鐵路下伏采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理研究

近年來，以礦產(chǎn)為中心的資源型城市普遍選擇轉(zhuǎn)型發(fā)展，在轉(zhuǎn)型的過程中，交通成為各地政府關(guān)注的問題。鐵路交通既經(jīng)濟(jì)又安全，是交通建設(shè)的首要選擇。對于礦產(chǎn)資源型城市，進(jìn)行鐵路建設(shè)時(shí)往往要穿過地下礦藏開采后留下的采空區(qū)。由于鐵路對路基的穩(wěn)定性要求較高，采空區(qū)的地質(zhì)不良問題已成為鐵路修建過程中的一大難題[1][2],[4]～[8]，采空區(qū)的鐵路路基修建之前，必須要進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)分析。

本文以四川成昆鐵路甘洛縣段為例，使用概率積分法預(yù)計(jì)了采空區(qū)沉降量，分析了老采空區(qū)的殘余變形對鐵路路基施工的影響，并針對采空區(qū)的沉降和水平變形問題以及注漿加固提出了治理方案。

工程概況

成昆鐵路甘洛縣段通過四川省甘洛縣，縣境內(nèi)存在儲(chǔ)量巨大的鉛鋅礦，經(jīng)過較長時(shí)間的開采，現(xiàn)已形成了影響范圍較大的采空區(qū)。由于境內(nèi)地勢起伏不定、多山多水，因此，從較為平坦的礦區(qū)通過是成昆線修建的最好選擇，但該線路也不可避免地要穿過采空區(qū)，該礦區(qū)各項(xiàng)數(shù)據(jù)包括：礦層傾角2°～6°，礦層采厚4.6m，開采深度350m～450m，采深采厚比76m～98m 。

地質(zhì)條件

根據(jù)實(shí)地鉆孔分析得知，鉛鋅礦層主要存在于震旦系燈影組與寒武系之間，礦層分為3層。該礦層的上部為砂質(zhì)泥巖礦層，礦層下部為硅質(zhì)白云巖，礦體則分布在砂質(zhì)白云巖中，含礦巖性表現(xiàn)為竹葉狀微晶白云巖。通過土力學(xué)試驗(yàn)與資料查證得知，檢測區(qū)內(nèi)巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

概率積分法預(yù)計(jì)

采用概率積分法預(yù)計(jì)該鉛鋅礦區(qū)的沉陷、水平移動(dòng)，數(shù)學(xué)模型如下:

（1）沉陷

（2）水平移動(dòng)

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

通過概率積分法計(jì)算可知，殘余沉降的最大值為0.24m，地表殘余水平移動(dòng)在沿路基方向上的最大值為0.08m，地表殘余水平移動(dòng)在垂直路基方向的最大值為0.06m，通過進(jìn)一步計(jì)算，繪出3種變形曲線（圖1～圖3）。沉陷與水平移動(dòng)會(huì)對路基產(chǎn)生拉伸和扭曲等破壞，對列車的行駛造成安全隱患。采空區(qū)的地表殘余應(yīng)變是長期的，不會(huì)突然發(fā)生，但由于鐵路路基屬于重要設(shè)施，對地基穩(wěn)定性要求較高，所以必須對該采空區(qū)進(jìn)行加固處理。

注漿加固與注漿效果檢測

鐵路需要穿過采空區(qū)時(shí)，一般不穿過曲率變化主斷面內(nèi)，采空區(qū)的下沉?xí)?dǎo)致鐵路路基的下沉，使路基產(chǎn)生起伏，對列車的形式可能產(chǎn)生不良影響；當(dāng)采空區(qū)地表發(fā)生沿鐵路方向移動(dòng)變形時(shí)，軌道會(huì)發(fā)生彎曲變形；當(dāng)采空區(qū)地表發(fā)生垂直鐵路方向移動(dòng)變形時(shí)，軌道會(huì)發(fā)生傾斜。

圖1 殘余沉降圖

圖2 沿鐵路方向水平移動(dòng)圖

圖3 垂直鐵路方向水平移動(dòng)圖

根據(jù)以往對公路、鐵路下伏采空區(qū)的治理經(jīng)驗(yàn)并考慮該項(xiàng)目的實(shí)際情況以及當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因素，針對該采空區(qū)的治理，建議采用鉆孔注漿法[6]。

注漿參數(shù)

影響加固結(jié)果的參數(shù)主要包括: 鉆孔間距、注漿壓力、漿液配比。

1.鉆孔間距

注漿加固的原則應(yīng)當(dāng)包括保證列車的安全行駛以及采空區(qū)局部覆巖的填充密實(shí)度。注漿加固既有線路時(shí)，注漿壓力一般較小，一般情況下，加固既有線路下部覆巖時(shí)，注漿孔間距取3m～6m。注漿加固在建的鐵路路基工程時(shí)，在保證地面構(gòu)筑物穩(wěn)定的前提下，可以提高注漿壓力加大注漿孔間隙。

通過對該采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性的分析，建議在該加固工程中，注漿孔間距取值如下：路基范圍內(nèi)注漿孔間距取15m；路基坡腳外至采空區(qū)邊界之間的注漿孔間距取20m；帷幕孔布置在采空區(qū)邊界，共布置一排，間距取10m。

2.注漿壓力

注漿壓力要根據(jù)注漿孔的大小來取值，在覆巖完全被破壞之前，單孔的注漿壓力與注漿量曲線接近一條直線。經(jīng)過多次試驗(yàn)后決定在本工程中注漿壓力取值0.75MPa，所注漿液為水泥粉煤灰漿，制漿工藝流程如圖4所示，水泥粉煤灰水漿的水固比取1:1.2，對空洞以及冒落帶進(jìn)行注漿時(shí)，水固比應(yīng)當(dāng)適量減小。固相材料中水泥與粉煤灰的比例為1:4。對帷幕孔注漿時(shí)，還須在漿液中摻入水玻璃作為速凝劑，其摻入量取水泥重量得1%～4%。速凝劑可以加快凝固灌入帷幕孔的漿液,使之盡快形成帷幕。發(fā)生以下現(xiàn)象時(shí)可停止注漿：①隨泵壓的逐漸升高，當(dāng)泵量小于70L/min,孔口壓力在1.0MPa～1.5MPa之間,穩(wěn)定在10min～15min時(shí)間內(nèi)。②注漿孔冒漿。

圖4 制槳工藝流程圖

3.注漿質(zhì)量的檢驗(yàn)方法[7]:

鉆探法:鉆探檢驗(yàn)一般在注漿施工結(jié)束6個(gè)月后進(jìn)行,通過設(shè)置檢查孔分析得到采空區(qū)覆巖的水泥漿填充情況,合格標(biāo)準(zhǔn)為漿液結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.3MPa，同時(shí)結(jié)合鉆探過程中循環(huán)液的漏失情況對注漿質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

檢查孔的布置應(yīng)遵循4項(xiàng)原則[8]：檢查孔主要設(shè)置在采空區(qū)上方的路基兩側(cè)；檢查孔應(yīng)均勻設(shè)置在兩個(gè)或三個(gè)注漿孔之間，不能設(shè)置在注漿孔上，也不能設(shè)置在距離注漿孔過近的位置；檢查孔應(yīng)盡量布置在風(fēng)險(xiǎn)較高的位置，如覆巖裂隙較大的區(qū)域、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域等；檢查孔的數(shù)量應(yīng)不少于注漿孔總數(shù)的2%～5%且至少布置兩個(gè)檢查孔。

物探法：對比采用高密度電阻率映像法與高分辨率地震聲納法的結(jié)果，波速大于160m/s則認(rèn)為采空區(qū)漿液充填符合質(zhì)量要求。

結(jié)論

通過對鉆探和物探的綜合分析，最終得出注漿質(zhì)量評價(jià)。概率積分法預(yù)測的成昆鐵路甘洛縣段下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性較好，下沉與殘余應(yīng)變會(huì)在未來數(shù)十年內(nèi)均勻漸變，不會(huì)產(chǎn)生突然性的塌落沉陷。但由于鐵路路基對地表穩(wěn)定性要求較高，采空區(qū)上部有應(yīng)力集中問題，采空區(qū)的下沉以及橫向、縱向變形會(huì)對鐵路造成破壞，對列車行駛造成危害，考慮到列車行駛的動(dòng)應(yīng)力與荷載等情況，需要對該采空區(qū)進(jìn)行加固處理。

采用鉆孔注漿法加固處理，對采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行注漿加固，用漿液填充采空區(qū)覆巖裂隙與離層，使之形成一個(gè)完整的具有一定剛度的巖板結(jié)構(gòu)，能有效抵抗老采空區(qū)塌陷的向上發(fā)展，使地表只產(chǎn)生相對均衡的沉陷，以保證地表構(gòu)筑物的安全[1]。鉆孔施工后需對鉆孔結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)應(yīng)包括布置方式，鉆孔位置以及鉆孔數(shù)量等。注漿結(jié)束后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行注漿質(zhì)量檢驗(yàn)，包括鉆探、物探、綜合分析等，并在實(shí)地檢驗(yàn)后進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，工程規(guī)范以及各種資料機(jī)型得出最重綜合評價(jià)，確定注漿質(zhì)量是否合格。