宜賓港鐵路采空區(qū)選線研究

梁 玉 余 海 劉 鑫 謝 勇

(中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院責(zé)任有限公司，四川成都 610081)

1 概述

新建宜賓港鐵路集疏運(yùn)中心工程近期為宜賓地區(qū)重要的支線鐵路，主要服務(wù)于宜賓港后方貨物運(yùn)輸；遠(yuǎn)期作為沿江鐵路通道(西昌—宜賓—瀘州)的一部分，鐵路等級為國鐵II級。線路自內(nèi)昆鐵路一步灘車站昆明端引出，向南經(jīng)象鼻后折向東行，以隧道形式穿越觀斗山、龍頭山，于沙坪互通附近設(shè)臨港北站，經(jīng)新龍灣附近下穿宜瀘高速公路，爾后折向西南，以隧道下穿宜南快速路，于志城碼頭下游設(shè)臨港東站，新建正線長22.60 km。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后，線路需穿越原五板橋煤礦、紅旗煤礦、溪福煤礦采空區(qū)。根據(jù)2012年底三個煤礦的儲量核實(shí)報(bào)告，線路區(qū)域主要穿越紅旗煤礦采空區(qū)，如圖1所示。

圖1 隧址區(qū)通過采空區(qū)平面位置關(guān)系

2 采空區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

測區(qū)位于四川盆地南緣，處于“紅色”丘陵盆地與云貴高原的過渡帶，山脈走向與構(gòu)造線基本一致，呈北東-南西向展布。隧址區(qū)屬低山地貌區(qū)，隧道進(jìn)口位于觀斗山背斜北西翼，現(xiàn)狀地面高程為355～385 m，整體坡度15°～30°。

2.2 地層巖性

采空區(qū)所處含煤地層為觀斗山背斜北西翼三疊系須家河組，屬陸相含煤地層，可劃分為六個段(T3xj6、T3xj5、T3xj4、T3xj3、T3xj2、T3xj1)，其中T3xj5、T3xj3、T3xj1為含煤段，T3xj6、T3xj4、T3xj2以砂巖為主。含煤地層主要為T3xj5層，T3xj3層中僅含煤線及雞窩狀薄煤(1～2層)，不可采。

正炭：煤厚0.2～0.7 m，平均0.5 m。層位穩(wěn)定，厚度變化幅度較小，屬較穩(wěn)定煤層，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0.3～0.5 m，底板為灰色砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。

上頁炭：位于正炭之上12～15 m，煤厚0.2～0.6 m，平均厚0.4 m，厚度穩(wěn)定，一般無夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡單。頂板為灰色-深灰色薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖，較破碎，易垮塌；底板為深灰色薄-中層狀砂質(zhì)泥巖。

龍枯炭：局部可采，煤厚0.1～0.4 m，平均厚0.25 m。該煤層有夾矸，灰分較高。頂板為灰色-深灰色薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖，較破碎，易垮塌；底板為深灰色薄-中層狀砂質(zhì)泥巖。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造屬新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶—四川沉降帶之西部，主要由北東向褶皺及逆斷層等組成。采空區(qū)主要位于觀斗山背斜兩翼；在觀斗山背斜南東翼發(fā)育觀斗山斷裂。

2.4 水文地質(zhì)條件

調(diào)查區(qū)內(nèi)，大氣降雨是地下水主要的補(bǔ)給來源，降水入滲是地下水的主要補(bǔ)給方式。地下水類型為賦存于第四系松散土層中的孔隙水、基巖裂隙水。

2.5 煤層采空區(qū)開采情況

根據(jù)收集的紅旗煤礦2012年礦山儲量年報(bào)，在線路通過的位置附近，正炭和上頁炭最高開采高程分別為390 m、398 m；最低開采高程為168 m和184 m；上頁炭開采厚度為30～40 cm，正炭開采厚度為20～30 cm。

2.6 采空區(qū)工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性評價(jià)

(1)線路主要跨越觀斗山背斜北西翼的原公安煤礦、象鼻煤礦及淺部小煤窯，屬老采空區(qū)。采空區(qū)段呈一單斜地層產(chǎn)出，次級褶皺及斷層不發(fā)育，構(gòu)造較簡單-中等，選線位置屬于采空區(qū)的有利區(qū)段。

(2)采空區(qū)由“上頁炭”、“正炭”及局部可采的“龍枯炭”層采空形成，平均厚約1.3 m。采空區(qū)上方地表一般未出現(xiàn)因采掘造成的塌陷、地裂縫等現(xiàn)象，線路通過區(qū)域發(fā)生較大規(guī)模地表塌陷的可能性相對較小。

(3)覆巖破壞高度計(jì)算

線路通過區(qū)各煤礦采空區(qū)均采用自由垮落方式管理頂板，未對采空進(jìn)行規(guī)范回填等處理。按照《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附表中煤層分層開采的冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育髙度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

冒落帶高度

(1)

導(dǎo)水裂隙帶高度

(2)

式(1)、式(2)中：

Hm—冒落帶最大高度(煤層法線高度)/m；

Ht—冒落帶裂隙帶最大高度(煤層法線高度)/m；

M—累計(jì)采厚/m。

區(qū)內(nèi)龍枯炭最大采厚0.3 m，正炭最大采厚約0.5 m，上頁炭最大采厚約0.5 m，將M(累計(jì)采厚)取值1.3 m代入式(1)、式(2)，得Hm=7.4 m、Ht=28.5 m。

(4)鐵路荷載影響深度計(jì)算

地表鐵路荷載使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降等現(xiàn)象。鐵路荷載的影響深度隨路基荷載的增加而增大。一般情況下，當(dāng)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)深度處地基層自重應(yīng)力的20%時，可以認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，但當(dāng)其下方存在高壓縮性土或其他不穩(wěn)定性因素(如采空區(qū)垮落、斷裂帶時)，則應(yīng)計(jì)算至地基自重應(yīng)力10%位置處，該深度即為鐵路荷載影響深度(H影)。地基中自重應(yīng)力按式(3)計(jì)算

σc=r1h1+r2h2+…+rnhn

(3)

式(3)中：r1、r2、…、rn為地基中自上而下各層土或巖石的容重/(kN/m3)；h1、h2、…、hn為地基中自上而下各層土或巖石的厚度/m。

表1 鐵路路基荷載影響深度計(jì)算

由表1可知，當(dāng)計(jì)算深度在鐵路路基高程以下30 m左右時，該深度形成的附加荷載值為74.7 kN/m2，約為同深度地基自重應(yīng)力的10%。因此，可認(rèn)為鐵路荷載影響深度H影=30 m。

(5)采空區(qū)鐵路地基穩(wěn)定性分析

煤層開采后，采空區(qū)垮落帶不再因新加荷載擾動而重新移動，最小采深(H臨)應(yīng)該大于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?Ht)與鐵路荷載影響深度(H影)兩者之和，即

H臨>Ht+H影

(4)

根據(jù)前面計(jì)算，將Ht=28.5 m和H影=30 m代入式(3)，兩者之和為58.5 m?？梢哉J(rèn)為，鐵路路基以下采空區(qū)深度小于58.5 m時，采空區(qū)可能會因上部鐵路荷載形成新的不均勻沉降或塌陷；而當(dāng)采空區(qū)埋深大于58.5 m時，采空區(qū)將仍維持原有的平衡狀態(tài)，鐵路路基出現(xiàn)新的較大沉降的可能性相對較小。

(6)采空區(qū)處理寬度確定

按《工程地質(zhì)手冊》與《建筑、水體、鐵路及主要井巷煤柱預(yù)留及壓煤開采規(guī)程》中的概率積分法，采空區(qū)附近某一具體地表點(diǎn)地表變形程度評價(jià)計(jì)算公式如下：

①下沉量

(5)

②傾斜

(6)

③曲率

(7)

④水平變形

(8)

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 采空區(qū)走向方向地表不同位置變形量

根據(jù)《采空區(qū)工程勘察設(shè)計(jì)實(shí)用手冊》中2.2.8采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)章節(jié)，當(dāng)預(yù)計(jì)地表變形值小于下列數(shù)據(jù)值的地段應(yīng)為相對穩(wěn)定區(qū)，可以作為建筑場地。

地表傾斜≤3 mm/m；

地表水平變形≤2 mm/m。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)鐵路線距采空區(qū)邊界走向水平距離≥70 m時，可認(rèn)為采空區(qū)引起的地表變形不會對鐵路造成大的影響，此時反算對應(yīng)走向的移動影響角為68°。

3 采空區(qū)治理方案

結(jié)合采空區(qū)和穿越觀斗山的工程、地質(zhì)條件，兼顧安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定性等方面，研究了“路基+隧道”和“全隧道”兩個方案(見圖2)。其中，“路基+隧道”方案段落為CK5+100～CK5+650，“全隧道”方案段落為C1K4+930～C1K5+650。

根據(jù)《加深地質(zhì)工作報(bào)告》，本次按走向68°、傾向63°圈定采空區(qū)在走向及傾向兩個方向的影響范圍。

圖2 “路基+隧道”與“全隧道”方案平縱斷面比較示意

3.1 方案說明

(1)“路基+隧道”方案

根據(jù)采空區(qū)平面及空間位置，盡量采取路基形式通過，適當(dāng)加寬路基，埋深較淺段采用隧道形式通過。比較范圍內(nèi)線路長約3.80 km，采空區(qū)影響范圍長度為350 m。

①路基段落

鐵路路基以兩側(cè)1 m為界加圍護(hù)帶，Ⅱ級鐵路圍護(hù)帶寬度為15 m。整治邊界按移動角理論并結(jié)合處理深度確定。整治范圍見圖3、圖4。

圖3 注漿加固代表性斷面示意(單位：m)

圖4 注漿加固縱向范圍示意(單位：m)

整治邊界處采用帷幕注漿，鉆孔間距按3.0 m設(shè)置。

鉆孔采用梅花形布置，在路基面寬度及框架涵范圍內(nèi)，進(jìn)行三序注漿加密處理，Ⅲ序孔在Ⅰ、Ⅱ序孔中間內(nèi)插加密，加密后的孔間距為3.5 m。其余范圍按Ⅰ序孔間距7 m，正方形均布；Ⅱ序孔在Ⅰ序孔正方形中心內(nèi)插加密，Ⅰ、Ⅱ序孔形成菱形布置，Ⅰ序與Ⅱ序孔間距為5 m，見圖5。

圖5 注漿孔平面布置示意(單位：m)

②隧道段落

注漿時，按先四周邊緣孔，再中間孔的順序進(jìn)行，注漿孔開口直徑為133 mm，終孔直徑不應(yīng)小于89 mm，且鉆孔應(yīng)深入采空區(qū)以下2 m。注漿鉆孔縱向間距為2.5 m，橫向間距為1.5 m(見圖6、圖7)。

圖6 隧道整治方案代表性橫斷面1(單位：cm)

圖7 隧道整治方案代表性橫斷面2(單位：cm)

(2)“全隧道”方案

線路跨過省道206及鄉(xiāng)道后，立即以隧道形式進(jìn)入采空區(qū)影響范圍內(nèi)。比較范圍內(nèi)線路長約3.771 km。采空區(qū)影響范圍長度為380 m。

治理措施：隧道整治邊界按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中移動角理論(隧道工程巖層移動角為60°)確定，采用回填C20混凝土、鉆孔注漿等整治措施。注漿時，按先四周邊緣孔，再中間孔的順序進(jìn)行，注漿孔開口直徑為133 mm，終孔直徑不應(yīng)小于89 mm，且鉆孔應(yīng)深入采空區(qū)以下2 m。注漿鉆孔縱向間距為2.5 m，橫向間距為0.625～1.5 m。見圖8、圖9。

圖8 隧道整治代表性橫斷面3(單位：m)

圖9 隧道整治代表性橫斷面4(單位：cm)

3.2 方案比較

(1)工程地質(zhì)

工程地質(zhì)影響對比見表3。

表3 工程地質(zhì)的影響對比

在工程地質(zhì)條件方面，“路基+隧道”方案較“全隧道”方案更優(yōu)。

(2)處理范圍

按照58.5 m的影響深度考慮，“路基+隧道”方案對基底影響較大的采空區(qū)長度約350 m：路基段約295 m，隧道約55 m；“全隧道”方案對隧道基底影響較大的采空區(qū)段落長約380 m。

(3)注漿加固的穩(wěn)定性

“路基+隧道”方案與“全隧道”方案均采用注漿加固措施，但深部注漿對注漿材料的性能和注漿參數(shù)(如注漿壓力和漿液注入量)要求較高，注漿效果也難以保證(如凝固時間和泵送效果等)，故“全隧道”方案較“路基+隧道”方案采取的加固措施多且復(fù)雜，實(shí)施難度較大。兩種方案工程數(shù)量對比見表4。

表4 主要防護(hù)加固工程數(shù)量對比

(4)抵抗沉降變形

鐵路路基較隧道形式具有更強(qiáng)的適應(yīng)沉降、變形的能力，故采空區(qū)影響范圍內(nèi)應(yīng)盡量以路基方式通過，“路基+隧道”方案將采空區(qū)最大影響范圍內(nèi)隧道長度縮短至55 m，“路基+隧道”方案較“全隧道”更加有效地減小了采空區(qū)的不利影響。

(5)比較結(jié)果

“路基+隧道”方案較“全隧道”工程實(shí)施較為容易，技術(shù)成熟可靠，處理范圍較“全隧道”方案小；經(jīng)過注漿加固處理后，“路基+隧道”方案加固效果較“全隧道”方案好，對采空區(qū)影響較小，工程風(fēng)險(xiǎn)較小，穩(wěn)定性較“全隧道”方案高。故推薦采用“路基+隧道”方案。

4 采空區(qū)治理原則

(1)在經(jīng)濟(jì)、合理的條件下，盡量避免地表變形、塌陷對鐵路工程造成失穩(wěn)或破壞。

(2)線路無法繞避采空區(qū)時，應(yīng)盡量縮短采空區(qū)影響范圍長度，以一般工程(路基挖方形式最優(yōu))方式通過。

(3)線路應(yīng)盡量從煤礦開采年代相對久遠(yuǎn)的地段(即地層二次或多次塌落壓實(shí)地段)通過。

(4)線路應(yīng)繞避地表活躍階段，盡量從移動盆地的邊緣地帶通過。

(5)必須嚴(yán)格按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，確保鐵路安全。