鐵路隧道小煤窯采空區勘察與處理

黃 創

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西太原 030013)

1 概述

小煤窯采空區是鐵路施工和運營安全的隱患，線路選線時一般應盡量繞避。如必須通過時，應查明其地質特征，進行穩定性評價并提出工程措施意見[1-2]。小煤窯采空區具有私自開挖、埋深較淺、隨意性強、無規劃等特點，國內的孝柳線、準朔線、包西線、巴準線均遇到了不同程度的小煤窯采空區問題[3]。多年來，勘察設計單位對小煤窯采空區進行了大量的勘察工作，積累了寶貴的經驗。李景山在包西線勘測中采用地質調繪、物探、鉆探等手段，查明了米家園子小煤窯采空區的分布[4]；孫金等在登封至商丘高速公路勘察中，采用資料收集、地質調繪、地震反射波法及鉆探查明了鄭新天富煤業的采空區[5]；龐雪春根據工程、技術、經濟及環境等因素，對馬鞍山采空區繞避方案進行研究[6]；霍世強等在平朔東露天礦專用線中采用充填注漿法對采空區進行治理[7]。以往研究沒有形成統一的標準和完整的流程，其處理方案也大多為平面繞避和注漿充填。內蒙古鄂爾多斯市某鐵路隧道位于中興煤礦北部，區域內分布有已關停的小煤窯，通過現場調查走訪、地質調繪、礦區煤層資料收集、物探及鉆探驗證等綜合勘察手段，查明了采空區的分布。設計時采取了降低線位高程、立體繞避的方案。施工中采用加強超前支護、加強襯砌等措施，使隧道順利從采空區下方安全通過。

2 工程概況

2.1 地層巖性

某單洞雙線鐵路隧道位于鄂爾多斯市東勝區東南約30 km處，長1 682 m。地貌類型為低中山區，地面受流水侵蝕切割劇烈，溝谷縱橫，植被稀疏，溝谷及山麓基巖大面積出露。隧址區表層為薄層第四系上更新統砂質黃土，下伏侏羅系下統砂巖、泥巖及煤。巖層產狀近乎水平，傾角一般小于5°，傾向北北東。地下水為基巖裂隙水，主要靠大氣降水補給，水量貧乏。

2.2 采空區分布

隧道位于中興煤礦礦區北部，區域內分布有已關停的小煤窯。小煤窯無正規手續，管理混亂，無開采資料。根據現場調查，隧道里程DIK32+430～DIK32+560段地表塌陷，變形區域長約130 m，裂縫斷續相連，分布很不規則，裂縫長20～60 m，寬2～160 cm不等，最大錯臺高差30 cm，局部地段已塌陷，隧道上方地表變形區域見圖1。

圖1 隧道上方地表變形區域

2.3 煤層情況

通過走訪調查，小煤窯于20世紀90年代后期開始開采，采煤方法為房柱式，采空區頂板自然垮落，通風方式為自然通風，井下運輸方式為三輪車從工作面運至地面儲煤廠。至2005年被關閉前，小煤窯合計開采17萬噸，回采率為40%。

中興礦區共有3層煤分布，煤層號分別為3號、4號、5號。小煤窯于2005年之前采用巷道開采第一層煤(3號煤層)。根據中興煤礦儲量報告中的3號煤層底板等高線(見圖2)，線路附近的3號煤層底板高程為1 345～1 355 m，煤層平均厚度為1.89 m[8]。地表變形區域內隧道洞身高程為1 340～1 350 m，推測采空區的分布范圍見圖3。

圖2 3號煤層底板等高線(單位：m)

圖3 推測采空區的分布范圍

3 采空區勘察

3.1 物探、鉆探布置

(1)物探

在分析已有資料的基礎上，為查明采空區的范圍，決定采用高密度電法進行勘探。高密度電阻率法結合了電測深法和電測剖面法的優勢，具有分辨率高、干擾小等特點[9]。根據現場的地質條件和地形情況，沿中線兩側平行布設兩條縱斷面，測線跨越采空范圍，測線長度均為320 m；另外布設2條橫斷面，測線長度分別為280 m和230 m。本次工作采用具有較高分辨力的斯倫貝格裝置(5 m極距)，向地下傳入電流，通過測定電阻異常區來確定采空區的空間位置和規模。

(2)鉆探

物探資料的解釋具有多義性，其成果還需要鉆孔資料進行驗證。根據地形，沿線路兩側布置8個鉆孔，鉆孔間距20～50 m不等，其中地表變形區域和物探異常區內鉆孔布設較密集，變形區域外鉆孔間距較大。鉆孔位于線路兩側9～30 m不等，深度均按進入最底層的5號煤層控制(根據中興煤礦儲量報告中《5號煤層底板等高線圖》，隧道位置5號煤的層底高程為1 310 m)。

采空區勘察物探、鉆探布置見圖4。

圖4 物探、鉆探布置

3.2 物探成果

巖土的電阻率除與成分有關以外，還與地質構造、地層結構、地下水等有關。場地為砂泥巖地層，孔隙小，產狀平緩，基巖裂隙水不發育，無斷層分布。正常地層電阻應較為穩定或呈水平狀條帶分布，如存在采空區，應顯示為高阻異常；當采空區內積水時，地層孔隙飽和，應顯示為低阻異常[10]。本次選取效果較好的北側測線進行分析，該測線的視電阻率分布見圖5。表層電阻率為20～60 Ω·m，推斷為覆蓋層；電阻率60～100 Ω·m區域推斷為基巖風化層；電阻率大于100 Ω·m區域推斷為完整基巖。DIK32+440～DIK32+570段電阻率高于180 Ω·m，且呈水平狀分布，推測為煤礦采空區且內部無積水。高阻區中部DIK32+480～DIK32+510電阻率相對較低，推測為小煤窯內部的保安煤柱。綜上所述，判斷采空區里程為DIK32+440～DIK32+570，高程為1 340～1 360 m。物探解譯成果見圖6。

圖5 視電阻率分布

圖6 物探解譯成果示意

3.3 鉆探驗證成果

(1)DIK32+430～DIK32+560范圍外，地面至5號煤層底板之間鉆進平穩，無明顯漏漿及進尺過快等異常情況，巖層和煤層完整，均未見空洞。

(2)DIK32+430～DIK32+560范圍內，4個鉆孔有3個發現空洞，鉆進過程中，泥漿迅速流失。鉆孔Z-5中見編織袋碎片，推測為采空。空洞高程分布在1351～1355 m，高1.4～2.25 m；推測未發現空洞的鉆孔位于保安煤柱上。采空區下方4號、5號煤層完整。

鉆探成果統計見表1，采空區鉆探巖芯見圖7。

表1 鉆探成果統計

圖7 Z-3孔10～15 m巖芯

3.4 小結

結合調繪資料、物探資料和物探資料綜合分析，結果如下：

(1)經過專項勘察后，認為采空范圍為DIK32+430～DIK32+560。

(2)通過物探及鉆探驗證，該礦區僅有3號煤層進行過開采，與調查結果一致。

(3)通過物探及鉆探，采空高程為1 351～1 355 m，采空高度為1.4～2.25 m，與煤礦儲量報告基本相符。

4 采空區處理

4.1 立體繞避

隧道地層為砂巖泥巖互層，產狀平緩，層間結合較差，且泥巖具有弱膨脹性，遇水易崩解軟化，施工時易產生塌方與變形。采空區底板位于隧道拱頂上方2～4 m，隧道從采空區下方通過將破壞巖體中初始應力脆弱的平衡狀態，施工時極可能產生大規模的塌方甚至坍塌至地表，危及擬建隧道的安全。對采空區進行加固處理也難以保證隧道圍巖的穩定，無法消除采空區的危害。為減小采空區對隧道的影響，降低隧道的施工風險，在線路平面無法繞避的情況下，決定優化線路的縱斷面設計，加大隧道頂板與采空區底部的安全距離。

考慮到隧道所在地層以及工程的經濟性，確定了12 m的安全距離。最終采取調整線路坡度、降低線路設計高程的方法，將采空區底板與隧道拱頂的距離由2～4 m增加到14～16 m(隧道的埋深由15～23 m增加到27～35 m)。一方面增大了隧道的“埋深”，使其容易形成自然拱；另一方面在隧道的拱頂與采空區之間形成了緩沖地帶，減小了采空區坍塌對隧道的沖擊(見圖8)。

圖8 線路縱向繞避采空區示意

4.2 工程措施

采空區DIK32+430～DIK32+560段采用Ⅴ級圍巖復合式加強襯砌。拱頂采用φ42的導管進行注漿，導管長度為4 m，環向間距為0.5 m，以10°～15°的外插角打入地層，縱向搭接長度不小于1 m。初期支護采用Ⅰ18型鋼拱架閉合支撐，間距為0.6 m/榀，噴射混凝土30 cm。二次襯砌采用45 cm厚的鋼筋砼結構[12-14]。

由于隧道穿越煤層，應對洞內實施24 h不間斷供風，并加強瓦斯及有害氣體的監控監測。另一方面，應嚴格控制圍巖變形，并加強洞內監控量測，做好地表沉降監測和超前地質預報[15]。

5 結束語

小煤窯開采無規劃，歷史較久，痕跡模糊，需要廣泛收集區域地質資料和礦區資料進行深入研究，通過地質調繪分析采空區的分布，利用物探指導鉆孔布置，提高鉆探的有效性，節約勘察成本和時間；通過鉆探來修改和完善物探資料的解釋，通過物探和鉆探的相互配合查明采空區的地質情況。

對于小煤窯采空區，當加固處理難以消除危害時，鐵路隧道應采取繞避原則，當平面難以繞避時，可考慮調整縱斷面坡度實現立體繞避。

采空區下方的隧道施工應縮短初期支護鋼拱架的間距，根據實際變形情況調整預留變形量，以減小采空區對隧道的變形影響。必要時可對拱頂采取超前小導管注漿，以降低采空區巖體裂縫發育、巖體松動帶來的塌方風險，并加強洞內和地表監測，以指導和優化施工。