鐵路橋沉降觀測及橋下采煤安全措施的探討

張 旭，陳清洪，劉 偉

（中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200）

在我國社會經濟的發展過程中，鐵路是最重要的交通運輸設施之一。為了保障鐵路安全運營，并將鐵路橋下的煤炭資源進行最大限度的釋放，必須要加強鐵路橋的沉降觀測，做好鐵路維護。通過各種措施來提升鐵路構筑物安全。

1 鐵路橋下采煤特點分析

隨著煤層開采作業的持續性推進，地表移動盆地范圍內的鐵路工程會產生不同程度的變形或者移動。這種變形或者移動包含兩種情況：一種是連續性的，逐漸發生于時空間中，且路基的變形與地表基本相同；另一種是非連續性的，具有一定的突變性，地表會出現突然塌陷、開裂或者下沉。其中，尤以非連續性的變形和位移，對鐵路正常運行產生的影響最大。一般情況下，如果鐵路壓煤范圍內的煤層采深和采厚的比值超過一定范圍后，就會出現連續性的地表移動或者變形。此時，可以通過及時有效的維修措施來保障鐵路系統的安全運行。

圖1 橋址區平面示意圖

與建筑物下采煤相比，鐵路橋下采煤主要表現出了以下三大特點。首先，鐵路橋下采煤，必須要為過往列車運行的安全性提供保障，所以安全要求更高。其次，鐵路列車的運行具有重量大、速度快的特點，所以鐵路線路與列車的動荷載作用之間有著密切的聯系。煤層開采導致的地表移動與變形，都會對鐵路線路造成不可忽視的影響。所以，鐵路線路的移動、變形以及沉降等問題的出現都具有一定的復雜性。最后，在煤層開采過程中，如果觀測到鐵路線路出現了變形、沉降或者移動，可以通過及時的維護來消除。而這是建筑物下采煤無法做到的[1]。

2 某線鐵路四線大橋的概況

某線鐵路四線大橋于1999年開工建設，2000年竣工，位于西井煤礦 0 號、1 號、7 號、8 礦區拐點范圍內。檢測單位采用高密度電法對3#墩周圍地質情況進行了探測。初步查明鐵路四線大橋3#墩周圍存在5 處低阻異常（Y1-1、Y3-1、Y4-1、Y4-2、Y5-1），其中 Y4-1 異常較明顯，該低阻異常可能為泥巖煤層地質體、裂隙發育富水區域等造成。煤礦設計單位2017年5月編制設計的《某礦井安全設施設計說明書》未具體明確老窯采區位置。

查閱煤礦設計單位2017年5月編制設計的《礦井安全設施設計說明書》發現，鐵路煤柱的留設按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中第20 條垂直剖面法對鐵路留設鐵路保護煤柱，鐵路保護等級按國家I 級鐵路標準，圍護帶寬度為15m。預計礦井采動下山移動角取55°，上山移動角60°。根據預計礦井采動下、上山移動角，留設煤柱，留設寬度120m，鐵路煤柱與河流煤柱部分重疊，設計按鐵路煤柱的投影范圍留設，既保護了鐵路又保護了河流。

3 鐵路橋沉降觀測與相關分析

3.1 鐵路橋沉降實際情況

圖2 CT 射線網絡示意圖

通過采用工程地質測繪、觀測網、鉆探，原位測試、土工試驗、孔間CT 等方法（圖2）、物探等手段，發現既有鐵路K98+350～K99+050 左右200m 范圍普遍存在地面或房屋開裂現象，以鐵路四線大橋2#～5#墩范圍最為嚴重，同時在橋梁6#～8#墩右側亦有較大的裂縫。

根據現場地面及房屋變形特征及橋梁沉降監測資料分析，鐵路四線大橋的地面沉降變形主要分布于2#～4#墩之間，其它橋墩變形小，地面沉陷主要范圍為K98+690左65m～K98+800 右95m，整個區域地面或房屋沉降變形嚴重，形成一個較獨立的移動盆地。移動盆地的塌陷中心大致位于K98+760 右側40m 的童心幼兒園門口附近，形成一個長軸約320m，短軸約100m 的橢圓形移動下沉區，面積約25000m2，長軸方向約N78°W，與巖層走向近平行，屬傾斜采空區，沉陷長軸穿越于鐵路四線大橋3#～4#墩，涉及范圍為1#～5#橋墩，該移動盆地可能與5#煤洞或不明采空區有關。移動盆地塌落帶大致分布于K98+700 左 40m～K98+780 右 90m 范圍，鐵路四線大橋 2#～4#墩位于塌落帶范圍，長軸與鐵路交角約53°，通過于3#墩附近（K98+740），按煤層走向巖土移動角（覆蓋層按45°，巖石移動角65°）推算，煤洞采空區大致埋深約130m。橋梁工程處于該塌落帶中心靠東側地帶，沉降變形較大，最大下沉值約1.5m，對橋墩影響大。

3.2 鐵路橋沉降原因分析

從礦井的1122 采空區積水高程為1554.2m 來看，基巖裂隙水的埋深大于100m，對工程影響不大。鉆探顯示XZ-SH-9 鉆孔漏水嚴重，煤礦開采可能存在大量排水情況，大量排水會加劇地形的沉降變形。

近一年多來境內發生6 次地震，震級2.1～3.4，特別是 2020年 1月 29日、2月 4日、2月 6日的三次頻繁地震，時間間隔較短，地震、采礦爆破及地下水下降可能引起一些煤礦采空區發生坍塌，加劇了移動盆地的擴大和變形，并導致橋址處地基沉降變形。

4 橋下采煤安全措施

為了有效開采橋下煤炭資源，并對鐵路運行的安全性與穩定性進行最大限度的保護，可以將井下安全開采技術與地面線路維護技術進行有機的結合，實現井上與井下的協調保護技術措施。

4.1 井下安全開采技術

鐵路橋下采煤安全技術主要包含以下幾種：第一充填開采法、第二條帶開采法、第三合理布設工作面。這三種安全開采技術的應用，可以明顯降低煤炭資源開采行為對鐵路系統的不利影響。經過大量的理論與試驗研究，第一、二種安全開采技術的應用，對鐵路系統的影響最小[2]。

由于鐵路與工作面的斜交，會導致鐵路線路出現扭曲變形問題，嚴重影響線路的安全行駛，所以，最科學的方法就是在鐵路的正下方進行工作面的布置，讓鐵路線路處于地表移動盆地的主斷面上，同時再平行于工作面推進的方向。這樣一來，可以最大限度的降低線路的橫向移動量，為鐵路線路的安全運行提供保障。

4.2 地面鐵路維護技術

由于煤炭開采而導致的鐵路橋沉降以及鐵路變形等問題是一個漫長、動態的過程，為了能夠及時對鐵路橋沉降以及鐵路變形等問題采取及時、有效的維護措施，需要在開采煤層的同時，加強對鐵路橋和鐵路線路的監測。針對已經出現變形和沉降的鐵路，需要通過起道、撥道和串軌措施來進行維護。

5 橋下采煤安全措施的應用注意事項

為了保障鐵路橋下采煤作業的正常推進，且不會對列車運行的安全性造成影響，需要對鐵路線路進行及時有效的維護，確保鐵路線路可以在第一時間恢復原始狀態。同時，還要對工作面進行科學合理的布置，降低煤層開采對鐵路線路的不利影響。

5.1 加強采深與采厚比的控制

如果使用長壁垮落法進行煤層的開采，需要對鐵路橋下方開采煤層的深度與厚度之比進行嚴格的控制，確保其在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的規定范圍內[6]。

5.2 避免出現地表突然下沉或者塌陷的問題

根據大量的理論和試驗，發現出現地表突然下沉或者塌陷問題的區域主要包含以下幾種。第一淺部的近水平、緩斜或中傾斜煤層。針對這種煤層，建議采用分層采煤法，并加強第一、第二分層開采的厚度。第二頂板堅硬、煤層露頭附近的急傾斜煤層。針對這種煤層，建議采用人工強制放頂的方式，并留有足夠尺寸的煤柱。同時，還要采取措施避免采空區上部煤柱抽冒。第三淺部有采空區積水、煤層上方覆巖為石灰巖含水層或者充水裂隙帶空間的情況，在采動的時候，一定要采取措施避免因為疏干淺部積水而出現地表突然塌陷問題。另外，全部填充法以及條帶采煤法是最有效的減少地表下沉的方法[7]。

5.3 加強地表變形的疊加影響控制

一般情況下，協調開采法、順序開采發以及無煤柱開采法的應用，可以有效降低地表變形疊加的影響。需要注意的是，協調開采法的應用，需要同時多個工作面同時進行，所以其地表下沉速度會加快。在進行橋下安全開采的時候，需要具體情況具體分析，綜合考慮這種開采方法的優勢與劣勢[8]。

5.4 保留好鐵路煤柱

為了保證鐵路橋下煤層的安全開采，需要針對以下幾種情況保留好鐵路煤柱。第一，當采深與采厚之比無法滿足相關規定的時候，需要在鐵路線路或者煤層進行鐵路煤柱的保留。第二，如果鐵路線路存在嚴重滑坡的危險，且一旦發生滑坡災害，處理難度較大，那么就需要進行鐵路煤柱的保留。第三，一級鐵路線、二級鐵路線上的一等鐵路車站以及二等鐵路車站必須要進行鐵路煤柱的保留。第四，如果鐵路橋墩高在20m 以上，必須要進行鐵路煤柱的保留[9]。

6 結束語

綜上所述，在保證鐵路線路安全運行的基礎上，進行鐵路橋下煤層的開采，可以對煤炭資源進行最大限度的開采與利用，提升煤炭資源的開采量，促進煤炭工業的發展。但是，受到各種因素的影響，橋下煤層開采容易出現鐵路橋沉降等問題。在這種情況下，必須要在煤層開采過程中，建立觀測站，加強鐵路橋沉降問題的監測，并結合實際觀測數值，采取相應的安全開采技術。并且，在整個煤層開采過程中，還要根據實際情況加強采深與采厚比的控制、避免出現地表突然下沉或者塌陷的問題、加強地表變形的疊加影響控制、保留好鐵路煤柱。