采动影响下铁路隧道病害分析与治理技术研究

2024-01-11李星

山东煤炭科技 2023年12期

李星

（中煤科工生态环境科技有限公司，天津 300450）

铁路运输在我国的交通运输中有着举足轻重的地位，铁路专用线是煤矿主要的配套运输设施，而铁路隧道作为专用线上较为重要的构筑物，可以避免线路过长，有效地缩短线路里程，减小坡度改善运营条件、提高牵引能力，具有显著的社会和经济效益。铁路专用线穿越井田，随着煤炭资源的开采，受煤层采动影响，铁路隧道路面、路基下沉，衬砌被破坏，影响铁路隧道的正常使用，进而影响煤矿正常、安全生产。因此，对采动影响下专用线铁路隧道的病害机理进行分析和整治维修技术的研究是非常有必要的[1-3]。

在采空区与隧道的影响关系方面，童立元等[4]在道路受采动影响规律、采空区二次活化等方面对道路与采空区二者之间的相互作用与影响的基本规律做出了全面的分析；田娇等[5]从采空区与隧道的不同距离及采空区不同规模等方面探讨了其主要影响因素和规律；时均伟[6]采用数值分析方法分析了采空区对隧道结构的影响；李晓红等[7]通过动态有限元数值模拟分析了采空区对隧道围岩应力和变形的影响；李辉等[8]通过数值模拟分析对采空区影响下隧道围岩应力变化做出研究；张志沛等[9]研究了隧道与采空区所在的空间位置对隧道稳定性的影响；王树仁等[10]结合青岛—银川高速公路中山西柳林段矾水沟大桥—师婆沟隧道下伏同德煤矿采空区处治工程，对桥隧工程地表沉陷盆地的特征和关键部位做出了分析。

在隧道加固方面，陈金祥等[11]通过对白岭煤矿采空区实例的建模分析，得出对采空区进行注浆加固可以有效提高隧道稳定性的结论；黄明等[12]采用有限差分软件模拟灯草塘隧道实例，研究了Ⅵ级围岩条件下隧道附近采煤空洞的处置及围岩的加固技术；杨玉龙等[13]对火山隧道建立管棚模型分析后，对隧道原有衬砌进行拆除与重置，隧道加固效果显著；王华玲[14]采用有限差分软件对华蓥山隧道实例进行施工模拟，得出对隧道基地下伏采空区进行注浆加固，有效充填了隧道下方围岩空隙，加强了隧道稳定性。

本文针对寺家庄铁路专用线南岭山1 号隧道受工作面采动影响实例，以概率积分法对铁路专用线及隧道离散点进行了地表及移动变形预测，对预测数据与地表及移动实际数据进行对比分析，并结合隧道裂缝和破损的方式及程度，提出其隧道衬砌和洞口边坡加固方法。

1 隧道概况

寺家庄矿铁路专用线地处太行山脉中段西麓，黄土高原东部边缘地带，线路DK7+875～DK8+385段为隧道，隧道长510 m，洞内DK8+314.37 至出口段为R=500、L=30 的曲线，其余均为直线段，隧道采用复合式衬砌，初期支护采用锚网喷混凝土加格珊钢架，不良地质条件地段隧道拱部采用超前小导管注浆预加固，二次衬砌为模筑钢筋混凝土。线路纵坡为11.5‰的上坡，进口高程910 m，出口高程916 m。隧道位于山岭区，围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级，岩层主要为山西组泥岩、石英砂岩及黏土岩，产状平缓，走向NNE-SSW，倾向NW-NNW，倾角8°～10°左右。岩石单轴饱和抗压强度20～40 MPa，为软岩，局部区段断裂及褶皱构造发育，岩体破碎，节理裂隙较为发育，局部夹有薄层泥岩，层间结合差，稳定性差。

该线路南岭山1#隧道经过煤矿采动区附近，隧道东口距开采的15113 工作面仅32 m，受采煤影响，线路部分路段及隧道出现了不同程度的移动与变形。现场观测发现，隧道外线路横向偏移为北向，偏移量累计122 mm；隧道衬砌出现数条贯通竖缝，缝宽4～18 mm，裂缝间距5～12 m，局部错峰35 mm；隧道两侧边墙拱腰处出现近似平行的水平裂缝，宽度5 mm，长度13.2 m；衬砌有明显凸鼓、掉块现象。

2 煤层开采情况

15113 工作面位于专用线隧道东侧，胶带顺槽距隧道东口32 m，工作面南部为村庄保护煤柱，北部为采区大巷保护煤柱，西部为未开采实体煤，东部为老采空区。工作面采宽238 m，设计长度约为2300 m，开采煤层为15 号煤层，开采厚度为5.4 m，煤层倾角3°，平均采深320 m，自南向北推进，采煤方法为综采一次采全高，全部垮落法管理顶板。

煤层上覆地层主要为石炭二叠系地层，基岩主要由各类砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成，第四纪表土层为现代冲积、洪积物，由砂、卵石及粉砂土组成，厚8.6 m。煤层顶板为砂质泥岩或粉砂岩，厚3～5 m，时有0.20～0.40 m 厚的泥岩伪顶，底板岩性多为泥岩或碳质泥岩。

2021 年4 月底，15113 工作面推进到铁路煤柱线附近，停采位置与铁路最小水平距离约为143 m。观测发现，线路向北横向偏移122 mm，隧道衬砌出现明显开裂现象。图1 为煤矿15113 工作面与南岭山1 号隧道位置关系平面图。

图1 煤矿15113 工作面与隧道位置关系平面图

3 隧道移动变形计算

采用概率积分法进行了地表及隧道移动变形预测。结合煤矿的地质采矿条件，并参照当地矿区岩移参数，选取预计参数见表1。

还有一种说法：西晋时有一人极为懒惰，一天到晚游手好闲，最后坐吃山空。他和妻子开始变卖地产、首饰，浑浑噩噩过了几年后，终于家里一穷二白、四面漏风，寒冬腊月断了炊。他们无计可施，将家里的米缸、面袋、坛坛罐罐搜出来的剩粒遗粉连同可食的残碎物一起熬了一碗“八宝粥”，度过了最艰难的一天。从此，夫妻二人幡然悔悟，痛改前非。当地人借此“八宝粥”的故事教育子女要勤劳节俭，不可坐吃山空。

表1 概率积分法岩移预计参数

15113 工作面推进到铁路专用线南侧煤柱线，南岭山1#隧道出现开裂，暂停开采。为了便于分析15113 工作面开采后铁路专用线的沉陷变形情况，对铁路专用线受采动影响较为明显的区段进行了变形预计，设置了42 个预计点，点间距为20 m。其中，DK7+775 至DK8+095 为南岭山1 号隧道。

通过预计结果可以看出（图2），预计铁路专用线路堑段最大下沉值为28.6 mm，纵向倾斜值为0.3 mm/m，横向倾斜值为0.8 mm/m，纵向水平移动值15.9 mm，横向水平移动值为49.3 mm，纵向水平变形值0.18 mm/m，横向水平变形值为1.52 mm/m。铁路受工作面开采的直接影响较轻，但线路南侧山体受开采影响严重，最大下沉值达3 m 以上，最大拉伸变形达9 mm/m，已出现滑移现象，并推动线路向北横移达122 mm。在采动影响下线路向北偏移（与采空区方向相背），表明工作面的开采引起了山体滑移，间接造成线路横向偏移和隧道衬砌开裂、错缝等。结合隧道与工作面的位置关系和衬砌破坏特征可以看出，工作面采动影响是导致隧道开裂、错位的主要原因。此外，隧道围岩破碎也是导致隧道破坏的重要因素。

图2 15113 工作面开采铁路零散点移动与变形预计曲线

15113 工作面推进到铁路南侧煤柱线，南岭山1 号隧道零散点移动变形最大值见表2。

表2 南岭山1 号隧道零散点移动变形最大值

4 采动影响分析

4.1 山区地表移动变形的特点

开采影响下的山区地表移动与平地的地表移动规律有明显不同，其所呈现的特点多是开采和开采引起的山体滑移两者综合影响的结果，具有复杂多变、规律性差等特点。

由于受到采动引起的地表滑移影响，山区地形条件下地表的移动影响范围更大，并且下坡方向扩大的范围又较上坡方向大。山区地形易出现集中变形，集中变形主要出现在变坡点附近，表现为山谷地带易产生集中压缩变形，甚至在应为拉伸变形的区域出现压缩变形，并且山谷内地表下沉值往往偏小；在山顶地带易产生集中拉伸变形，在局部山坡较陡的地方还会出现滑坡现象，其地表下沉值往往偏大[15]，在山坡坡脚部位易出现水平剪切破坏等。

山体形态、坡面朝向及山体与采空区的相对位置也是影响山区地表移动变形值的大小和分布形态的重要因素。

结合南岭山1 号隧道与工作面的位置关系和衬砌破坏特征可以看出，工作面采动影响是导致隧道开裂、错位的主要原因，隧道围岩破碎也是导致隧道破坏的重要因素。考虑到隧道断面受力性能较好，加之在施工中采用小导管超前注浆、喷锚支护和二次衬砌，隧道具有一定的抵抗采动损坏能力，建议对隧道及衬砌进行整治与修复，包括裂缝修补、表面缺陷修复及渗漏水处理。隧道变形与破坏特征主要：洞口边坡崩塌与滑塌、洞门裂损、衬砌及围岩坍塌、衬砌开裂及错位、底板开裂及隆起。

4.2 采动影响

根据15113 工作面铁路专用线区域地质、水文地质、地形地貌条件和地表移动变形等值线图以及南岭山1 号隧道零散点沉陷变形预计结果，工作面对南岭山1 号隧道造成影响：

依据工作面与隧道的位置关系以及衬砌破坏特征来看，除工作面采动影响外，隧道围岩破碎也是导致隧道破坏的重要影响因素。考虑到隧道断面受力性能较好，加之在施工中采用小导管超前注浆、喷锚支护和二次衬砌，隧道具有一定的抵抗采动损坏能力，采动影响未对隧道造成结构性破坏。

5 隧道加固治理技术

隧道是铁路线路的重要组成部分，井下煤层开采引起地表变形，使铁路隧道结构随地表变形产生附加应力，使之发生破坏，严重者甚至坍塌。地表沉陷变形中的下沉、水平变形、倾斜变形、曲率变形等均会对铁路隧道产生不同形式和不同程度的附加应力，最终导致隧道病害的出现。

5.1 隧道加固措施

隧道的加固不应低于原有技术标准。结合隧道裂缝和破损的方式及程度，衬砌加固部分拟采用嵌缝加固、局部断面加固和粘贴钢板（带）加固相结合的方式。

1）治理前，调查隧道存在的病害与隐患，检测衬砌背面空洞和围岩地质状况，检验二衬混凝土强度，测量衬砌裂缝的发育深度和形态。

2）对于尚在发展宽度小于2 mm 的裂缝，采用低黏度、可注性好的环氧树脂类胶液封堵，宽度大于2 mm 的裂缝采用环氧树脂类胶液+W 钢板进行加固；对稳定裂缝，根据裂缝部位、规模、深度等因素选择水泥砂浆、环氧树脂砂浆等修补材料，对裂缝进行维护加固处理；对衬砌异常发育裂缝，采用开槽嵌缝加固法处理，沿裂缝延伸范围凿成楔形槽，槽宽不小于5 cm，深度接近裂缝宽度，并且把槽做成外窄内宽，用水冲洗干净后，用高强度水泥浆、膨胀性水泥浆、环氧树脂砂浆或者环氧树脂混凝土嵌补。

3）对衬砌剥落处及衬砌断面缺损部分应进行断面修复。针对剥落、凿落等局部较小范围的修补，用掺有高分子材料（环氧树脂）的砂浆进行充填、涂抹；对于较大断面的修补，采用金属网、锚栓、镀锌钢板修复，使修复材料和既有有效衬砌一体化。如图3。

图3 修复、加固断面示意图

4）隧道受损区域内，每隔2 m 设4 mm 厚、300 mm 宽W 钢带，粘贴在衬砌内表面。钢板（带）作为抗拉材料能有效地控制开裂的开口和衬砌的变形，防止衬砌掉块、剥落、剥离以及衬砌材料的继续劣化。环向500 mm 设Φ20 mm 胶粘型锚栓固定，锚固深度不小于200 mm。W 钢带与衬砌之间采用压力注胶方式粘贴，且W 钢带采取防腐蚀、防锈蚀处理，并定期维护。对于衬砌斜向裂缝和交叉裂缝，可采用钢波纹板进行加固，波纹板、隧道壁之间灌注自密实混凝土。加固方法参考图3。

此外，对隧道开裂和错位现象较严重部位，应对隧道围岩进行注浆加固；对加固原衬砌仍不能满足使用要求部位，可采用整体换拱或局部衬砌更换的加固措施。