采動影響下鐵路隧道病害分析與治理技術研究

李 星

（中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，天津 300450）

鐵路運輸在我國的交通運輸中有著舉足輕重的地位，鐵路專用線是煤礦主要的配套運輸設施，而鐵路隧道作為專用線上較為重要的構筑物，可以避免線路過長，有效地縮短線路里程，減小坡度改善運營條件、提高牽引能力，具有顯著的社會和經濟效益。鐵路專用線穿越井田，隨著煤炭資源的開采，受煤層采動影響，鐵路隧道路面、路基下沉，襯砌被破壞，影響鐵路隧道的正常使用，進而影響煤礦正常、安全生產。因此，對采動影響下專用線鐵路隧道的病害機理進行分析和整治維修技術的研究是非常有必要的[1-3]。

在采空區(qū)與隧道的影響關系方面，童立元等[4]在道路受采動影響規(guī)律、采空區(qū)二次活化等方面對道路與采空區(qū)二者之間的相互作用與影響的基本規(guī)律做出了全面的分析；田嬌等[5]從采空區(qū)與隧道的不同距離及采空區(qū)不同規(guī)模等方面探討了其主要影響因素和規(guī)律；時均偉[6]采用數(shù)值分析方法分析了采空區(qū)對隧道結構的影響；李曉紅等[7]通過動態(tài)有限元數(shù)值模擬分析了采空區(qū)對隧道圍巖應力和變形的影響；李輝等[8]通過數(shù)值模擬分析對采空區(qū)影響下隧道圍巖應力變化做出研究；張志沛等[9]研究了隧道與采空區(qū)所在的空間位置對隧道穩(wěn)定性的影響；王樹仁等[10]結合青島—銀川高速公路中山西柳林段礬水溝大橋—師婆溝隧道下伏同德煤礦采空區(qū)處治工程，對橋隧工程地表沉陷盆地的特征和關鍵部位做出了分析。

在隧道加固方面，陳金祥等[11]通過對白嶺煤礦采空區(qū)實例的建模分析，得出對采空區(qū)進行注漿加固可以有效提高隧道穩(wěn)定性的結論；黃明等[12]采用有限差分軟件模擬燈草塘隧道實例，研究了Ⅵ級圍巖條件下隧道附近采煤空洞的處置及圍巖的加固技術；楊玉龍等[13]對火山隧道建立管棚模型分析后，對隧道原有襯砌進行拆除與重置，隧道加固效果顯著；王華玲[14]采用有限差分軟件對華鎣山隧道實例進行施工模擬，得出對隧道基地下伏采空區(qū)進行注漿加固，有效充填了隧道下方圍巖空隙，加強了隧道穩(wěn)定性。

本文針對寺家莊鐵路專用線南嶺山1 號隧道受工作面采動影響實例，以概率積分法對鐵路專用線及隧道離散點進行了地表及移動變形預測，對預測數(shù)據(jù)與地表及移動實際數(shù)據(jù)進行對比分析，并結合隧道裂縫和破損的方式及程度，提出其隧道襯砌和洞口邊坡加固方法。

1 隧道概況

寺家莊礦鐵路專用線地處太行山脈中段西麓，黃土高原東部邊緣地帶，線路DK7+875～DK8+385段為隧道，隧道長510 m，洞內DK8+314.37 至出口段為R=500、L=30 的曲線，其余均為直線段，隧道采用復合式襯砌，初期支護采用錨網噴混凝土加格珊鋼架，不良地質條件地段隧道拱部采用超前小導管注漿預加固，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。線路縱坡為11.5‰的上坡，進口高程910 m，出口高程916 m。隧道位于山嶺區(qū)，圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級，巖層主要為山西組泥巖、石英砂巖及黏土巖，產狀平緩，走向NNE-SSW，傾向NW-NNW，傾角8°～10°左右。巖石單軸飽和抗壓強度20～40 MPa，為軟巖，局部區(qū)段斷裂及褶皺構造發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部夾有薄層泥巖，層間結合差，穩(wěn)定性差。

該線路南嶺山1#隧道經過煤礦采動區(qū)附近，隧道東口距開采的15113 工作面僅32 m，受采煤影響，線路部分路段及隧道出現(xiàn)了不同程度的移動與變形?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，隧道外線路橫向偏移為北向，偏移量累計122 mm；隧道襯砌出現(xiàn)數(shù)條貫通豎縫，縫寬4～18 mm，裂縫間距5～12 m，局部錯峰35 mm；隧道兩側邊墻拱腰處出現(xiàn)近似平行的水平裂縫，寬度5 mm，長度13.2 m；襯砌有明顯凸鼓、掉塊現(xiàn)象。

2 煤層開采情況

15113 工作面位于專用線隧道東側，膠帶順槽距隧道東口32 m，工作面南部為村莊保護煤柱，北部為采區(qū)大巷保護煤柱，西部為未開采實體煤，東部為老采空區(qū)。工作面采寬238 m，設計長度約為2300 m，開采煤層為15 號煤層，開采厚度為5.4 m，煤層傾角3°，平均采深320 m，自南向北推進，采煤方法為綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。

煤層上覆地層主要為石炭二疊系地層，基巖主要由各類砂巖、砂質泥巖、泥巖等組成，第四紀表土層為現(xiàn)代沖積、洪積物，由砂、卵石及粉砂土組成，厚8.6 m。煤層頂板為砂質泥巖或粉砂巖，厚3～5 m，時有0.20～0.40 m 厚的泥巖偽頂，底板巖性多為泥巖或碳質泥巖。

2021 年4 月底，15113 工作面推進到鐵路煤柱線附近，停采位置與鐵路最小水平距離約為143 m。觀測發(fā)現(xiàn)，線路向北橫向偏移122 mm，隧道襯砌出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象。圖1 為煤礦15113 工作面與南嶺山1 號隧道位置關系平面圖。

圖1 煤礦15113 工作面與隧道位置關系平面圖

3 隧道移動變形計算

采用概率積分法進行了地表及隧道移動變形預測。結合煤礦的地質采礦條件，并參照當?shù)氐V區(qū)巖移參數(shù)，選取預計參數(shù)見表1。

還有一種說法：西晉時有一人極為懶惰，一天到晚游手好閑，最后坐吃山空。他和妻子開始變賣地產、首飾，渾渾噩噩過了幾年后，終于家里一窮二白、四面漏風，寒冬臘月斷了炊。他們無計可施，將家里的米缸、面袋、壇壇罐罐搜出來的剩粒遺粉連同可食的殘碎物一起熬了一碗“八寶粥”，度過了最艱難的一天。從此，夫妻二人幡然悔悟，痛改前非。當?shù)厝私璐恕鞍藢氈唷钡墓适陆逃优趧诠?jié)儉，不可坐吃山空。

表1 概率積分法巖移預計參數(shù)

15113 工作面推進到鐵路專用線南側煤柱線，南嶺山1#隧道出現(xiàn)開裂，暫停開采。為了便于分析15113 工作面開采后鐵路專用線的沉陷變形情況，對鐵路專用線受采動影響較為明顯的區(qū)段進行了變形預計，設置了42 個預計點，點間距為20 m。其中，DK7+775 至DK8+095 為南嶺山1 號隧道。

通過預計結果可以看出（圖2），預計鐵路專用線路塹段最大下沉值為28.6 mm，縱向傾斜值為0.3 mm/m，橫向傾斜值為0.8 mm/m，縱向水平移動值15.9 mm，橫向水平移動值為49.3 mm，縱向水平變形值0.18 mm/m，橫向水平變形值為1.52 mm/m。鐵路受工作面開采的直接影響較輕，但線路南側山體受開采影響嚴重，最大下沉值達3 m 以上，最大拉伸變形達9 mm/m，已出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，并推動線路向北橫移達122 mm。在采動影響下線路向北偏移（與采空區(qū)方向相背），表明工作面的開采引起了山體滑移，間接造成線路橫向偏移和隧道襯砌開裂、錯縫等。結合隧道與工作面的位置關系和襯砌破壞特征可以看出，工作面采動影響是導致隧道開裂、錯位的主要原因。此外，隧道圍巖破碎也是導致隧道破壞的重要因素。

圖2 15113 工作面開采鐵路零散點移動與變形預計曲線

15113 工作面推進到鐵路南側煤柱線，南嶺山1 號隧道零散點移動變形最大值見表2。

表2 南嶺山1 號隧道零散點移動變形最大值

4 采動影響分析

4.1 山區(qū)地表移動變形的特點

開采影響下的山區(qū)地表移動與平地的地表移動規(guī)律有明顯不同，其所呈現(xiàn)的特點多是開采和開采引起的山體滑移兩者綜合影響的結果，具有復雜多變、規(guī)律性差等特點。

由于受到采動引起的地表滑移影響，山區(qū)地形條件下地表的移動影響范圍更大，并且下坡方向擴大的范圍又較上坡方向大。山區(qū)地形易出現(xiàn)集中變形，集中變形主要出現(xiàn)在變坡點附近，表現(xiàn)為山谷地帶易產生集中壓縮變形，甚至在應為拉伸變形的區(qū)域出現(xiàn)壓縮變形，并且山谷內地表下沉值往往偏??；在山頂?shù)貛б桩a生集中拉伸變形，在局部山坡較陡的地方還會出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，其地表下沉值往往偏大[15]，在山坡坡腳部位易出現(xiàn)水平剪切破壞等。

山體形態(tài)、坡面朝向及山體與采空區(qū)的相對位置也是影響山區(qū)地表移動變形值的大小和分布形態(tài)的重要因素。

結合南嶺山1 號隧道與工作面的位置關系和襯砌破壞特征可以看出，工作面采動影響是導致隧道開裂、錯位的主要原因，隧道圍巖破碎也是導致隧道破壞的重要因素?？紤]到隧道斷面受力性能較好，加之在施工中采用小導管超前注漿、噴錨支護和二次襯砌，隧道具有一定的抵抗采動損壞能力，建議對隧道及襯砌進行整治與修復，包括裂縫修補、表面缺陷修復及滲漏水處理。隧道變形與破壞特征主要：洞口邊坡崩塌與滑塌、洞門裂損、襯砌及圍巖坍塌、襯砌開裂及錯位、底板開裂及隆起。

4.2 采動影響

根據(jù)15113 工作面鐵路專用線區(qū)域地質、水文地質、地形地貌條件和地表移動變形等值線圖以及南嶺山1 號隧道零散點沉陷變形預計結果，工作面對南嶺山1 號隧道造成影響：

依據(jù)工作面與隧道的位置關系以及襯砌破壞特征來看，除工作面采動影響外，隧道圍巖破碎也是導致隧道破壞的重要影響因素?？紤]到隧道斷面受力性能較好，加之在施工中采用小導管超前注漿、噴錨支護和二次襯砌，隧道具有一定的抵抗采動損壞能力，采動影響未對隧道造成結構性破壞。

5 隧道加固治理技術

隧道是鐵路線路的重要組成部分，井下煤層開采引起地表變形，使鐵路隧道結構隨地表變形產生附加應力，使之發(fā)生破壞，嚴重者甚至坍塌。地表沉陷變形中的下沉、水平變形、傾斜變形、曲率變形等均會對鐵路隧道產生不同形式和不同程度的附加應力，最終導致隧道病害的出現(xiàn)。

5.1 隧道加固措施

隧道的加固不應低于原有技術標準。結合隧道裂縫和破損的方式及程度，襯砌加固部分擬采用嵌縫加固、局部斷面加固和粘貼鋼板（帶）加固相結合的方式。

1）治理前，調查隧道存在的病害與隱患，檢測襯砌背面空洞和圍巖地質狀況，檢驗二襯混凝土強度，測量襯砌裂縫的發(fā)育深度和形態(tài)。

2）對于尚在發(fā)展寬度小于2 mm 的裂縫，采用低黏度、可注性好的環(huán)氧樹脂類膠液封堵，寬度大于2 mm 的裂縫采用環(huán)氧樹脂類膠液+W 鋼板進行加固；對穩(wěn)定裂縫，根據(jù)裂縫部位、規(guī)模、深度等因素選擇水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等修補材料，對裂縫進行維護加固處理；對襯砌異常發(fā)育裂縫，采用開槽嵌縫加固法處理，沿裂縫延伸范圍鑿成楔形槽，槽寬不小于5 cm，深度接近裂縫寬度，并且把槽做成外窄內寬，用水沖洗干凈后，用高強度水泥漿、膨脹性水泥漿、環(huán)氧樹脂砂漿或者環(huán)氧樹脂混凝土嵌補。

3）對襯砌剝落處及襯砌斷面缺損部分應進行斷面修復。針對剝落、鑿落等局部較小范圍的修補，用摻有高分子材料（環(huán)氧樹脂）的砂漿進行充填、涂抹；對于較大斷面的修補，采用金屬網、錨栓、鍍鋅鋼板修復，使修復材料和既有有效襯砌一體化。如圖3。

圖3 修復、加固斷面示意圖

4）隧道受損區(qū)域內，每隔2 m 設4 mm 厚、300 mm 寬W 鋼帶，粘貼在襯砌內表面。鋼板（帶）作為抗拉材料能有效地控制開裂的開口和襯砌的變形，防止襯砌掉塊、剝落、剝離以及襯砌材料的繼續(xù)劣化。環(huán)向500 mm 設Φ20 mm 膠粘型錨栓固定，錨固深度不小于200 mm。W 鋼帶與襯砌之間采用壓力注膠方式粘貼，且W 鋼帶采取防腐蝕、防銹蝕處理，并定期維護。對于襯砌斜向裂縫和交叉裂縫，可采用鋼波紋板進行加固，波紋板、隧道壁之間灌注自密實混凝土。加固方法參考圖3。

此外，對隧道開裂和錯位現(xiàn)象較嚴重部位，應對隧道圍巖進行注漿加固；對加固原襯砌仍不能滿足使用要求部位，可采用整體換拱或局部襯砌更換的加固措施。

5.2 洞口邊坡加固

1 號隧道洞口邊坡破壞較為嚴重，主要病害為坡體開裂、隆起、滑移等?？紤]坡體高度、現(xiàn)場環(huán)境、施工技術等方面問題，擬定治理方案為：鐵路兩側設墻面1.8 m高、墻頂寬0.5 m、墻底寬1.7 m、埋深1.5 m 重力式擋土墻，同時對邊坡進行清方減載的治理方案。圖4 為洞口邊坡加固示意圖。

圖4 洞口邊坡加固示意圖

5.3 滲漏水處治

滲漏水災害同為隧道常見病害之一。當出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象時，先進行圍巖注漿堵水，然后采用導水法處治，且用噴射法或涂層法進行防水處理。

6 結論

1）工作面采動影響是導致隧道開裂、錯位的主要原因，但其直接影響較輕微，不是造成隧道破壞的直接因素。

2）煤礦開采活動所引起的山地滑移，是導致隧道變形和破壞的主因，并造成線路及隧道向臨空方向偏移，致使隧道襯砌出現(xiàn)變形、開裂和錯縫等現(xiàn)象。

3）通過對鐵路隧道的襯砌加固、圍巖注漿加固和換拱等加固措施，可保證鐵路隧道的正常使用，為煤礦的正常、安全生產提供保障。