某鐵路專用線采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理

王 卓，白朝能

（1.遼寧省第十地質(zhì)大隊(duì)，遼寧撫順113004；2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

某鐵路專用線采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理

王 卓*1，白朝能2

（1.遼寧省第十地質(zhì)大隊(duì)，遼寧撫順113004；2.中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031）

某鐵路專用線穿過(guò)鑫寶鐵礦和南凹鐵礦兩座磁鐵礦采空區(qū)。采空區(qū)分布十分復(fù)雜，地基處于強(qiáng)烈變形之中，地面變形的特征屬非連續(xù)性移動(dòng)變形，這種變形對(duì)鐵路建筑物的影響遠(yuǎn)比連續(xù)性移動(dòng)變形的影響大。詳細(xì)介紹了該采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理方法。

采空區(qū)；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；處理；鐵路專用線

1 概述

某工程鐵路專用線從邯長(zhǎng)鐵路井店車站接軌，專用線工程Ⅲ標(biāo)段（CK0+200～+800）穿過(guò)位于涉縣井店鎮(zhèn)臺(tái)村鑫寶鐵礦和南凹鐵礦兩座磁鐵礦采空區(qū)。根據(jù)調(diào)查訪問(wèn)及勘探期間現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)新形成的地表裂縫顯示，采空區(qū)強(qiáng)烈坍塌變形正在進(jìn)行中。為保證專用線的安全運(yùn)營(yíng)，須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理。該采空區(qū)具有分布復(fù)雜、變形仍在強(qiáng)烈進(jìn)行的特點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了該采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法及處理措施。

2 采空區(qū)概況

2.1 采空區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1.1 地質(zhì)構(gòu)造

涉縣位于太行臺(tái)隆中段東側(cè)，構(gòu)造單元屬武安凹斷陷。斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|和北北東向，在空間上西疏東密，西弱東強(qiáng)，涉縣主要斷裂有：①涉縣大斷裂；②龍山斷裂；③更樂(lè)斷裂。其中龍山斷裂與更樂(lè)斷裂為2條近平行呈北西南東向展布的正斷層，與涉縣斷裂相交，規(guī)模較小。此外，在涉縣盆緣山區(qū)，發(fā)育許多規(guī)模較小的老斷裂。

本區(qū)褶皺構(gòu)造主要為涉縣向斜，呈北東—南西向展布，軸部及兩翼主要由奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r組成，兩翼地層產(chǎn)狀平緩，傾角9°～15°，斷裂帶附近產(chǎn)狀較零亂，一般傾角較大。

2.1.2 地層巖性

（1）中更新統(tǒng)老黃土(Qal+pl2)：棕紅色、灰褐色，局部為褐黃色，硬塑—堅(jiān)硬，含碎石或姜石。

下部見泥、鈣質(zhì)膠結(jié)礫石層，膠結(jié)程度不一，局部地段似礫巖狀，致密。線路影響范圍厚1.5～21.5m，移動(dòng)角50°。上更新統(tǒng)(Qal+pl3)新黃土：黃褐色、褐黃色，硬塑—堅(jiān)硬，具大孔隙，含植物根系，具有濕陷性。下部含碎石較多，局部夾碎石透鏡體，線路影響范圍內(nèi)厚4.5～46.6m，移動(dòng)角50°。

（2）奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r：主要為灰色、深灰色，中厚—厚層狀，夾少量薄層泥灰?guī)r、角礫巖等，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀9°～15°，有溶蝕現(xiàn)象，與下伏寒武系地層呈整合接觸，移動(dòng)角75°。

（3）侵入巖為燕山期雜巖體，巖性主要為閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)斑巖、正長(zhǎng)斑巖等，巖漿侵入于奧陶系灰?guī)r中。

2.2 采空區(qū)開采及變形特征

2.2.1 采空區(qū)成因及開采特征

該采空區(qū)為開采磁鐵礦形成，一方面由于采空區(qū)埋藏淺，頂板灰?guī)r相對(duì)較薄，且頂板灰?guī)r節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎；另一方面在磁鐵礦回采時(shí)，對(duì)頂板采取無(wú)支護(hù)自然垮落的方法，導(dǎo)致在回采不久頂板即產(chǎn)生坍塌變形。坍塌的頂板在采空區(qū)內(nèi)形成松散堆積體，在地表則表現(xiàn)為強(qiáng)烈的塌陷變形。

本區(qū)磁鐵礦開采始于20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時(shí)多數(shù)磁鐵礦為無(wú)規(guī)劃亂采及多次轉(zhuǎn)讓，我們收集了相關(guān)資料，并指派技術(shù)人員和工人對(duì)能進(jìn)入的巷道進(jìn)行了實(shí)地勘察后，基本查明磁鐵礦開采特征如表1所示。

表1 磁鐵礦開采特征表

2.2.2 采空區(qū)地表變形特征

采空區(qū)地表塌陷變形范圍直接受采空區(qū)影響。地表變形塌陷規(guī)律與采空區(qū)分布、頂板厚度、采空區(qū)埋深、采空區(qū)頂板地層巖性及礦體開采方式密切相關(guān)。線路經(jīng)過(guò)地段發(fā)育有3個(gè)大型采空盆地，盆地呈品字形分布，地表塌陷變形主要表現(xiàn)為地裂縫的擴(kuò)大、土洞的出現(xiàn)、差異性沉降等正在繼續(xù)發(fā)展的變形，與早期形成的塌陷盆地、塌陷坑、塌陷地塹、塌陷錯(cuò)臺(tái)、地裂縫相互交織分布于CK0+290～CK0+750大部分區(qū)域。

2.3 采空區(qū)主要特點(diǎn)

本采空區(qū)主要有以下特點(diǎn)：

（1）采空區(qū)分布、大小及形態(tài)極其復(fù)雜，下伏空洞為多層串聯(lián)，最大單層高8m，局部總高度可達(dá)20m。

（2）采空區(qū)地表變形仍在強(qiáng)烈進(jìn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，施工過(guò)程中數(shù)共發(fā)生12次塌陷變形，主要表現(xiàn)為地表長(zhǎng)大裂縫和塌陷坑，裂縫寬50～100cm，塌陷坑深1.5～3m。

（3）收集到的各礦的采掘資料非常有限，采空區(qū)處理方法的選擇必須考慮該因素的影響。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

常用的采空區(qū)地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有開采條件判別法、地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)法和沉降觀測(cè)法及有限元法。其中前3種方法為評(píng)價(jià)的主要方法，有限元法可作為評(píng)價(jià)的參考。對(duì)于古窯、不規(guī)則的柱式采空區(qū)以及長(zhǎng)壁陷落法開采的邊緣區(qū)和其他難以進(jìn)行變形預(yù)計(jì)的采空區(qū)，主要按礦層開采的深厚比或開采深度H來(lái)判斷地表的穩(wěn)定性[1]。

根據(jù)采空區(qū)特點(diǎn)，我們采用開采條件判別法對(duì)該采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析結(jié)果表明：采空區(qū)其采深與單層采厚比分別為6～12、8～17、11～24，遠(yuǎn)小于《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》（煤行管字[2000]第81號(hào)）中規(guī)定的工礦企業(yè)專用鐵路“薄及中厚層煤層的采深與單層采厚比小于40”、“厚層煤層及煤層群的采深與分層采厚小于60”需設(shè)防的要求。采空區(qū)不穩(wěn)定，需處理。

4 采空區(qū)處理

4.1 處理范圍的確定

目前，關(guān)于采空區(qū)處理范圍的理論研究成果鮮有報(bào)道，工程中一般都采用經(jīng)驗(yàn)法確定采空區(qū)的處理范圍。本次設(shè)計(jì)根據(jù)文獻(xiàn)[2],即《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》中的相關(guān)條款確定采空區(qū)處理范圍，處理寬度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：L——采空區(qū)處理寬度；

B——路基圍護(hù)帶寬度；

h——松散層厚度；

Hi——采空區(qū)上覆第i層基巖厚度；

φ——松散層穩(wěn)定角；

βi——采空區(qū)上覆第i層基巖移動(dòng)角；

n——采空區(qū)上覆基巖層數(shù)。

路堤部分以坡腳外1m為界；路塹部分以兩側(cè)塹頂邊緣為界，兩側(cè)界線以內(nèi)的范圍為受保護(hù)對(duì)象，以此界線外一定范圍寬度作為圍護(hù)帶寬度。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》的規(guī)定，鐵路建筑物維護(hù)帶寬度一般不小于15m，結(jié)合本工程實(shí)際，維護(hù)帶寬度取5～15m。圖1為該采空區(qū)平面設(shè)計(jì)圖。

4.2 設(shè)計(jì)原則

本采空區(qū)分布非常復(fù)雜，而且采空區(qū)下伏空洞為多層串聯(lián)。再者，由于本區(qū)的磁鐵礦早期多為無(wú)規(guī)劃亂采，并多次轉(zhuǎn)讓，因此收集到的各礦的采掘資料非常有限，對(duì)采空區(qū)分布特征的認(rèn)識(shí)仍有很大的局限性。為此，我們采用“備足預(yù)案、探灌結(jié)合，先探后灌”的原則，根據(jù)地表變形和巷道分布情況，選擇具有代表性的位置進(jìn)行補(bǔ)充勘察和鉆探驗(yàn)證，在全面清楚掌握空洞和松散體的空隙、裂隙的空間分布形態(tài)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，確定切實(shí)可行的施工工序，確保采空區(qū)充填注漿處理后地表變形滿足如下控制標(biāo)準(zhǔn)：

圖1 采空區(qū)加固處理平面設(shè)計(jì)圖

（1）保證不發(fā)生路基突然坍塌事故，鐵路路基工后累計(jì)沉陷量控制在1m以內(nèi)；

（2）水平變形：ε≤±2mm/m；

（3）曲率：K≤±0.2×10-3/m；

（4）傾斜：i≤±3mm/m。

4.3 主要工程措施

采取充填法和注漿法相結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。用充填法和注漿法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理是一種動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在此過(guò)程中，可根據(jù)鉆孔所揭示采空區(qū)的情況，適當(dāng)調(diào)整鉆孔深度和漿液的類型、配比，以達(dá)到最佳充填效果。設(shè)計(jì)所列的每個(gè)鉆孔的注漿量都和周圍其他鉆孔的注漿量成互補(bǔ)關(guān)系。對(duì)可以進(jìn)入的巷道采用水泥砂漿充填，在擴(kuò)散半徑內(nèi)可不再進(jìn)行鉆孔注漿處理，對(duì)有空洞的注漿孔，先灌水泥粉煤灰漿，再充填水泥砂漿，如果連通性較好可采用加石粉減少流失量的方法處理，對(duì)維護(hù)帶邊緣的注漿孔采用碎石砂漿和水泥粉煤灰漿、水泥砂漿相結(jié)合方法進(jìn)行處理。每孔在開始注漿后，原則上要充填滿后才可以停止注漿，以免阻塞注漿通道。

4.4 不同塌陷變形區(qū)的處理措施

如上所述，線路經(jīng)過(guò)的采空區(qū)變形非常復(fù)雜，處理時(shí)必須分別對(duì)待，針對(duì)不同塌陷變形的治理，一般遵循以下原則：

（1）塌陷坑、塌陷盆地、塌陷地塹區(qū)采用鉆孔灌漿加部分充填注漿，整治設(shè)計(jì)深度至采空區(qū)底部，控制性鉆孔鉆至冒落帶底部，一般性鉆孔鉆至冒落帶頂部或最底層的空洞。

（2）地表變形輕微，只形成了冒落帶和裂隙帶的地區(qū)采用鉆孔灌漿加充填注漿，整治設(shè)計(jì)深度至采空區(qū)底部，控制性鉆孔鉆至冒落帶底部，一般鉆孔鉆至冒落帶頂部或最底層的空洞。

（3）維護(hù)帶邊緣采用鉆孔充填注漿加部分灌漿，空洞連通性好，需要加碎石和石粉，整治設(shè)計(jì)深度至開采礦井底部。

（4）正在開采的位于線路中心的南凹、鑫寶礦井，豎井或斜井與運(yùn)輸通道、空洞連通性較好的，采用充填水泥砂漿的方法對(duì)豎井或斜井及半徑40m范圍的運(yùn)輸通道、空洞和冒落帶松散體的空隙進(jìn)行加固。

（5）對(duì)位于線路中心附近已經(jīng)封堵的豎井或斜井進(jìn)行重新挖掘和清理，打通與運(yùn)輸通道、空洞的聯(lián)系，采用充填水泥砂漿的方法對(duì)豎井或斜井及半徑40m范圍的運(yùn)輸通道、空洞和冒落帶松散體的空隙進(jìn)行加固。

（6）線路影響范圍內(nèi)，如果單個(gè)空洞的埋深與洞高之比達(dá)到“薄及中厚層煤層的采深與單層采厚比大于或等于40”、“厚層煤層及煤層群的采深與分層采厚大于或等于60”的要求，可以不進(jìn)行處理。

4.5 施工順序

施工孔序，按Ⅲ序進(jìn)行，第Ⅰ序?yàn)榫€路中心附近的豎井或斜井充填；第Ⅱ序?yàn)榫€路左右側(cè)8.6m、26.0m充填孔和處理邊界的帷幕孔，充填孔間距20m，正三角形布置鉆孔，帷幕孔間距10m，線形布置；第Ⅲ序?yàn)橐研纬烧切蔚闹行母鶕?jù)Ⅱ序孔所揭示采空區(qū)、冒落帶及充填情況決定是否需要布置鉆孔，為注漿補(bǔ)強(qiáng)孔，施工完成后形成新的鉆孔間距11.5m，正三角形布置。

5 結(jié)束語(yǔ)

采空區(qū)的勘察和加固治理，是一個(gè)非常復(fù)雜的工程問(wèn)題，目前這方面的理論研究還不很成熟，在實(shí)際勘察、設(shè)計(jì)依中仍主要依據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)方法。具體到本工程而言，由于本區(qū)的磁鐵礦早期多為無(wú)規(guī)劃亂采，并多次轉(zhuǎn)讓，收集到的各礦的采掘資料非常有限，對(duì)采空區(qū)分布特征的認(rèn)識(shí)仍有很大的局限性，這就給本工程的勘察、設(shè)計(jì)增加了難度。由于設(shè)計(jì)處理得當(dāng)，本采空區(qū)的治理取得成功，獲得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。該采空區(qū)成功治理的經(jīng)驗(yàn)對(duì)同類工程有較好的參考作用。

[1] 山西省交通廳.高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]鐵道第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

The Stability Evaluation and Treatment for a Goaf in the Special Railway Line

WANG Zhuo1,BAI Chao-neng2
(1.The Tenth Geological Brigade of Liaoning Province,Fushun Liaoning 113004,China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu Sichuan 610031,China)

There are goaf of Xinbao and Nanao two magnetic-iron ore crossed by a special railway.Distribution of the goaf is complicated,and the foundation is being deformed intensely.The ground deformation is a non-continuity move deformation,which is far more harmful to railway buildings than continuity move deformation.The paper introduced the stability and treatment measures for the goaf in detail.

goaf；stability analysis；treatment；special railway line

TD322.4

A

1004-5716(2015)04-0003-04

2014-09-04

2014-09-18

王卓（1975-），男（漢族），遼寧昌圖人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)技術(shù)管理工作。