宜宾港铁路采空区选线研究

2019-08-01梁玉余海刘鑫谢勇

铁道勘察 2019年4期

梁玉余海刘鑫谢勇

(中铁二院成都勘察设计研究院责任有限公司，四川成都 610081)

1 概述

新建宜宾港铁路集疏运中心工程近期为宜宾地区重要的支线铁路，主要服务于宜宾港后方货物运输；远期作为沿江铁路通道(西昌—宜宾—泸州)的一部分，铁路等级为国铁II级。线路自内昆铁路一步滩车站昆明端引出，向南经象鼻后折向东行，以隧道形式穿越观斗山、龙头山，于沙坪互通附近设临港北站，经新龙湾附近下穿宜泸高速公路，尔后折向西南，以隧道下穿宜南快速路，于志城码头下游设临港东站，新建正线长22.60 km。

经技术经济比选后，线路需穿越原五板桥煤矿、红旗煤矿、溪福煤矿采空区。根据2012年底三个煤矿的储量核实报告，线路区域主要穿越红旗煤矿采空区，如图1所示。

图1 隧址区通过采空区平面位置关系

2 采空区工程地质条件

2.1 地形地貌

测区位于四川盆地南缘，处于“红色”丘陵盆地与云贵高原的过渡带，山脉走向与构造线基本一致，呈北东-南西向展布。隧址区属低山地貌区，隧道进口位于观斗山背斜北西翼，现状地面高程为355～385 m，整体坡度15°～30°。

2.2 地层岩性

采空区所处含煤地层为观斗山背斜北西翼三叠系须家河组，属陆相含煤地层，可划分为六个段(T3xj6、T3xj5、T3xj4、T3xj3、T3xj2、T3xj1)，其中T3xj5、T3xj3、T3xj1为含煤段，T3xj6、T3xj4、T3xj2以砂岩为主。含煤地层主要为T3xj5层，T3xj3层中仅含煤线及鸡窝状薄煤(1～2层)，不可采。

正炭：煤厚0.2～0.7 m，平均0.5 m。层位稳定，厚度变化幅度较小，属较稳定煤层，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，厚0.3～0.5 m，底板为灰色砂质泥岩、细砂岩。

上页炭：位于正炭之上12～15 m，煤厚0.2～0.6 m，平均厚0.4 m，厚度稳定，一般无夹矸，煤层结构简单。顶板为灰色-深灰色薄层泥岩、砂质泥岩，较破碎，易垮塌；底板为深灰色薄-中层状砂质泥岩。

龙枯炭：局部可采，煤厚0.1～0.4 m，平均厚0.25 m。该煤层有夹矸，灰分较高。顶板为灰色-深灰色薄层泥岩、砂质泥岩，较破碎，易垮塌；底板为深灰色薄-中层状砂质泥岩。

2.3 地质构造

区域构造属新华夏构造体系第三沉降带—四川沉降带之西部，主要由北东向褶皱及逆断层等组成。采空区主要位于观斗山背斜两翼；在观斗山背斜南东翼发育观斗山断裂。

2.4 水文地质条件

调查区内，大气降雨是地下水主要的补给来源，降水入渗是地下水的主要补给方式。地下水类型为赋存于第四系松散土层中的孔隙水、基岩裂隙水。

2.5 煤层采空区开采情况

根据收集的红旗煤矿2012年矿山储量年报，在线路通过的位置附近，正炭和上页炭最高开采高程分别为390 m、398 m；最低开采高程为168 m和184 m；上页炭开采厚度为30～40 cm，正炭开采厚度为20～30 cm。

2.6 采空区工程地质特征及稳定性评价

(1)线路主要跨越观斗山背斜北西翼的原公安煤矿、象鼻煤矿及浅部小煤窑，属老采空区。采空区段呈一单斜地层产出，次级褶皱及断层不发育，构造较简单-中等，选线位置属于采空区的有利区段。

(2)采空区由“上页炭”、“正炭”及局部可采的“龙枯炭”层采空形成，平均厚约1.3 m。采空区上方地表一般未出现因采掘造成的塌陷、地裂缝等现象，线路通过区域发生较大规模地表塌陷的可能性相对较小。

(3)覆岩破坏高度计算

线路通过区各煤矿采空区均采用自由垮落方式管理顶板，未对采空进行规范回填等处理。按照《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程》附表中煤层分层开采的冒落带与导水裂隙带发育髙度经验公式进行计算：

冒落带高度

(1)

导水裂隙带高度

(2)

式(1)、式(2)中：

Hm—冒落带最大高度(煤层法线高度)/m；

Ht—冒落带裂隙带最大高度(煤层法线高度)/m；

M—累计采厚/m。

区内龙枯炭最大采厚0.3 m，正炭最大采厚约0.5 m，上页炭最大采厚约0.5 m，将M(累计采厚)取值1.3 m代入式(1)、式(2)，得Hm=7.4 m、Ht=28.5 m。

(4)铁路荷载影响深度计算

地表铁路荷载使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降等现象。铁路荷载的影响深度随路基荷载的增加而增大。一般情况下，当荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层自重应力的20%时，可以认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计，但当其下方存在高压缩性土或其他不稳定性因素(如采空区垮落、断裂带时)，则应计算至地基自重应力10%位置处，该深度即为铁路荷载影响深度(H影)。地基中自重应力按式(3)计算

σc=r1h1+r2h2+…+rnhn

(3)

式(3)中：r1、r2、…、rn为地基中自上而下各层土或岩石的容重/(kN/m3)；h1、h2、…、hn为地基中自上而下各层土或岩石的厚度/m。

表1 铁路路基荷载影响深度计算

由表1可知，当计算深度在铁路路基高程以下30 m左右时，该深度形成的附加荷载值为74.7 kN/m2，约为同深度地基自重应力的10%。因此，可认为铁路荷载影响深度H影=30 m。

(5)采空区铁路地基稳定性分析

煤层开采后，采空区垮落带不再因新加荷载扰动而重新移动，最小采深(H临)应该大于导水断裂带高度(Ht)与铁路荷载影响深度(H影)两者之和，即

H临>Ht+H影

(4)

根据前面计算，将Ht=28.5 m和H影=30 m代入式(3)，两者之和为58.5 m。可以认为，铁路路基以下采空区深度小于58.5 m时，采空区可能会因上部铁路荷载形成新的不均匀沉降或塌陷；而当采空区埋深大于58.5 m时，采空区将仍维持原有的平衡状态，铁路路基出现新的较大沉降的可能性相对较小。

(6)采空区处理宽度确定

按《工程地质手册》与《建筑、水体、铁路及主要井巷煤柱预留及压煤开采规程》中的概率积分法，采空区附近某一具体地表点地表变形程度评价计算公式如下：

①下沉量

(5)

②倾斜

(6)

③曲率

(7)

④水平变形

(8)

计算结果见表2。

表2 采空区走向方向地表不同位置变形量

根据《采空区工程勘察设计实用手册》中2.2.8采空区稳定性评价章节，当预计地表变形值小于下列数据值的地段应为相对稳定区，可以作为建筑场地。

地表倾斜≤3 mm/m；

地表水平变形≤2 mm/m。

按照上述标准，据表2的计算结果，当铁路线距采空区边界走向水平距离≥70 m时，可认为采空区引起的地表变形不会对铁路造成大的影响，此时反算对应走向的移动影响角为68°。

3 采空区治理方案

结合采空区和穿越观斗山的工程、地质条件，兼顾安全、经济和稳定性等方面，研究了“路基+隧道”和“全隧道”两个方案(见图2)。其中，“路基+隧道”方案段落为CK5+100～CK5+650，“全隧道”方案段落为C1K4+930～C1K5+650。

根据《加深地质工作报告》，本次按走向68°、倾向63°圈定采空区在走向及倾向两个方向的影响范围。

图2 “路基+隧道”与“全隧道”方案平纵断面比较示意

3.1 方案说明

(1)“路基+隧道”方案

根据采空区平面及空间位置，尽量采取路基形式通过，适当加宽路基，埋深较浅段采用隧道形式通过。比较范围内线路长约3.80 km，采空区影响范围长度为350 m。

①路基段落

铁路路基以两侧1 m为界加围护带，Ⅱ级铁路围护带宽度为15 m。整治边界按移动角理论并结合处理深度确定。整治范围见图3、图4。

图3 注浆加固代表性断面示意(单位：m)

图4 注浆加固纵向范围示意(单位：m)

整治边界处采用帷幕注浆，钻孔间距按3.0 m设置。

钻孔采用梅花形布置，在路基面宽度及框架涵范围内，进行三序注浆加密处理，Ⅲ序孔在Ⅰ、Ⅱ序孔中间内插加密，加密后的孔间距为3.5 m。其余范围按Ⅰ序孔间距7 m，正方形均布；Ⅱ序孔在Ⅰ序孔正方形中心内插加密，Ⅰ、Ⅱ序孔形成菱形布置，Ⅰ序与Ⅱ序孔间距为5 m，见图5。

图5 注浆孔平面布置示意(单位：m)

②隧道段落

注浆时，按先四周边缘孔，再中间孔的顺序进行，注浆孔开口直径为133 mm，终孔直径不应小于89 mm，且钻孔应深入采空区以下2 m。注浆钻孔纵向间距为2.5 m，横向间距为1.5 m(见图6、图7)。

图6 隧道整治方案代表性横断面1(单位：cm)

图7 隧道整治方案代表性横断面2(单位：cm)

(2)“全隧道”方案

线路跨过省道206及乡道后，立即以隧道形式进入采空区影响范围内。比较范围内线路长约3.771 km。采空区影响范围长度为380 m。

治理措施：隧道整治边界按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中移动角理论(隧道工程岩层移动角为60°)确定，采用回填C20混凝土、钻孔注浆等整治措施。注浆时，按先四周边缘孔，再中间孔的顺序进行，注浆孔开口直径为133 mm，终孔直径不应小于89 mm，且钻孔应深入采空区以下2 m。注浆钻孔纵向间距为2.5 m，横向间距为0.625～1.5 m。见图8、图9。