長大隧道穿越泉域保護區及煤層采空區地質選線關鍵技術研究

周 魯

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 3 00133)

0 引言

《中長期鐵路網調整規劃方案》(2008年)提出，2020年我國鐵路網營業里程12萬km以上，計劃新建鐵路4．1萬km，強化煤炭運輸通道。據此，我國將大規模發展煤炭外輸的貨運鐵路，其中過煤層采空區的選線關鍵技術將成為今后重點研究的方向。

我國在鐵路過煤礦地區設計、施工方面總結了不少經驗，主要有鐵路壓煤保護煤柱設計［1-3］、過采空區隧道施工技術［4-6］、穿煤層隧道結構穩定研究［7-10］以及隧道下采煤技術［11］等。根據經驗，隧道穿煤層采空區短距離可行［12］，但在大規模的煤礦區域，隧道穿煤層采空區風險極高，且不可控［13］。近年來，在新線設計中逐漸采用隧道方案下穿煤層采空區，但工程經驗非常少，特別是煤層采空區與水源地保護區雙控的情況，國內尚沒有經驗。

本文以山西中南部鐵路過霍州煤田及龍子祠泉域保護區的越嶺方案為例，總結在煤層采空區與水源地保護區雙控條件下的隧道選線關鍵技術。

1 工程方案概述

山西中南部鐵路是國家規劃的某大能力運煤通道項目。按國鐵Ⅰ級，軸質量30 t設計，牽引質量1萬t。

1．1 主要控制性因素

研究段落為呂梁山脈越嶺地段，由蒲縣喬家灣鎮昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直線距離僅30 km，高差達780 m。地形十分復雜，越嶺工程成為影響本段線路走向的重要因素之一。

本段有隰縣、蒲縣和洪洞3縣，處于霍州煤田國家規劃礦區及鄉寧煤炭國家規劃礦區，煤炭埋藏深度為900～1 100 m。其中北起克城經喬家灣、黑龍關至鄉寧縣長約100多km、寬20多km范圍內煤炭開采已達到一定規模，采空區分布較廣且多無詳細統計資料，本段規劃礦區和采空區是影響本段線路走向的又一重要因素。

本段范圍內還有龍子祠泉域保護區以及五鹿山國家級自然保護區。龍子祠泉域位于臨汾市西南13 km的西山山前，保護區面積達2 250 km2;五鹿山國家級自然保護區位于蒲縣北側20 km，面積100 km2，為國家級保護區。

1．2 方案情況

1．2．1 繞避煤層采空區及過煤層采空區論證

可行性研究階段研究了繞避煤層采空區，經佃坪方案以及過煤層采空區，經蒲縣方案。

佃坪方案自隰縣站向東，經東川河至黃土，以23．9 km長隧道越嶺至佃坪設站，出站后向南至岸溝，設回頭曲線折向北，順地勢展線后引入洪洞地區。該方案的優點是避讓煤層采空區，于龍子祠泉域保護區邊緣穿過，但舍棄了本區段最大的經濟控制點蒲縣，另外線路約6．55 km下穿五鹿山自然保護區，線路較蒲縣方案展長17．3 km，橋隧工程增加10．6 km，工程投資增加約11．7億，運營費增加0．38億。綜上分析，繞避方案研究價值不大。

蒲縣方案自隰縣起沿東川河河谷向南，再沿昕水河河谷向東，經蒲縣設站后越嶺，于南溝村和張家莊設站引入洪洞地區。該方案線位平直，線路長度短，工程造價及運營費相對較低，而且兼顧蒲縣煤炭集散，作為推薦貫通方案。

1．2．2 過煤層采空區的研究思路

本段線路經蒲縣到洪洞，經行霍州煤炭(國家)規劃礦區、鄉寧煤炭國家規劃礦區及龍子祠泉域保護區范圍內，兩者是本隧道的主要控制性因素。

綜合考慮越嶺地形、地質構造、煤層及煤礦分布，經蒲縣方案研究思路及原則如下。

1)以隧道方案越嶺，克服地形問題。

2)探明區域煤層埋深及采空區分布，選擇適當的越嶺位置及標高，避免隧道進入煤層采空區，隧道可穿煤層，但應嚴格控制過煤層的長度。盡量將隧道下壓到煤層及采空區以下，并保證一定的安全深度。

3)探明龍子祠泉域保護區范圍地下水賦存規律及區域地下水補、徑、排特征，嚴格控制隧道對龍子祠泉域的影響。

1．2．3 過煤層采空區研究方案

經蒲縣方案初擬了11條線位方案，結合地質工作及方案研究原則，排除了風險極大的穿煤層采空區的方案后，重點對 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km 進行研究。工程方案及控制因素平面圖見圖1。

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

2 關鍵技術研究

為選線方案提供控制標準，探求最佳越嶺方案，針對本工程煤層采空區與水源地保護區雙控條件，需要關鍵技術主要有:

1)煤層采空區綜合地質勘察技術。

2)隧道距煤層采空區的安全距離評估。

3)探明龍子祠泉域地下水補給情況，評價隧道對泉域保護區的影響。

2．1 煤層采空區地質勘察技術

地質勘察是本次方案研究的基礎，為探明煤層采空區情況，經綜合論證后，勘察方案如下。

2．1．1 資料收集

收集區域地質勘察報告、區域水文地質報告以及地質災害評估報告等相關資料，重點收集各礦煤礦資源/儲量核查地質報告、礦產采掘工程平面圖、礦區井上井下對照圖、開采規劃圖及其他相關資料。

2．1．2 地質、礦區調查與調繪

1)區域地質調查。查明地形地貌、地質構造，地層年代、成因、巖性、產狀及厚度分布;地下水賦存及動態變化情況，水質及其腐蝕性以及不良地質情況等。

2)礦區專項調查。包括礦區經營情況，開采規模及起終時間、開采層位及方式、采空區處理方式等;采空區標高、采高、空間形態、頂板支護方式及塌落情況;礦區地下水賦存、水質及補給狀況;礦區突水、冒頂等災害性事故情況。

3)測繪。通過現場測繪，對礦區井口、巷道、采空區內部進行標定和描述;對開采引發地表變形情況(包括塌陷裂縫性質、走向以及范圍)進行測繪，對于通過采空區的線路，沿線設置觀測點監測地表變形情況。觀測點的埋深根據采空區埋深確定，埋深50 m以內的按10 m間距布點、埋深50～100 m的按10～20 m間距布點、埋深大于100 m的按20～50 m間距布點。

2．1．3 物探

主要采取高頻大地電磁法進行了大面積掃面，然后針對異常區，采用高密度電法加密探測。

2．1．4 鉆探

對收集、調查的資料、測繪及工程物探成果，進行了鉆探驗證。可行性研究階段完成3個深孔共計1 449．81 m驗證地勘工作，鉆孔貫通煤系地層，并進入奧陶系地層900 m標高;后期定測階段共完成15個深孔，共計5 888．6 m，進一步驗證了地質勘察成果。

2．1．5 勘察及成果分析

主要與當地煤炭地質勘測院、工程地質勘察院以及水資源研究所等相關單位展開合作，共享成果資料，互相映證和對地區地質的理解。

通過上述方案，準確查明了煤層采空區的分布及奧陶系灰巖穩定水位的埋深與隧道洞身的相對關系，為工程方案研究及決策提供了依據。

2．2 隧道距煤層采空區安全距離評估

研究鐵路隧道距煤層采空區安全距離，一是保證鐵路工程安全;二是在技術方面盡量減少鐵路對煤礦資源的壓覆。本工程采用如下方式開展研究。

2．2．1 參照相關規范、規程要求

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》對位于煤層下斜井的相關規定，對位于單一煤層底板或煤層群底板巖層，且與煤層傾角相同的斜井，根據斜井至煤層的法線距離、煤層厚度及其間的巖性參照表1確定是否留設煤柱。當該法線距離大于或等于表1中的數值時，斜井上方的煤層可不留設保護煤柱。

表1 斜井上方煤層中留設保護煤柱的臨界距離Table 1 Critical distance between coal columns reserved in coal seams above inclined shaft

研究區域開采煤層是太原組9#，10#和11#煤層，厚度約為4．5 m。下伏本溪組地層(層厚5～33 m，以黏土質頁巖、碳質頁巖為主，相對隔水層)及奧陶系地層(以灰巖為主)。按該規范，隧道距煤層45～50 m可不留設保護煤柱。

2．2．2 地下工程近接施工經驗

日本1997年公布了《既有鐵路隧道近接施工指南》，對鐵路隧道近接施工類問題做了較全面、系統的闡述［14］。

近接施工類型主要包括隧道并列及隧道重疊等。根據國內外相關的施工經驗(見圖2)，隧道并列時，新隧道2．5D(D為開挖直徑)以外是無影響區域;隧道重疊時，新隧道3．5D以外是無影響區域。據此，鐵路隧道修建完成后，隧道上方如采煤，可采煤層2～4 m厚;采用柱式開采方法，10～20 m間隔預留安全煤柱不開采，對其下鐵路隧道的無影響范圍不小于35～70 m。

對采空區積水及開采震動對其下鐵路隧道的影響進行評判，具體如表2所示。

圖2 并列及重疊施工對既有隧道影響劃分Fig．2 Ⅰnfluence of construction of parallel tunnels and perpendicular tunnels on existing tunnels

表2 地層震動及上部積水對隧道影響分析Table 2 Ⅰnfluence of ground vibration and accumulated water on tunnels below

2．2．3 隧道深埋理論及經驗

借鑒隧道深埋理念，在鐵路及水工行業中，通過多年實踐經驗及統計數據［15］，當隧道達到深埋臨界值時，埋深增大隧道結構受力不變。據此行業整理了隧道深淺埋分界高度計算公式:

鐵路隧道公式 h1=2×0．45×2s-1×ω。

水工隧道公式h1=0．135×2n-1×D。

理論上可利用普氏基于天然拱概念解釋。普氏理論認為，隧道達到一定埋深條件時，隧道上方地層形成一個拋物線形的天然拱［16］，拱上部的邊界條件及力學變化對天然拱以內隧道基本沒有影響。這個臨界埋深計算公式為:

參照上述理論及經驗，鐵路隧道距上部煤層的距離達到鐵路隧道深埋條件時，其上荷載變化對鐵路隧道基本無影響。隧道深埋理論計算的安全距離見表3。

2．2．4 數值模擬

采用有限差分模擬進行了數值模擬。計算模型見圖3。研究斷面取CK312+500(煤層最低點)，煤層傾角為8°～10°，煤層下為奧陶系泥質灰巖地層，巖石較完整，根據鉆孔質量，圍巖級別一般為Ⅳ級。煤系地層巖石參數按照地勘報告提供參數選取。

表3 基于隧道深埋理論計算的安全距離Table 3 Safe distance between goaf and tunnel calculated on basis of deep overburden theory m

模擬煤礦柱式留礦開采法開挖后，由于卸載影響，采空區下豎向應力減小，水平應力增加。統計了不同深度應力變化:采空區下65 m，豎向應力變化僅1%，水平應力變化0．4%，應力變化率處于拐點位置。采空區下不同深度地應力分布見表4。

在變形方面，煤炭開采引起采空區下地層上拱。由于煤層下主要是灰巖地層，采空區下35 m深度位移為2．5 mm，50～100 m 深度位移為1．9～1 mm。

當采空區垂直鐵路隧道軸線方向時，對隧道各深度軸線方面的數據進行統計(見圖4)?？傮w規律是距離采空區越遠，地層位移越小，大致呈以采空區下為中心的正態分布。這種地層位移和量級，對隧道結構基本沒有影響。

圖3 計算模型Fig．3 Calculation model

表4 采空區下不同深度地應力分布Table 4 Distribution of ground stress in different depths below goaf

圖4 隧道軸線拱頂位移變化圖Fig．4 Displacement of tunnel crown along the tunnel axis

通過數值模擬，在該種地質條件下，采空區下65 m修建鐵路隧道，煤炭開采對鐵路隧道基本沒有影響。

2．2．5 考慮采空區積水對安全距離的修正

煤層采空區積水在隧道上方形成承壓水，影響下方隧道施工安全。參考挪威海底隧道經驗、日本最小涌水量法及國內頂水采煤法來進一步修正安全距離。

2．2．5．1 挪威圖表法

挪威修建海底隧道已有80多年的歷史，積累了大量經驗，總結出海底隧道最小埋深經驗參考圖，分別按巖石完整和巖石破碎給出2條經驗曲線。隧道涌水量與安全巖柱關系見圖5。

圖5 隧道涌水量與安全巖柱關系圖Fig．5 Correlation between water inflow amount and safe rock overburden thickness

按上文研究的65 m安全控制距離設計工程標高，隧道將穿越灰巖地層，采空區積水對隧道產生的壓力在80～150 m。按挪威經驗，隧道上方覆巖厚度在50～60 m。

2．2．5．2 日本最小涌水量法

該法假定積水滲漏到隧道時穿過的巖層透水性是均勻的，通過選取不同的巖石覆蓋層厚度計算出對應的涌水量，得到涌水量和覆蓋厚度的曲線，對應曲線上最小涌水量的巖石覆蓋厚度為最小巖石覆蓋厚度［17］。覆巖厚度與涌水量關系圖見圖6。預測公式為:

圖6 覆巖厚度與涌水量關系圖Fig．6 Correlation between water inflow amount and rock overburden

經計算，當煤層底到隧頂的巖石厚度為55 m時涌水量最小。

2．2．5．3 國內頂水采煤法

國內關于頂水采煤的經驗非常豐富。為保證安全施工，提出了一定厚度防水巖柱的概念。頂水采煤安全防水巖柱厚度組成示意見圖7。防水巖柱厚度可根據經驗公式確定:

式中:h為隧道破裂帶高度(導水裂隙帶高度)，m;s為保護層厚度，m;a為表面裂隙帶深度，m。

經計算，本工程針對采空區積水防水巖柱高度為46 m。

圖7 頂水采煤安全防水巖柱厚度組成示意圖Fig．7 Diagram of thickness of safe rock overburden when mining under water

2．2．6 隧道距煤層采空區安全距離

本次研究的安全距離是作為方案控制的重要因素，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》位于煤層下斜井的相關規定，地下工程近接施工經驗、隧道深埋理論以及數值模擬等方法，并考慮到煤層上既有采空區積水對隧道的影響，綜合考慮隧道距煤層采空區安全距離按65 m控制。

2．3 隧道修建對龍子祠泉域影響評價

經區域水文地質調查，專家走訪及鉆孔驗證，探明了龍子祠泉地下水賦存規律及區域地下水補、徑、排特征。龍子祠含水系統地下水儲存、運移特征剖面示意見圖8。

圖8 龍子祠含水系統地下水儲存、運移特征剖面示意圖Fig．8 Profile of water storage and water migration of Longzici water-containing system

降水為龍子祠泉的唯一補給來源，其中泉域北部、南部裸露可溶巖區降水直接入滲補給;而在石炭系、二迭系和第四系地層覆蓋區，降水經地表徑流后，至可溶巖地層下滲補給。北、西及南部巖溶水在奧陶系主要含水巖組中儲存、運移，并聚集在地勢最低洼的龍子祠處溢流成泉。

從構造上看，龍子祠泉域保護區是一個北、西、南3面仰起，東側受土門龍子祠斷層阻隔的龍子祠復向斜構造。向斜軸部呈波狀起伏，形成一系列隆起和凹陷盆地的相間構造。各個局部凹陷區匯集其周圍裂隙巖溶中的分散水流，形成局部飽水區;上下游各局部飽水區之間地下水位不同，但具有單向的水力聯系。各個局部飽水區之間的關系猶如地表河流的梯級水庫，具有多級調節功能，這是龍子祠泉動態穩定的重要原因。

勘察工作，在龍子祠泉域保護區范圍，重點收集了17口穩定深水泉井的資料，結合深孔鉆探工作，根據龍子祠泉域各局部保水區之間的梯度聯系，繪制了龍子祠泉域補給的穩定飽和地下水等深線(見圖9)。根據地質繪制的地下水等深線，選線區域水位在900 m標高以下，煤層最低處距離穩定飽和地下水約有200多m。成果經專家論證，認為基礎資料較為翔實，成果可信。

圖9 龍子祠泉域穩定飽和地下水等深線圖Fig．9 Ⅰsobath of stable and saturated groundwater of Longzici spring zone

對龍子祠泉的研究成果，印證了本區域越嶺隧道可以從煤層以下、龍子祠飽和地下水位以上的地帶通過的方案。為了進一步減小隧道對龍子祠泉域穩定飽和地下水的影響，論證飽和地下水位上50 m控制隧道設計標高。

3 結論與建議

根據研究的選線控制標準，對 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km隧道方案進行綜合分析，確定了23．4 km隧道方案為最優方案，該工程于2013年7月實現洞通。經施工驗證，研究的23．4 km隧道走行在煤層和龍子祠飽和地下水位之間的的奧陶系地層中，全隧涌水量約2萬m3/d。由于避讓了煤層和富水地層，隧道提前6個月完工。通過對本工程的研究，主要成果如下。

1)通過本工程方案研究，結合地層年代發育規律，一般煤系地層下伏更古老的奧陶系地層。該地層年代古老，埋深較大，巖質較好，在鐵路經行大范圍煤礦分布區域時，可考慮隧道從煤系地層之下的奧陶地層通過，有效規避了穿煤層采空區的風險。

2)在煤礦及保護水源地重疊布置的區域，可通過研究保護水源地下水補給情況，查清水源補給來源及徑流規律，并結合煤礦蘊含分布，論證線位設計標高范圍，確保了隧道方案不下穿水源地穩定飽和地下水供給水位。

3)本工程研究煤層采空區綜合地質勘察技術，特別提出，可行性研究階段應充分利用當地的社會資源多方論證，并輔以深孔鉆探的方式解決問題。研究的綜合勘探技術在本工程中得到了較好的應用。

4)通過研究煤礦工程經驗、地下工程近接施工經驗、隧道深埋概念、國內頂水采煤以及研究海底隧道最小覆蓋層厚度的挪威圖表法和日本最小涌水量法，結合數值模擬，確定了本線隧道在煤層采空區下65 m的安全覆巖厚度。

本文主要研究確定了隧道在煤層采空區下通過的安全覆巖厚度，下一步研究工作尚需對煤層采空區上隧道安全距離進行分析論證。

［1］宋孝平，郭長久．鐵路下壓煤開采的可行性及技術要求［J］．煤礦開采，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］鞠同軍．鐵路壓煤預留煤柱寬度計算［J］．鐵道勘察，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］周澤，李青鋒．鐵路下采煤保護煤柱設計［J］．礦業工程研究，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．大斷面黃土隧道穿越煤層采空區施工技術與研究［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］楊軍生，韋秀燕．新大巴山隧道煤層采空區段的施工對策［J］．鐵道勘察，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．特長隧道橫穿古煤窯及煤層采空區安全施工技術［J］．隧道建設，2009，29(S2):120-124．

［7］張佳成．壇廠隧道穿越煤層段施工措施探討［J］．交通科技，2010(2):52-54．

［8］康勇，楊春和，何正，等．煤系地層大跨度隧道圍巖結構穩定性研究［J］．巖土力學，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］黃云科．煤系巖層隧道施工性態及其圍巖穩定性的分析［D］．重慶:重慶交通大學結構工程學院，2013．

［10］李曉紅，靳曉光，王宏圖，等．采動下臥煤層對深埋隧道結構穩定性的影響［J］．巖土力學，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］王樂杰，李景岱．硯石臺煤礦鐵路隧道下采煤技術研究［J］．礦山測量，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］蔣曉檳，李博，薛亞東．基于蒙德法的穿煤層隧道瓦斯風險評估［J］．地下空間與工程學報，2012(6):1292-1295，1301．

［13］晏啟祥，王璐石，段景川，等．煤系地層隧道施工瓦斯爆炸與采空區失穩的風險識別［J］．鐵道標準設計，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學原理與對策的研究［D］．成都:西南交通大學橋梁與隧道工程學院，2003．

［15］TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［16］喻波，王呼佳．壓力拱理論及隧道深淺埋劃分方法研究［M］．北京:中國鐵道出版社，2008．

［17］王建秀，朱合華，葉為民．隧道涌水量的預測及其工程應用［J］．巖石力學與工程學報，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］劉松．礦山法修建海底隧道最小埋深的探討［J］．隧道建設，2003，23(3):4-6．