鐵路隧道小煤窯采空區(qū)勘察與處理

黃 創(chuàng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院，山西太原 030013)

1 概述

小煤窯采空區(qū)是鐵路施工和運(yùn)營(yíng)安全的隱患，線路選線時(shí)一般應(yīng)盡量繞避。如必須通過(guò)時(shí)，應(yīng)查明其地質(zhì)特征，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)并提出工程措施意見(jiàn)[1-2]。小煤窯采空區(qū)具有私自開挖、埋深較淺、隨意性強(qiáng)、無(wú)規(guī)劃等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的孝柳線、準(zhǔn)朔線、包西線、巴準(zhǔn)線均遇到了不同程度的小煤窯采空區(qū)問(wèn)題[3]。多年來(lái)，勘察設(shè)計(jì)單位對(duì)小煤窯采空區(qū)進(jìn)行了大量的勘察工作，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。李景山在包西線勘測(cè)中采用地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等手段，查明了米家園子小煤窯采空區(qū)的分布[4]；孫金等在登封至商丘高速公路勘察中，采用資料收集、地質(zhì)調(diào)繪、地震反射波法及鉆探查明了鄭新天富煤業(yè)的采空區(qū)[5]；龐雪春根據(jù)工程、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境等因素，對(duì)馬鞍山采空區(qū)繞避方案進(jìn)行研究[6]；霍世強(qiáng)等在平朔東露天礦專用線中采用充填注漿法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理[7]。以往研究沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和完整的流程，其處理方案也大多為平面繞避和注漿充填。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某鐵路隧道位于中興煤礦北部，區(qū)域內(nèi)分布有已關(guān)停的小煤窯，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查走訪、地質(zhì)調(diào)繪、礦區(qū)煤層資料收集、物探及鉆探驗(yàn)證等綜合勘察手段，查明了采空區(qū)的分布。設(shè)計(jì)時(shí)采取了降低線位高程、立體繞避的方案。施工中采用加強(qiáng)超前支護(hù)、加強(qiáng)襯砌等措施，使隧道順利從采空區(qū)下方安全通過(guò)。

2 工程概況

2.1 地層巖性

某單洞雙線鐵路隧道位于鄂爾多斯市東勝區(qū)東南約30 km處，長(zhǎng)1 682 m。地貌類型為低中山區(qū)，地面受流水侵蝕切割劇烈，溝谷縱橫，植被稀疏，溝谷及山麓基巖大面積出露。隧址區(qū)表層為薄層第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，下伏侏羅系下統(tǒng)砂巖、泥巖及煤。巖層產(chǎn)狀近乎水平，傾角一般小于5°，傾向北北東。地下水為基巖裂隙水，主要靠大氣降水補(bǔ)給，水量貧乏。

2.2 采空區(qū)分布

隧道位于中興煤礦礦區(qū)北部，區(qū)域內(nèi)分布有已關(guān)停的小煤窯。小煤窯無(wú)正規(guī)手續(xù)，管理混亂，無(wú)開采資料。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，隧道里程DIK32+430～DIK32+560段地表塌陷，變形區(qū)域長(zhǎng)約130 m，裂縫斷續(xù)相連，分布很不規(guī)則，裂縫長(zhǎng)20～60 m，寬2～160 cm不等，最大錯(cuò)臺(tái)高差30 cm，局部地段已塌陷，隧道上方地表變形區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 隧道上方地表變形區(qū)域

2.3 煤層情況

通過(guò)走訪調(diào)查，小煤窯于20世紀(jì)90年代后期開始開采，采煤方法為房柱式，采空區(qū)頂板自然垮落，通風(fēng)方式為自然通風(fēng)，井下運(yùn)輸方式為三輪車從工作面運(yùn)至地面儲(chǔ)煤廠。至2005年被關(guān)閉前，小煤窯合計(jì)開采17萬(wàn)噸，回采率為40%。

中興礦區(qū)共有3層煤分布，煤層號(hào)分別為3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)。小煤窯于2005年之前采用巷道開采第一層煤(3號(hào)煤層)。根據(jù)中興煤礦儲(chǔ)量報(bào)告中的3號(hào)煤層底板等高線(見(jiàn)圖2)，線路附近的3號(hào)煤層底板高程為1 345～1 355 m，煤層平均厚度為1.89 m[8]。地表變形區(qū)域內(nèi)隧道洞身高程為1 340～1 350 m，推測(cè)采空區(qū)的分布范圍見(jiàn)圖3。

圖2 3號(hào)煤層底板等高線(單位：m)

圖3 推測(cè)采空區(qū)的分布范圍

3 采空區(qū)勘察

3.1 物探、鉆探布置

(1)物探

在分析已有資料的基礎(chǔ)上，為查明采空區(qū)的范圍，決定采用高密度電法進(jìn)行勘探。高密度電阻率法結(jié)合了電測(cè)深法和電測(cè)剖面法的優(yōu)勢(shì)，具有分辨率高、干擾小等特點(diǎn)[9]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和地形情況，沿中線兩側(cè)平行布設(shè)兩條縱斷面，測(cè)線跨越采空范圍，測(cè)線長(zhǎng)度均為320 m；另外布設(shè)2條橫斷面，測(cè)線長(zhǎng)度分別為280 m和230 m。本次工作采用具有較高分辨力的斯倫貝格裝置(5 m極距)，向地下傳入電流，通過(guò)測(cè)定電阻異常區(qū)來(lái)確定采空區(qū)的空間位置和規(guī)模。

(2)鉆探

物探資料的解釋具有多義性，其成果還需要鉆孔資料進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)地形，沿線路兩側(cè)布置8個(gè)鉆孔，鉆孔間距20～50 m不等，其中地表變形區(qū)域和物探異常區(qū)內(nèi)鉆孔布設(shè)較密集，變形區(qū)域外鉆孔間距較大。鉆孔位于線路兩側(cè)9～30 m不等，深度均按進(jìn)入最底層的5號(hào)煤層控制(根據(jù)中興煤礦儲(chǔ)量報(bào)告中《5號(hào)煤層底板等高線圖》，隧道位置5號(hào)煤的層底高程為1 310 m)。

采空區(qū)勘察物探、鉆探布置見(jiàn)圖4。

圖4 物探、鉆探布置

3.2 物探成果

巖土的電阻率除與成分有關(guān)以外，還與地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、地下水等有關(guān)。場(chǎng)地為砂泥巖地層，孔隙小，產(chǎn)狀平緩，基巖裂隙水不發(fā)育，無(wú)斷層分布。正常地層電阻應(yīng)較為穩(wěn)定或呈水平狀條帶分布，如存在采空區(qū)，應(yīng)顯示為高阻異常；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)積水時(shí)，地層孔隙飽和，應(yīng)顯示為低阻異常[10]。本次選取效果較好的北側(cè)測(cè)線進(jìn)行分析，該測(cè)線的視電阻率分布見(jiàn)圖5。表層電阻率為20～60 Ω·m，推斷為覆蓋層；電阻率60～100 Ω·m區(qū)域推斷為基巖風(fēng)化層；電阻率大于100 Ω·m區(qū)域推斷為完整基巖。DIK32+440～DIK32+570段電阻率高于180 Ω·m，且呈水平狀分布，推測(cè)為煤礦采空區(qū)且內(nèi)部無(wú)積水。高阻區(qū)中部DIK32+480～DIK32+510電阻率相對(duì)較低，推測(cè)為小煤窯內(nèi)部的保安煤柱。綜上所述，判斷采空區(qū)里程為DIK32+440～DIK32+570，高程為1 340～1 360 m。物探解譯成果見(jiàn)圖6。

圖5 視電阻率分布

圖6 物探解譯成果示意

3.3 鉆探驗(yàn)證成果

(1)DIK32+430～DIK32+560范圍外，地面至5號(hào)煤層底板之間鉆進(jìn)平穩(wěn)，無(wú)明顯漏漿及進(jìn)尺過(guò)快等異常情況，巖層和煤層完整，均未見(jiàn)空洞。

(2)DIK32+430～DIK32+560范圍內(nèi)，4個(gè)鉆孔有3個(gè)發(fā)現(xiàn)空洞，鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿迅速流失。鉆孔Z-5中見(jiàn)編織袋碎片，推測(cè)為采空。空洞高程分布在1351～1355 m，高1.4～2.25 m；推測(cè)未發(fā)現(xiàn)空洞的鉆孔位于保安煤柱上。采空區(qū)下方4號(hào)、5號(hào)煤層完整。

鉆探成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，采空區(qū)鉆探巖芯見(jiàn)圖7。

表1 鉆探成果統(tǒng)計(jì)

圖7 Z-3孔10～15 m巖芯

3.4 小結(jié)

結(jié)合調(diào)繪資料、物探資料和物探資料綜合分析，結(jié)果如下：

(1)經(jīng)過(guò)專項(xiàng)勘察后，認(rèn)為采空范圍為DIK32+430～DIK32+560。

(2)通過(guò)物探及鉆探驗(yàn)證，該礦區(qū)僅有3號(hào)煤層進(jìn)行過(guò)開采，與調(diào)查結(jié)果一致。

(3)通過(guò)物探及鉆探，采空高程為1 351～1 355 m，采空高度為1.4～2.25 m，與煤礦儲(chǔ)量報(bào)告基本相符。

4 采空區(qū)處理

4.1 立體繞避

隧道地層為砂巖泥巖互層，產(chǎn)狀平緩，層間結(jié)合較差，且泥巖具有弱膨脹性，遇水易崩解軟化，施工時(shí)易產(chǎn)生塌方與變形。采空區(qū)底板位于隧道拱頂上方2～4 m，隧道從采空區(qū)下方通過(guò)將破壞巖體中初始應(yīng)力脆弱的平衡狀態(tài)，施工時(shí)極可能產(chǎn)生大規(guī)模的塌方甚至坍塌至地表，危及擬建隧道的安全。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固處理也難以保證隧道圍巖的穩(wěn)定，無(wú)法消除采空區(qū)的危害。為減小采空區(qū)對(duì)隧道的影響，降低隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，在線路平面無(wú)法繞避的情況下，決定優(yōu)化線路的縱斷面設(shè)計(jì)，加大隧道頂板與采空區(qū)底部的安全距離。

考慮到隧道所在地層以及工程的經(jīng)濟(jì)性，確定了12 m的安全距離。最終采取調(diào)整線路坡度、降低線路設(shè)計(jì)高程的方法，將采空區(qū)底板與隧道拱頂?shù)木嚯x由2～4 m增加到14～16 m(隧道的埋深由15～23 m增加到27～35 m)。一方面增大了隧道的“埋深”，使其容易形成自然拱；另一方面在隧道的拱頂與采空區(qū)之間形成了緩沖地帶，減小了采空區(qū)坍塌對(duì)隧道的沖擊(見(jiàn)圖8)。

圖8 線路縱向繞避采空區(qū)示意

4.2 工程措施

采空區(qū)DIK32+430～DIK32+560段采用Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式加強(qiáng)襯砌。拱頂采用φ42的導(dǎo)管進(jìn)行注漿，導(dǎo)管長(zhǎng)度為4 m，環(huán)向間距為0.5 m，以10°～15°的外插角打入地層，縱向搭接長(zhǎng)度不小于1 m。初期支護(hù)采用Ⅰ18型鋼拱架閉合支撐，間距為0.6 m/榀，噴射混凝土30 cm。二次襯砌采用45 cm厚的鋼筋砼結(jié)構(gòu)[12-14]。

由于隧道穿越煤層，應(yīng)對(duì)洞內(nèi)實(shí)施24 h不間斷供風(fēng)，并加強(qiáng)瓦斯及有害氣體的監(jiān)控監(jiān)測(cè)。另一方面，應(yīng)嚴(yán)格控制圍巖變形，并加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)，做好地表沉降監(jiān)測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

小煤窯開采無(wú)規(guī)劃，歷史較久，痕跡模糊，需要廣泛收集區(qū)域地質(zhì)資料和礦區(qū)資料進(jìn)行深入研究，通過(guò)地質(zhì)調(diào)繪分析采空區(qū)的分布，利用物探指導(dǎo)鉆孔布置，提高鉆探的有效性，節(jié)約勘察成本和時(shí)間；通過(guò)鉆探來(lái)修改和完善物探資料的解釋，通過(guò)物探和鉆探的相互配合查明采空區(qū)的地質(zhì)情況。

對(duì)于小煤窯采空區(qū)，當(dāng)加固處理難以消除危害時(shí)，鐵路隧道應(yīng)采取繞避原則，當(dāng)平面難以繞避時(shí)，可考慮調(diào)整縱斷面坡度實(shí)現(xiàn)立體繞避。

采空區(qū)下方的隧道施工應(yīng)縮短初期支護(hù)鋼拱架的間距，根據(jù)實(shí)際變形情況調(diào)整預(yù)留變形量，以減小采空區(qū)對(duì)隧道的變形影響。必要時(shí)可對(duì)拱頂采取超前小導(dǎo)管注漿，以降低采空區(qū)巖體裂縫發(fā)育、巖體松動(dòng)帶來(lái)的塌方風(fēng)險(xiǎn)，并加強(qiáng)洞內(nèi)和地表監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)和優(yōu)化施工。