鐵路專用線下煤礦巷道穩定性評價研究

楊治國

(中鐵建安工程設計院有限公司，陜西 西安 710032)

在礦產資源越來越緊張的情況下，經常會出現上部鐵路專用線必須正常運營，而下部礦產資源也需要開采或作為礦產資源的井下運輸通道要從鐵路專用線下方穿過情況，為此必須開展運營鐵路線路下方采空區的狀態評價工作。目前，針對鐵路路基下伏采空區的處理研究，現有成果尚未形成成熟的理論及工程設計體系[1]。Seryakov[2]基于初始應力法，給出了估算采空區圍巖狀態的方法；宋衛東等[3]利用采空區探測系統(CMS)對采空區進行了精密探測，建立了三維數值計算模型，對采空區群區域的應力場、位移場進行了分析。但是由于采空區的穩定性評價方面存在多種影響因素，需要從不同角度、采用多種方法才能比較全面的提出合理的評價結論。

本文針對山西三元煤業股份有限公司井下巷道下穿高河煤礦鐵路專用線項目，采用規范、手冊方法和運用數值模擬計算軟件FLAC3D進行了定量分析評價，對科學評估既有鐵路專用線影響下的巷道安全進行了探索。

1 項目概況

1.1 井下巷道與鐵路線空間位置關系

高河煤礦鐵路專用線從煤田中部穿過，將煤田分割成南北兩翼。根據井下巷道設計，在高河煤礦鐵路專用線壓覆區沿3#煤層頂板，四條大巷從礦區北翼(即高河煤礦鐵路專用線北側)，穿巖巷至礦區南翼(高河煤礦鐵路專用線南側)，用以回采南翼煤炭資源。鐵路專用線與煤田巷道位置關系見圖1。

圖1 煤田巷道與高河專用線交叉平面位置關系

1.2 巷道工程概況

高河煤礦鐵路專用線橫穿壓覆區的四條井下大巷分為A區和B區。A區包括：四采區皮帶大巷、四采區回風大巷；B區包括：四采區皮帶大巷和四采區膠輪車大巷。4條大巷斷面均為矩形，截面尺寸為5.0 m(寬)×3.1 m(高)。A區皮帶大巷、回風大巷長516 m；B區皮帶大巷、膠輪車大巷長561 m。四采區四條大巷中，A區皮帶大巷、回風大巷之間距離最小，巷道垂直間距為30 m。在高河鐵路專用線下方A區皮帶大巷、回風大巷之間沿鐵路延伸方向最小凈距為25.8 m。根據四條大巷施工方案資料，巷道頂板支護形式采用錨桿+鋼帶+網+錨索+噴漿聯合支護。巷幫支護形式采用錨桿+鋼帶+網+噴漿聯合支護。巷道采用掘進機開挖，四條大巷的服務年限為13 a。

沿四條巷道走向實測橫斷面4條，確定了巷道下穿鐵路位置鐵路填方高度。根據實測數據：A區回風大巷埋深最淺355.8 m；B區膠輪車大巷埋深最大359.7 m。

1.3 專用線工程概況

山西潞安礦業(集團)有限責任公司高河礦鐵路專用線屬工業企業Ⅰ級鐵路(相當于最新規范《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規范》中的Ⅲ級鐵路)，正線起點DK0+000(=太焦線K250+381.18)，終點為DK9+594.93，線路全長9.595 km。本下穿巷道工程評估范圍內鐵路工程均為填方路堤工程，巷道投影到地面位置距離最近的鐵路橋梁濁漳河特大橋橋頭約260 m，場地地面高程937.8～938.6 m，路基填方高約為2.1～6.5 m，專用線路基目前運行狀況基本良好。

2 工程地質及水文條件

2.1 地貌及地層情況

本場地屬于濁漳河二級階地，為第四系黃土覆蓋，巷道下穿部位地表相對平坦。四條巷道位置的地層自下而上依次為二疊系下統山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、二疊系上統上石盒子組(P2s)及第四系(Q2+3)。巷道下穿鐵路專用線位置工程地質條件見圖2。

圖2 巷道與高河專用線交叉剖面地質條件(單位：m)

2.2 水文地質情況

二疊系山西組和二疊系下石盒子組根據井田內井測孔抽水資料，水位標高+756.80 m，單位涌水量0.03 mL/(s·m)，滲透系數為1.8 mm/d，屬于弱富水性含水層。

第四系松散含水層：水位埋藏較淺，主要接受大氣降水的補給，受大氣降水影響明顯，由于下部各隔水層的作用，對本區域巷道影響不大。

3 采空區穩定性評價

3.1 規范、手冊方法

3.1.1 方法分析

根據工程地質類別比法，參照《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)第4.3.1條，圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ；參照第3.2.11條對鐵路兩相鄰單線隧道間最小凈距的要求，按最不利的Ⅳ級圍巖確定隧道安全凈距為3B(B為隧道開挖斷面的寬)，計算得3B=15 m，遠小于四條大巷之間的最小距離25.8 m。因此，本次評價可按單一巷道采空區進行評價。

綜合分析《煤礦采空區巖土工程勘察規范》(GB 51044-2014)第12.3.10條及其條文說明、《鐵路工程地質手冊》[4]的要求：當建筑物已修建于小型采空區的影響范圍以內時，可按《鐵路工程地質手冊》式(4-5-7)及相關規定進行地基穩定性驗算評價。

巷道頂板臨界深度H0計算：

式中：a為巷道半寬(m)；γ為上覆巖層加權平均重度(kN/m3)；R為建筑物基底單位壓力(kN/m2)；ψ為上覆巖層加權平均內摩擦角(°)。

巷道穩定系數Fs計算：Fs=H/H0。式中：H為巷道頂板埋深(m)；H0為巷道頂板臨界深度(m)。

評價單一巷道采空區場地穩定性等級：Fs>1.5，穩定；1.5≥Fs>1.0，穩定性差；Fs≤1.0，不穩定。

3.1.2 評價過程

(1)圍巖參數：根據鉆孔資料，距離地面約0～144 m內以第四系黏性土為主、夾有少量砂土，144 m～巷道底面以下15 m范圍內以二疊系泥巖為主、夾有少量砂巖和煤層，各地層計算參數取值見表1。

表1 巖土參數

(2)上覆壓力：根據收集到的高河鐵路專用線路基設計文件、實測垂直鐵路的橫斷面及沿鐵路方向的縱斷面，按照《Ⅲ、Ⅳ級鐵路設計規范》附錄B，計算各個巷道上方地面壓強R，壓強R包括路堤填方荷載、列車荷載和軌道荷載，具體見表2。

(3)計算評價：根據《鐵路工程地質手冊》式(4-5-7)計算的臨界深度及穩定性系數，評價井下巷道穩定性結論見表2。通過評價結論可以看出，在鐵路路基荷載作用下，四條大巷均處于穩定狀態，說明鐵路路基所處的場地處于穩定狀態。

表2 巷道參數、地表壓力及穩定性評價計算結果

3.2 數值模擬方法

3.2.1 建立FLAC3D模型

四條巷道之間相互無影響，可按單一巷道采空區進行評價。由于B區巷道位置地表以上路堤填方高度大，導致雖然B區巷道埋深不是最淺，但本巷道工程在B區的兩個巷道的安全系數均小于A區，因此數值模擬計算采取B區的膠輪車大巷作為研究對象。借鑒《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)中5.3.5條關于沉降計算理論，按照各項同性均值線性變形體理論，計算中假定土層只受到豎向壓力，側向限制不能變形，邊界條件假定見圖3，土體兩側約束為可動鉸支座，底部為固定鉸支座，模型在巷道以下取3倍巷道寬度，即15 m；橫向在巷道兩側各取5倍巷道寬度，即總寬度55 m；巷道頂面以上二疊系地層厚216 m，第四系地層厚144 m，模型總深度379 m。根據鐵路路基特點，地面荷載按線性荷載考慮，荷載取最不利路基荷載。模擬計算采用美國ITASCA公司開發的仿真計算軟件FLAC3D，計算中采用的本構模型為摩爾-庫倫本構模型，M-C屈服準則[5，6]。用實體單元模擬單條巷道，剖面網格劃分方法為模型厚度取單位厚度1.0 m，網格按0.5 m間距設置；巷道頂板以上、底板以下剖面按4.0 m間距設置網格劃分，共劃分2 632個單元格；巷道范圍內剖面按0.5 m間距設置網格劃分，共劃分1 344個單元格，所建模型見圖4。

圖3 計算模型邊界條件 圖4 計算模型構建

3.2.2 計算參數選定

膠輪車大巷上覆巖土359.7 m范圍內，考慮最不利情況的B區膠輪車大巷路基荷載191.4 kPa，在模型計算中假定硐室未設置支護結構，為鐵路路基在下部巷道采動下的穩定性留出一定的冗余安全度，分析巖土體在自身的物理力學性能指標下采動后的應力應變特征。分析計算中采用的巖土體各參數取值見表3。

表3 圍巖參數

3.2.3 計算結果分析

分別對巷道挖掘前和挖掘后鐵路荷載作用下的豎向位移和豎向應力進行計算，其位移云圖和豎向應力云圖對比見圖5。

圖5 鐵路荷載作用下巷道挖掘前后位移和豎向應力云圖

可以看出，巷道開挖之前，僅受鐵路路基、軌道和列車荷載作用下，在巷道開挖深度處的最大位移近似為零；在巷道開挖后，在巷道上方約巷道4倍寬度范圍，即約20 m范圍內，位移量較大，巷道頂面20 m處位移增量最大1.25 mm，再向地面方向，位移更小，幾乎處于原巖狀態。

在只有地面路基、軌道及列車荷載作用下，開挖之前在巷道上方的豎向主應力處于-7.0e+06～-7.5e +06之間；巷道開挖之后巷道上方的豎向主應力也基本處于該應力水平之間；另外由于巷道為矩形巷道，僅在巷道正上方約2m范圍和巷道兩側壁在開挖巷道后，出現應力集中現象，應力略有突變。

通過以上的數值分析，可以得到如下結論：①巷道開挖位移影響范圍在巷道頂部以上20 m。②巷道開挖引起應力重分布，影響范圍在巷道頂部以上約2 m。③相對于巷道的埋深355.8～359.7 m，巷道開挖對高河煤礦鐵路專用線基本無影響。

4 結論

(1)采用公式計算和數值模擬兩種方法分析計算，可以有效對既有鐵路下方煤礦采動進行定量分析計算，評價結果可靠。

(2)對于位于采空區范圍構筑物的穩定性分析評價應根據不同地區工程地質特征，重視工程地質條件和井下采掘方式的研究，才能采用正確的評判模型進行分析評價。

(3)采空區穩定性評價目前還處于不斷探索和完善時期，只有多方式評價才能更全面的對評價對象作出更加接近事實真相的評價結論。

后期作為永久整治措施，煤礦采區回采完畢巷道完成服務年限后，對鐵路影響范圍內巷道應采用漿砌塊石等方式填充密實，再采取注漿方式進行加強，防止出現空洞。