长大隧道穿越泉域保护区及煤层采空区地质选线关键技术研究

周 鲁

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 3 00133)

0 引言

《中长期铁路网调整规划方案》(2008年)提出，2020年我国铁路网营业里程12万km以上，计划新建铁路4．1万km，强化煤炭运输通道。据此，我国将大规模发展煤炭外输的货运铁路，其中过煤层采空区的选线关键技术将成为今后重点研究的方向。

我国在铁路过煤矿地区设计、施工方面总结了不少经验，主要有铁路压煤保护煤柱设计［1-3］、过采空区隧道施工技术［4-6］、穿煤层隧道结构稳定研究［7-10］以及隧道下采煤技术［11］等。根据经验，隧道穿煤层采空区短距离可行［12］，但在大规模的煤矿区域，隧道穿煤层采空区风险极高，且不可控［13］。近年来，在新线设计中逐渐采用隧道方案下穿煤层采空区，但工程经验非常少，特别是煤层采空区与水源地保护区双控的情况，国内尚没有经验。

本文以山西中南部铁路过霍州煤田及龙子祠泉域保护区的越岭方案为例，总结在煤层采空区与水源地保护区双控条件下的隧道选线关键技术。

1 工程方案概述

山西中南部铁路是国家规划的某大能力运煤通道项目。按国铁Ⅰ级，轴质量30 t设计，牵引质量1万t。

1．1 主要控制性因素

研究段落为吕梁山脉越岭地段，由蒲县乔家湾镇昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直线距离仅30 km，高差达780 m。地形十分复杂，越岭工程成为影响本段线路走向的重要因素之一。

本段有隰县、蒲县和洪洞3县，处于霍州煤田国家规划矿区及乡宁煤炭国家规划矿区，煤炭埋藏深度为900～1 100 m。其中北起克城经乔家湾、黑龙关至乡宁县长约100多km、宽20多km范围内煤炭开采已达到一定规模，采空区分布较广且多无详细统计资料，本段规划矿区和采空区是影响本段线路走向的又一重要因素。

本段范围内还有龙子祠泉域保护区以及五鹿山国家级自然保护区。龙子祠泉域位于临汾市西南13 km的西山山前，保护区面积达2 250 km2;五鹿山国家级自然保护区位于蒲县北侧20 km，面积100 km2，为国家级保护区。

1．2 方案情况

1．2．1 绕避煤层采空区及过煤层采空区论证

可行性研究阶段研究了绕避煤层采空区，经佃坪方案以及过煤层采空区，经蒲县方案。

佃坪方案自隰县站向东，经东川河至黄土，以23．9 km长隧道越岭至佃坪设站，出站后向南至岸沟，设回头曲线折向北，顺地势展线后引入洪洞地区。该方案的优点是避让煤层采空区，于龙子祠泉域保护区边缘穿过，但舍弃了本区段最大的经济控制点蒲县，另外线路约6．55 km下穿五鹿山自然保护区，线路较蒲县方案展长17．3 km，桥隧工程增加10．6 km，工程投资增加约11．7亿，运营费增加0．38亿。综上分析，绕避方案研究价值不大。

蒲县方案自隰县起沿东川河河谷向南，再沿昕水河河谷向东，经蒲县设站后越岭，于南沟村和张家庄设站引入洪洞地区。该方案线位平直，线路长度短，工程造价及运营费相对较低，而且兼顾蒲县煤炭集散，作为推荐贯通方案。

1．2．2 过煤层采空区的研究思路

本段线路经蒲县到洪洞，经行霍州煤炭(国家)规划矿区、乡宁煤炭国家规划矿区及龙子祠泉域保护区范围内，两者是本隧道的主要控制性因素。

综合考虑越岭地形、地质构造、煤层及煤矿分布，经蒲县方案研究思路及原则如下。

1)以隧道方案越岭，克服地形问题。

2)探明区域煤层埋深及采空区分布，选择适当的越岭位置及标高，避免隧道进入煤层采空区，隧道可穿煤层，但应严格控制过煤层的长度。尽量将隧道下压到煤层及采空区以下，并保证一定的安全深度。

3)探明龙子祠泉域保护区范围地下水赋存规律及区域地下水补、径、排特征，严格控制隧道对龙子祠泉域的影响。

1．2．3 过煤层采空区研究方案

经蒲县方案初拟了11条线位方案，结合地质工作及方案研究原则，排除了风险极大的穿煤层采空区的方案后，重点对 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km 进行研究。工程方案及控制因素平面图见图1。

图1 工程方案及控制因素平面图Fig．1 Plan of different route options

2 关键技术研究

为选线方案提供控制标准，探求最佳越岭方案，针对本工程煤层采空区与水源地保护区双控条件，需要关键技术主要有:

1)煤层采空区综合地质勘察技术。

2)隧道距煤层采空区的安全距离评估。

3)探明龙子祠泉域地下水补给情况，评价隧道对泉域保护区的影响。

2．1 煤层采空区地质勘察技术

地质勘察是本次方案研究的基础，为探明煤层采空区情况，经综合论证后，勘察方案如下。

2．1．1 资料收集

收集区域地质勘察报告、区域水文地质报告以及地质灾害评估报告等相关资料，重点收集各矿煤矿资源/储量核查地质报告、矿产采掘工程平面图、矿区井上井下对照图、开采规划图及其他相关资料。

2．1．2 地质、矿区调查与调绘

1)区域地质调查。查明地形地貌、地质构造，地层年代、成因、岩性、产状及厚度分布;地下水赋存及动态变化情况，水质及其腐蚀性以及不良地质情况等。

2)矿区专项调查。包括矿区经营情况，开采规模及起终时间、开采层位及方式、采空区处理方式等;采空区标高、采高、空间形态、顶板支护方式及塌落情况;矿区地下水赋存、水质及补给状况;矿区突水、冒顶等灾害性事故情况。

3)测绘。通过现场测绘，对矿区井口、巷道、采空区内部进行标定和描述;对开采引发地表变形情况(包括塌陷裂缝性质、走向以及范围)进行测绘，对于通过采空区的线路，沿线设置观测点监测地表变形情况。观测点的埋深根据采空区埋深确定，埋深50 m以内的按10 m间距布点、埋深50～100 m的按10～20 m间距布点、埋深大于100 m的按20～50 m间距布点。

2．1．3 物探

主要采取高频大地电磁法进行了大面积扫面，然后针对异常区，采用高密度电法加密探测。

2．1．4 钻探

对收集、调查的资料、测绘及工程物探成果，进行了钻探验证。可行性研究阶段完成3个深孔共计1 449．81 m验证地勘工作，钻孔贯通煤系地层，并进入奥陶系地层900 m标高;后期定测阶段共完成15个深孔，共计5 888．6 m，进一步验证了地质勘察成果。

2．1．5 勘察及成果分析

主要与当地煤炭地质勘测院、工程地质勘察院以及水资源研究所等相关单位展开合作，共享成果资料，互相映证和对地区地质的理解。

通过上述方案，准确查明了煤层采空区的分布及奥陶系灰岩稳定水位的埋深与隧道洞身的相对关系，为工程方案研究及决策提供了依据。

2．2 隧道距煤层采空区安全距离评估

研究铁路隧道距煤层采空区安全距离，一是保证铁路工程安全;二是在技术方面尽量减少铁路对煤矿资源的压覆。本工程采用如下方式开展研究。

2．2．1 参照相关规范、规程要求

参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对位于煤层下斜井的相关规定，对位于单一煤层底板或煤层群底板岩层，且与煤层倾角相同的斜井，根据斜井至煤层的法线距离、煤层厚度及其间的岩性参照表1确定是否留设煤柱。当该法线距离大于或等于表1中的数值时，斜井上方的煤层可不留设保护煤柱。

表1 斜井上方煤层中留设保护煤柱的临界距离Table 1 Critical distance between coal columns reserved in coal seams above inclined shaft

研究区域开采煤层是太原组9#，10#和11#煤层，厚度约为4．5 m。下伏本溪组地层(层厚5～33 m，以黏土质页岩、碳质页岩为主，相对隔水层)及奥陶系地层(以灰岩为主)。按该规范，隧道距煤层45～50 m可不留设保护煤柱。

2．2．2 地下工程近接施工经验

日本1997年公布了《既有铁路隧道近接施工指南》，对铁路隧道近接施工类问题做了较全面、系统的阐述［14］。

近接施工类型主要包括隧道并列及隧道重叠等。根据国内外相关的施工经验(见图2)，隧道并列时，新隧道2．5D(D为开挖直径)以外是无影响区域;隧道重叠时，新隧道3．5D以外是无影响区域。据此，铁路隧道修建完成后，隧道上方如采煤，可采煤层2～4 m厚;采用柱式开采方法，10～20 m间隔预留安全煤柱不开采，对其下铁路隧道的无影响范围不小于35～70 m。

对采空区积水及开采震动对其下铁路隧道的影响进行评判，具体如表2所示。

图2 并列及重叠施工对既有隧道影响划分Fig．2 Ⅰnfluence of construction of parallel tunnels and perpendicular tunnels on existing tunnels

表2 地层震动及上部积水对隧道影响分析Table 2 Ⅰnfluence of ground vibration and accumulated water on tunnels below

2．2．3 隧道深埋理论及经验

借鉴隧道深埋理念，在铁路及水工行业中，通过多年实践经验及统计数据［15］，当隧道达到深埋临界值时，埋深增大隧道结构受力不变。据此行业整理了隧道深浅埋分界高度计算公式:

铁路隧道公式 h1=2×0．45×2s-1×ω。

水工隧道公式h1=0．135×2n-1×D。

理论上可利用普氏基于天然拱概念解释。普氏理论认为，隧道达到一定埋深条件时，隧道上方地层形成一个抛物线形的天然拱［16］，拱上部的边界条件及力学变化对天然拱以内隧道基本没有影响。这个临界埋深计算公式为:

参照上述理论及经验，铁路隧道距上部煤层的距离达到铁路隧道深埋条件时，其上荷载变化对铁路隧道基本无影响。隧道深埋理论计算的安全距离见表3。

2．2．4 数值模拟

采用有限差分模拟进行了数值模拟。计算模型见图3。研究断面取CK312+500(煤层最低点)，煤层倾角为8°～10°，煤层下为奥陶系泥质灰岩地层，岩石较完整，根据钻孔质量，围岩级别一般为Ⅳ级。煤系地层岩石参数按照地勘报告提供参数选取。

表3 基于隧道深埋理论计算的安全距离Table 3 Safe distance between goaf and tunnel calculated on basis of deep overburden theory m

模拟煤矿柱式留矿开采法开挖后，由于卸载影响，采空区下竖向应力减小，水平应力增加。统计了不同深度应力变化:采空区下65 m，竖向应力变化仅1%，水平应力变化0．4%，应力变化率处于拐点位置。采空区下不同深度地应力分布见表4。

在变形方面，煤炭开采引起采空区下地层上拱。由于煤层下主要是灰岩地层，采空区下35 m深度位移为2．5 mm，50～100 m 深度位移为1．9～1 mm。

当采空区垂直铁路隧道轴线方向时，对隧道各深度轴线方面的数据进行统计(见图4)。总体规律是距离采空区越远，地层位移越小，大致呈以采空区下为中心的正态分布。这种地层位移和量级，对隧道结构基本没有影响。

图3 计算模型Fig．3 Calculation model

表4 采空区下不同深度地应力分布Table 4 Distribution of ground stress in different depths below goaf

图4 隧道轴线拱顶位移变化图Fig．4 Displacement of tunnel crown along the tunnel axis

通过数值模拟，在该种地质条件下，采空区下65 m修建铁路隧道，煤炭开采对铁路隧道基本没有影响。

2．2．5 考虑采空区积水对安全距离的修正

煤层采空区积水在隧道上方形成承压水，影响下方隧道施工安全。参考挪威海底隧道经验、日本最小涌水量法及国内顶水采煤法来进一步修正安全距离。

2．2．5．1 挪威图表法

挪威修建海底隧道已有80多年的历史，积累了大量经验，总结出海底隧道最小埋深经验参考图，分别按岩石完整和岩石破碎给出2条经验曲线。隧道涌水量与安全岩柱关系见图5。

图5 隧道涌水量与安全岩柱关系图Fig．5 Correlation between water inflow amount and safe rock overburden thickness

按上文研究的65 m安全控制距离设计工程标高，隧道将穿越灰岩地层，采空区积水对隧道产生的压力在80～150 m。按挪威经验，隧道上方覆岩厚度在50～60 m。

2．2．5．2 日本最小涌水量法

该法假定积水渗漏到隧道时穿过的岩层透水性是均匀的，通过选取不同的岩石覆盖层厚度计算出对应的涌水量，得到涌水量和覆盖厚度的曲线，对应曲线上最小涌水量的岩石覆盖厚度为最小岩石覆盖厚度［17］。覆岩厚度与涌水量关系图见图6。预测公式为:

图6 覆岩厚度与涌水量关系图Fig．6 Correlation between water inflow amount and rock overburden

经计算，当煤层底到隧顶的岩石厚度为55 m时涌水量最小。

2．2．5．3 国内顶水采煤法

国内关于顶水采煤的经验非常丰富。为保证安全施工，提出了一定厚度防水岩柱的概念。顶水采煤安全防水岩柱厚度组成示意见图7。防水岩柱厚度可根据经验公式确定:

式中:h为隧道破裂带高度(导水裂隙带高度)，m;s为保护层厚度，m;a为表面裂隙带深度，m。

经计算，本工程针对采空区积水防水岩柱高度为46 m。

图7 顶水采煤安全防水岩柱厚度组成示意图Fig．7 Diagram of thickness of safe rock overburden when mining under water

2．2．6 隧道距煤层采空区安全距离

本次研究的安全距离是作为方案控制的重要因素，参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》位于煤层下斜井的相关规定，地下工程近接施工经验、隧道深埋理论以及数值模拟等方法，并考虑到煤层上既有采空区积水对隧道的影响，综合考虑隧道距煤层采空区安全距离按65 m控制。

2．3 隧道修建对龙子祠泉域影响评价

经区域水文地质调查，专家走访及钻孔验证，探明了龙子祠泉地下水赋存规律及区域地下水补、径、排特征。龙子祠含水系统地下水储存、运移特征剖面示意见图8。

图8 龙子祠含水系统地下水储存、运移特征剖面示意图Fig．8 Profile of water storage and water migration of Longzici water-containing system

降水为龙子祠泉的唯一补给来源，其中泉域北部、南部裸露可溶岩区降水直接入渗补给;而在石炭系、二迭系和第四系地层覆盖区，降水经地表径流后，至可溶岩地层下渗补给。北、西及南部岩溶水在奥陶系主要含水岩组中储存、运移，并聚集在地势最低洼的龙子祠处溢流成泉。

从构造上看，龙子祠泉域保护区是一个北、西、南3面仰起，东侧受土门龙子祠断层阻隔的龙子祠复向斜构造。向斜轴部呈波状起伏，形成一系列隆起和凹陷盆地的相间构造。各个局部凹陷区汇集其周围裂隙岩溶中的分散水流，形成局部饱水区;上下游各局部饱水区之间地下水位不同，但具有单向的水力联系。各个局部饱水区之间的关系犹如地表河流的梯级水库，具有多级调节功能，这是龙子祠泉动态稳定的重要原因。

勘察工作，在龙子祠泉域保护区范围，重点收集了17口稳定深水泉井的资料，结合深孔钻探工作，根据龙子祠泉域各局部保水区之间的梯度联系，绘制了龙子祠泉域补给的稳定饱和地下水等深线(见图9)。根据地质绘制的地下水等深线，选线区域水位在900 m标高以下，煤层最低处距离稳定饱和地下水约有200多m。成果经专家论证，认为基础资料较为翔实，成果可信。

图9 龙子祠泉域稳定饱和地下水等深线图Fig．9 Ⅰsobath of stable and saturated groundwater of Longzici spring zone

对龙子祠泉的研究成果，印证了本区域越岭隧道可以从煤层以下、龙子祠饱和地下水位以上的地带通过的方案。为了进一步减小隧道对龙子祠泉域稳定饱和地下水的影响，论证饱和地下水位上50 m控制隧道设计标高。

3 结论与建议

根据研究的选线控制标准，对 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km隧道方案进行综合分析，确定了23．4 km隧道方案为最优方案，该工程于2013年7月实现洞通。经施工验证，研究的23．4 km隧道走行在煤层和龙子祠饱和地下水位之间的的奥陶系地层中，全隧涌水量约2万m3/d。由于避让了煤层和富水地层，隧道提前6个月完工。通过对本工程的研究，主要成果如下。

1)通过本工程方案研究，结合地层年代发育规律，一般煤系地层下伏更古老的奥陶系地层。该地层年代古老，埋深较大，岩质较好，在铁路经行大范围煤矿分布区域时，可考虑隧道从煤系地层之下的奥陶地层通过，有效规避了穿煤层采空区的风险。

2)在煤矿及保护水源地重叠布置的区域，可通过研究保护水源地下水补给情况，查清水源补给来源及径流规律，并结合煤矿蕴含分布，论证线位设计标高范围，确保了隧道方案不下穿水源地稳定饱和地下水供给水位。

3)本工程研究煤层采空区综合地质勘察技术，特别提出，可行性研究阶段应充分利用当地的社会资源多方论证，并辅以深孔钻探的方式解决问题。研究的综合勘探技术在本工程中得到了较好的应用。

4)通过研究煤矿工程经验、地下工程近接施工经验、隧道深埋概念、国内顶水采煤以及研究海底隧道最小覆盖层厚度的挪威图表法和日本最小涌水量法，结合数值模拟，确定了本线隧道在煤层采空区下65 m的安全覆岩厚度。

本文主要研究确定了隧道在煤层采空区下通过的安全覆岩厚度，下一步研究工作尚需对煤层采空区上隧道安全距离进行分析论证。

［1］宋孝平，郭长久．铁路下压煤开采的可行性及技术要求［J］．煤矿开采，2004(3):31-32，48．(SONG Xiaoping，GUO Changjiu．Feasibility and technical request of mining under railway［J］．Coal Mining Technology，2004(3):31-32，48．(in Chinese))

［2］鞠同军．铁路压煤预留煤柱宽度计算［J］．铁道勘察，2008(4):49-50．(JU Tongjun．Width calculation of reserved coal column when railway passes coal field［J］．RailwayⅠnvestigation and Surveying，2008(4):49-50．(in Chinese))

［3］周泽，李青锋．铁路下采煤保护煤柱设计［J］．矿业工程研究，2012(3):23-27．(ZHOU Ze，LⅠQingfeng．Safety coal pillar design of coal mining under railway［J］．Mineral Engineering Research，2012(3):23-27．(in Chinese))

［4］姚占虎．大断面黄土隧道穿越煤层采空区施工技术与研究［J］．北方交通，2011(2):96-98．(YAO Zhanhu．Construction technology and research on large section loess tunnel through coal seam gob［J］．Northern Communi Cations，2011(2):96-98．(in Chinese))

［5］杨军生，韦秀燕．新大巴山隧道煤层采空区段的施工对策［J］．铁道勘察，2006(1):80-82．(YANG Junsheng，WEⅠXiuyan．Construction countermeasures for the mining section at the coal stratum in the New Dabashan mountain tunnel［J］．Railway Ⅰnvestigation and Surveying，2006(1):80-82．(in Chinese))

［6］郭海坡．特长隧道横穿古煤窑及煤层采空区安全施工技术［J］．隧道建设，2009，29(S2):120-124．

［7］张佳成．坛厂隧道穿越煤层段施工措施探讨［J］．交通科技，2010(2):52-54．

［8］康勇，杨春和，何正，等．煤系地层大跨度隧道围岩结构稳定性研究［J］．岩土力学，2010(S1):266-270，278．(KANG Yong，YANG Chunhe，HE Zheng，et al．Stability analysis of surrounding rock structure of large-span tunnel passing through coal seams［J］．Rock and Soil Mechanics，2010(S1):266-270，278．(in Chinese))

［9］黄云科．煤系岩层隧道施工性态及其围岩稳定性的分析［D］．重庆:重庆交通大学结构工程学院，2013．

［10］李晓红，靳晓光，王宏图，等．采动下卧煤层对深埋隧道结构稳定性的影响［J］．岩土力学，2005(9):1448-1451，1455．(LⅠ Xiaohong， JⅠN Xiaoguang， WANG Hongtu，et al．Study on structural stability of deep buried highway tunnel with underlying coal bed exploiting［J］．Rock and Soil Mechanics，2005(9):1448-1451，1455．(in Chinese))

［11］王乐杰，李景岱．砚石台煤矿铁路隧道下采煤技术研究［J］．矿山测量，2008(4):63-65．(WANG Lejie，LⅠJingdai．Research on mining techniques beneath railway tunnel in Yanshitai mine［J］．Mine Surveying，2008(4):63-65．(in Chinese))

［12］蒋晓槟，李博，薛亚东．基于蒙德法的穿煤层隧道瓦斯风险评估［J］．地下空间与工程学报，2012(6):1292-1295，1301．

［13］晏启祥，王璐石，段景川，等．煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别［J］．铁道标准设计，2013(3):80-85．(YAN Qixiang，WANG Lushi，DUAN Jingchuan，et al．Risk identification of gas explosion and goaf instability induced by tunnel construction in coal measure strata［J］．Railway Standard Design，2013(3):80-85．(in Chinese))

［14］仇文革．地下工程近接施工力学原理与对策的研究［D］．成都:西南交通大学桥梁与隧道工程学院，2003．

［15］TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［16］喻波，王呼佳．压力拱理论及隧道深浅埋划分方法研究［M］．北京:中国铁道出版社，2008．

［17］王建秀，朱合华，叶为民．隧道涌水量的预测及其工程应用［J］．岩石力学与工程学报，2004(7):1150-1153．(WANG Jianxiu，ZHU Hehua，YE Weimin．Forward and inverse analyses of water flow into tunnels［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(7):1150-1153．(in Chinese))

［18］刘松．矿山法修建海底隧道最小埋深的探讨［J］．隧道建设，2003，23(3):4-6．