宜賓港鐵路采空區選線研究

梁 玉 余 海 劉 鑫 謝 勇

(中鐵二院成都勘察設計研究院責任有限公司，四川成都 610081)

1 概述

新建宜賓港鐵路集疏運中心工程近期為宜賓地區重要的支線鐵路，主要服務于宜賓港后方貨物運輸；遠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。線路自內昆鐵路一步灘車站昆明端引出，向南經象鼻后折向東行，以隧道形式穿越觀斗山、龍頭山，于沙坪互通附近設臨港北站，經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，于志城碼頭下游設臨港東站，新建正線長22.60 km。

經技術經濟比選后，線路需穿越原五板橋煤礦、紅旗煤礦、溪福煤礦采空區。根據2012年底三個煤礦的儲量核實報告，線路區域主要穿越紅旗煤礦采空區，如圖1所示。

圖1 隧址區通過采空區平面位置關系

2 采空區工程地質條件

2.1 地形地貌

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

2.2 地層巖性

采空區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。層位穩定，厚度變化幅度較小，屬較穩定煤層，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，厚0.3～0.5 m，底板為灰色砂質泥巖、細砂巖。

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，厚度穩定，一般無夾矸，煤層結構簡單。頂板為灰色-深灰色薄層泥巖、砂質泥巖，較破碎，易垮塌；底板為深灰色薄-中層狀砂質泥巖。

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、砂質泥巖，較破碎，易垮塌；底板為深灰色薄-中層狀砂質泥巖。

2.3 地質構造

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

2.4 水文地質條件

調查區內，大氣降雨是地下水主要的補給來源，降水入滲是地下水的主要補給方式。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 煤層采空區開采情況

根據收集的紅旗煤礦2012年礦山儲量年報，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 采空區工程地質特征及穩定性評價

(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。采空區段呈一單斜地層產出，次級褶皺及斷層不發育，構造較簡單-中等，選線位置屬于采空區的有利區段。

(2)采空區由“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。采空區上方地表一般未出現因采掘造成的塌陷、地裂縫等現象，線路通過區域發生較大規模地表塌陷的可能性相對較小。

(3)覆巖破壞高度計算

線路通過區各煤礦采空區均采用自由垮落方式管理頂板，未對采空進行規范回填等處理。按照《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設與壓煤開采規程》附表中煤層分層開采的冒落帶與導水裂隙帶發育髙度經驗公式進行計算：

冒落帶高度

(1)

導水裂隙帶高度

(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—累計采厚/m。

區內龍枯炭最大采厚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算

地表鐵路荷載使地基土中原有的應力狀態發生變化，從而引起地基變形，出現基礎沉降等現象。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，當荷載產生的附加應力等于相應深度處地基層自重應力的20%時，可以認為附加應力對該深度處地基產生的影響可忽略不計，但當其下方存在高壓縮性土或其他不穩定性因素(如采空區垮落、斷裂帶時)，則應計算至地基自重應力10%位置處，該深度即為鐵路荷載影響深度(H影)。地基中自重應力按式(3)計算

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算

由表1可知，當計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力的10%。因此，可認為鐵路荷載影響深度H影=30 m。

(5)采空區鐵路地基穩定性分析

煤層開采后，采空區垮落帶不再因新加荷載擾動而重新移動，最小采深(H臨)應該大于導水斷裂帶高度(Ht)與鐵路荷載影響深度(H影)兩者之和，即

H臨>Ht+H影

(4)

根據前面計算，將Ht=28.5 m和H影=30 m代入式(3)，兩者之和為58.5 m。可以認為，鐵路路基以下采空區深度小于58.5 m時，采空區可能會因上部鐵路荷載形成新的不均勻沉降或塌陷；而當采空區埋深大于58.5 m時，采空區將仍維持原有的平衡狀態，鐵路路基出現新的較大沉降的可能性相對較小。

(6)采空區處理寬度確定

按《工程地質手冊》與《建筑、水體、鐵路及主要井巷煤柱預留及壓煤開采規程》中的概率積分法，采空區附近某一具體地表點地表變形程度評價計算公式如下：

①下沉量

(5)

②傾斜

(6)

③曲率

(7)

④水平變形

(8)

計算結果見表2。

表2 采空區走向方向地表不同位置變形量

根據《采空區工程勘察設計實用手冊》中2.2.8采空區穩定性評價章節，當預計地表變形值小于下列數據值的地段應為相對穩定區，可以作為建筑場地。

地表傾斜≤3 mm/m；

地表水平變形≤2 mm/m。

按照上述標準，據表2的計算結果，當鐵路線距采空區邊界走向水平距離≥70 m時，可認為采空區引起的地表變形不會對鐵路造成大的影響，此時反算對應走向的移動影響角為68°。

3 采空區治理方案

結合采空區和穿越觀斗山的工程、地質條件，兼顧安全、經濟和穩定性等方面，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《加深地質工作報告》，本次按走向68°、傾向63°圈定采空區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

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

①路基段落

鐵路路基以兩側1 m為界加圍護帶，Ⅱ級鐵路圍護帶寬度為15 m。整治邊界按移動角理論并結合處理深度確定。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設置。

鉆孔采用梅花形布置，在路基面寬度及框架涵范圍內，進行三序注漿加密處理，Ⅲ序孔在Ⅰ、Ⅱ序孔中間內插加密，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，再中間孔的順序進行，注漿孔開口直徑為133 mm，終孔直徑不應小于89 mm，且鉆孔應深入采空區以下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及鄉道后，立即以隧道形式進入采空區影響范圍內。比較范圍內線路長約3.771 km。采空區影響范圍長度為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與壓煤開采規范》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，再中間孔的順序進行，注漿孔開口直徑為133 mm，終孔直徑不應小于89 mm，且鉆孔應深入采空區以下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

工程地質影響對比見表3。

表3 工程地質的影響對比

在工程地質條件方面，“路基+隧道”方案較“全隧道”方案更優。

(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段落長約380 m。

(3)注漿加固的穩定性

“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(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雜，實施難度較大。兩種方案工程數量對比見表4。

表4 主要防護加固工程數量對比

(4)抵抗沉降變形

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

(5)比較結果

“路基+隧道”方案較“全隧道”工程實施較為容易，技術成熟可靠，處理范圍較“全隧道”方案小；經過注漿加固處理后，“路基+隧道”方案加固效果較“全隧道”方案好，對采空區影響較小，工程風險較小，穩定性較“全隧道”方案高。故推薦采用“路基+隧道”方案。

4 采空區治理原則

(1)在經濟、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或破壞。

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

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

(4)線路應繞避地表活躍階段，盡量從移動盆地的邊緣地帶通過。

(5)必須嚴格按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及《鐵路路基設計規范》的有關規定，確保鐵路安全。