也會影響基礎(chǔ)穩(wěn)定性。另外,橋梁施工對既有線運營干擾嚴重,且經(jīng)濟上造價較高。

(2)井下支撐方案

可通過鉆孔灌注混凝土或井下砌筑片石等方法,在采空區(qū)內(nèi)形成支墩,達到加固采空區(qū)的目的。該方案要求采空區(qū)頂板相對完整,且具有一定強度,井下砌筑片石還要求井下具有人機通道。該采空區(qū)開采年代久遠,部分已坍塌,且頂板泥巖、頁巖夾砂巖及灰?guī)r,泥巖、頁巖節(jié)理裂隙發(fā)育,灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象發(fā)育,力學性質(zhì)較差。

(3)水沖砂方案

該方法一般用在空洞體積較大且貫通性好的采空區(qū)域,依靠砂的自重以及水的流動攜帶砂料充填空洞。但該方案頂板處一般較難填充密實,僅靠水壓支撐頂板,一旦水位下降,便會影響加固效果。而且該方案用于鐵路和高速公路采空區(qū)處理可以借鑒的成功經(jīng)驗較少。

(4)注漿充填加固方案

注漿充填加固方案為目前鐵路、高速公路等領(lǐng)域普遍采用的采空區(qū)治理方案,注漿材料一般選用水泥漿,摻加適當比例的粉煤灰可以降低造價。對于較大空洞區(qū)域或耗水量大于1m3/min時可以水泥漿沖砂或灌注水泥砂漿。開始灌注時可采用自流灌注,當依靠材料自重無法滿足灌注要求時采用壓力注漿,充填裂隙、壓密松軟地層。該方案工藝簡單,可操作性強。

根據(jù)以上分析,注漿充填加固方案技術(shù)上適用、可行,經(jīng)濟上合理。

4.2 方案設(shè)計的主要內(nèi)容

(1)確定處理范圍

根據(jù)勘察資料和穩(wěn)定性評價結(jié)果,確定K54+112～K54+157段、K54+191～K54+248段需進行處理。綜合考慮采空區(qū)的埋藏深度、采空區(qū)頂板基巖的構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育情況、巖石強度、地下水等,確定K54+112～K54+157段處理深度為39m,K54+191～K54+248段處理深度為23m,處理深度范圍內(nèi)的溶洞一并處理。站場兩側(cè)處理范圍為路基坡腳外10m。

(2)注漿孔的布置

注漿孔的排距、間距應(yīng)根據(jù)采空區(qū)頂板強度、采出率、裂隙連通性以及線路情況等確定。

排距4～6m,可根據(jù)線路情況適當調(diào)整;孔距6m,注漿異常地帶適當加密;邊緣排在注漿孔相鄰孔間布置淺孔,鉆至基巖面,注漿加固上部第四系地層,防止站場外地層沉降影響路基穩(wěn)定。注漿孔應(yīng)鉆至采空區(qū)底板;孔徑 φ127 mm,變徑后終孔孔徑不小于φ91 mm。

5 結(jié)論

自2008年初采空區(qū)整治竣工以來,大協(xié)站站場路基穩(wěn)定、運營狀況良好,達到了治理路基采空區(qū)病害的目的?？偨Y(jié)從采空區(qū)勘察到整治的全過程,有以下結(jié)論:

(1)準確的勘察資料是采空區(qū)整治成功的前提;

(2)根據(jù)勘察資料進行切合實際的穩(wěn)定性評價是采空區(qū)整治的關(guān)鍵,而相關(guān)地質(zhì)參數(shù)的取值直接關(guān)系到評價結(jié)果的準確性;

(3)根據(jù)穩(wěn)定性評價結(jié)果,結(jié)合采空區(qū)具體的工程地質(zhì)條件等因素,選擇技術(shù)上適用、可行,經(jīng)濟上合理的整治方案,可確保采空區(qū)整治成功。

[1]中鐵濟南勘察設(shè)計咨詢院有限公司.磁東線大協(xié)站地面塌陷整治工程勘察報告[R].濟南:中鐵濟南勘察設(shè)計咨詢院有限公司,2007

[2]中鐵濟南勘察設(shè)計咨詢院有限公司.磁東線大協(xié)站地面塌陷整治工程方案設(shè)計[R].濟南:中鐵濟南勘察設(shè)計咨詢院有限公司,2007

[3]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1999

[4]TB10027—2001 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[5]TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S]