山西中南部铁路通道人工洞穴路基稳定性评价

2014-01-03蔡曙周王延涛

铁道标准设计 2014年1期

王东，蔡曙周，王延涛

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

山西中南部铁路通道在起始于山西瓦塘，穿越山西，横贯河南，终点至山东日照。该铁路途径山东境内，由于气候条件及历史原因，在山前平原区和低山丘陵区出现较多的人工洞穴。这一类人工洞穴一般位于地表以下，下覆基岩之中。当地村民开采出石材修建房屋，洞穴则作为储藏室。而铁路沿线经过人工洞穴区的稳定性则成为铁路设计的一个重要环节，其稳定性评价则成为路基设计和有效施工的重要依据。

目前铁路工程中的人工洞穴路基稳定性评价方法主要为半公式半经验计算法。其中以临界深度计算法为主［1］。临界深度法能够通过计算判断出岩层顶板与底板的稳定性，但是选取计算边界条件随意性较大，计算结果浮动性较大。洞顶塌落堵塞法主要用于岩溶顶板的安全性计算，此方法可计算出岩层顶板的安全厚度，但是边界条件单一，计算结果可能过于保守。厚跨比法也应用于岩溶顶板安全性判断，此方法有较大的安全性，但是洞穴发展规模较难探明，判断结果也存在失真的可能性。

借鉴前人研究成果，采用临界深度法、洞顶塌落堵塞法、厚跨比法三种方法相结合，提出不利因素分析法，评价铁路工程人工洞穴路基的稳定性，评价结果既符合实际情况，又能为路基设计提供充分的依据，还可以给配合施工工作提供技术支持，具有有较好的推广性和借鉴性。

1 人工洞穴塌陷形成机理分析［1］

(1)小型采空顶板岩(土)层的厚度是采空塌陷的控制因素，顶板薄的很容易产生突然塌陷，顶板较厚的仅产生地表开裂。据我国小煤窑地区的部分资料，巷道埋深20 m(其中岩层厚5～10 m)以内时，一般易产生突然塌陷;埋深25～30 m(其中岩层厚10～15 m)时，仅地表产生裂缝，一般不易产生突然塌陷;埋深60 m(都为岩层)以上时，地表一般无变形。

(2)小型采空区顶板岩(土)层的性质和强度直接影响塌陷坑的形态。当顶板土体密实、抗剪强度高时，塌陷坑为坛状、井状;土体软弱含水时为漏斗状;顶板的岩质坚硬时，开采的掌子面一般较宽，变形幅度就大，持续时间也长，常形成塌陷。

(3)地下水的变化。地下水的变化是引起小型采空区塌陷的一个重要困素。长期充水的岩质小型采空区，水对顶板起顶托作用，若水流失，顶板塌陷向上扩展延伸，极易造成地表下沉到突然塌陷。

(4)列车振动的影响。在坑洞埋深不深的情况下，受列车长期振动，易使顶板强度降低而坍塌。

2 人工洞穴稳定性评价依据

2.1 人工洞穴顶板稳定性计算原理［1］

(1)顶板应力分析

地层未挖掘前岩体内部的应力是平衡的。一般情况下，只存在垂直压应力和水平压应力，计算式如式(1)及式(2)所示

式中 σz——垂直压应力，kPa;

σx、σy——水平压应力，kPa;

γ——上覆岩层重度，kN/m3;

H——岩层顶板埋藏深度，m;

φ——岩层的内摩擦角，(°)。

岩层挖掘后，采空段周围岩体失去支撑，围岩应力发生变化，视其所处部们不同所受应力状态亦不同。顶板的塌落一般是受拉应力作用，巷道侧壁主要受压应力作用，巷道四角则受剪应力作用。

(2)顶板稳定性计算

①小型采空区一般距地表较近，岩层掘空后如图1所示。其顶板岩ABDC因重力G的作用将会下沉。两边的楔形体ABM和CDN也对其施以水平压力P。因此，在AB和CD两个面上将存在着因P的作用而产生的摩阻力(F)。取采空段以下以巷道单元长度为计算单元体，则作用在巷道顶板上的压力按式(3)计算。

图1 小型采空区顶板稳定性示意

式中 Q——巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m3/m;

G——巷道单位长度顶板上岩层的总重力。设巷道宽度为2a，则

G=γ·H·2a(kN/m3/m)

F——巷道单位长度侧壁摩阻力(kN/m3/m)，其值为F=P·tanφ;

其中P——楔形体ABM和CDN作用在AB或CD面上的主压应力，当取其最大值时

则式(3)为

由式(4)可知，当H大到某一定深度时，顶板上方岩层的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，这时的H称为临界深度H0，则

②采空顶板的临界深度H0，亦可根据溶洞顶板安全厚度的评价方法进行分析、计算确定。

③用以上各类方法与公式取得的临界深度H0可能有一定差别，应用中还应结合工程地质、水文地质条件，及经验数值，综合分析后确定。

2.2 人工洞穴区地基稳定性计算

当建筑物已修建于小型采空区的影响范围以内时，可按式(6)近似地验算地基的稳定性。

设建筑物基底的单位压力为R(kN/m2)，则作用在采空段顶板上的压力Q为

同前，当H大到某一深度时，Q=0，则

2.3 洞顶坍塌堵塞法［1］

利用洞顶坍塌堵塞法计算，在洞内无地下水搬运的条件下，洞顶发生坍塌后，坍塌体因孔隙增加其体积增大，当坍塌到一定高度时，溶洞将被松散的坍塌体堵塞。一般认为此时的顶板将不再坍塌。假设顶板坍陷呈圆柱形时(即假设坍陷体的底面积与洞顶面积相同时)，坍塌高度可按式(7)计算

式中 h——坍塌体的高度，m;

h0——洞穴原高度，m;

K——岩体涨余系数，取1.15。

用临界深度H0粗略地评价小型采空区顶板及地基的稳定性:

当H＜H0时，顶板及地基不稳定;

H0＜H＜1.5H0时，顶板及地基稳定性差;

H＞1.5H0时，顶板及地基稳定。

3 工程概况

该段路基位于山东省泰安市宁阳县凤凰庄，地貌为山前冲击平原区，地形平坦，周围地势起伏不大，相对高差较小，地面高程为125.87～129.82 m，相对高差约3.95 m。植被发育，主要为树木和耕地。

拟建工程地处中纬度区，属温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，雨量充沛。年平均气温13.7℃，最冷月平均气温7.7℃，极端最低气温-20.7℃，极端最高气温40.1℃;年平均降水量631.5 mm，年最大降水量713.3 mm;平均风速3.77 m/s，主导风向为东北、东向;季节最大冻土深度0.35 m。

根据区域地质、带状地质测绘和钻孔钻探揭示，上部地层为第四系全新统洪积层(Q3pl)，由粉质黏土、碎石类土层组成;下伏基岩为下第三系官庄组(E2+3g)泥灰岩。

场区内存在人为洞穴，主要为前期村民修建房屋采石所用，该段路基经加密钻探揭示:本段共计钻探49个孔，其中揭示有人为洞穴共计23个，范围主要集中在线路左半侧，深度4～8.2 m，厚0.7～2.6 m，初步判断人为洞穴呈半连通网格状分布。

场区地表水为水库及沟渠灌溉地表水。场区内地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水两类，埋深为2～6 m。大气降水补给和影响，具有明显的季节变化特征。线位走向示意见图2。

图2 线位走向示意图

4 人工洞穴稳定性评价

(1)人工洞穴稳定性评价参数

线位近东西向，走行于宁阳县良庄，为山前冲积平原，拟建工程横穿良庄部分温室大棚等建筑群，基底岩层为第三系官庄组(E2+3g)泥灰岩。

DK975+150～DK975+380段路基平均填高4.5 m，路基边坡坡率为1∶1.5，列车和轨道荷载换算土柱高度3.7 m，分布宽度3.7 m，容重为19 kN/m3。人工洞穴范围主要集中在线路左半侧，深度4～8.2 m，厚0.7～2.6 m，宽度2～3 m，下伏泥灰岩容重为28 kN/m3，内摩擦角40°，单轴饱和抗压强度为12.4 MPa，单轴天然抗压强度为16.9 MPa。

(2)稳定性评价

①小型采空顶板稳定性的力学计算

当H大到某一定深度时，顶板上方岩层的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，这时的H称为临界深度H0，则