高速鐵路緊鄰深厚煤礦采空區(qū)和地下水超采疊加影響規(guī)律研究

蘇敬強

(山東鐵路投資控股集團有限公司， 濟南 250102)

深厚松散層廣泛存在于我國東部兗州、濟寧、開灤、焦作等礦區(qū)[1]。隨著東部礦區(qū)開采深部化，厚松散層大采深條件采空區(qū)大量形成[2]，其移動變形規(guī)律總體上與一般采空區(qū)相似[3]，但因厚松散層的存在，表現(xiàn)出地表沉降范圍大、移動總量大的特點[4]。現(xiàn)有研究成果對高速鐵路鄰近的超深(大于 1 000 m)采空區(qū)鮮有研究，同時，中東部平原區(qū)是我國地面沉降災(zāi)害主要分布區(qū)，其中華北平原是最為嚴重的地區(qū)。地下水超采漏斗已有20多個，已形成以天津、北京與滄州3個城市為大中心，保定、衡水與德州為次級中心的地面沉降降落漏斗。區(qū)域地面沉降，具有變形范圍大、影響時間長、沉降深度大等特點。地面沉降與采空區(qū)塌陷的疊加影響是該區(qū)域高速鐵路建設(shè)和運維不得不面臨的一個重大且復(fù)雜的工程問題[5-7]。

本文以某高速鐵路線路鄰近深厚采空區(qū)為研究對象，在勘察成果和相關(guān)專題研究[8-9]的基礎(chǔ)上，通過理論計算研究礦區(qū)地表沉降規(guī)律，結(jié)合考慮區(qū)域地面沉降特征，通過INSAR監(jiān)測和現(xiàn)場實測，綜合分析評估其對高速鐵路線路的安全性影響。

1 工程概況

1.1 基本概況

某高速鐵路相鄰的古城煤礦，礦區(qū)內(nèi)地形平坦，屬沖積平原，地勢東高西低。古城煤礦58個工作面均采用條帶開采、綜采放頂開采工藝，平均采厚8.50 m，該礦開采深度達 1 200 m，平均傾角7°。煤礦大部分工作面停采已超過10年，部分新近5年內(nèi)采空區(qū)集中在采區(qū)南部。高速鐵路線路本段以橋梁、路基形式通過。根據(jù)采掘工程平面圖，3107工作面于 2017年1月份開始回采，2018年3月停采，采寬89～118 m，回采長度701 m，邊界距高速鐵路線路920 m；3209工作面于2017年9月份開始回采，2018年9月停采，采寬174 m，回采長度470 m，邊界距高速鐵路線路 835 m。上述鄰近的兩個工作面均采用背離線路方向的“條帶式”開采。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

采區(qū)地層自上而下依次為：第四系(Q)松散層、古近系(E)、侏羅系(J)、二疊系(P)、石炭系(C)及奧陶系(O)。上部第四系地層主要為沖洪積粘土和粉細砂，厚約170 m，工程性質(zhì)較差；下伏巖侏羅系主要以灰綠色細砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，厚度變化大，厚 0～607 m；含煤地層主要為二疊系山西組及太原組，二者含煤地層平均總厚255.04 m。采空區(qū)上覆基巖厚約 1 000 m，主要開采煤層直接頂砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的抗壓強度為55.10～94.80 MPa，泥巖的抗壓強度為48.14 MPa，多為中硬巖，斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶曲不發(fā)育，地層緩傾，傾向多變。

區(qū)域第四系含水層可分為上部潛水，中、下部為兩層“承壓水”，如圖1所示。其中潛水層由灰黃色、黃褐色、粉質(zhì)粘土及砂層組成，平均厚度49.03 m，本組透水性好，富水性強，水位年變幅2～3 m；為農(nóng)田供水及臨時性水源。基巖裂隙水(偶含巖溶水)不發(fā)育，與上部第四系水力聯(lián)系較弱。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)示意圖

高速鐵路DK 273～DK 280段線路兩側(cè)基本位于農(nóng)田內(nèi)，為滿足生產(chǎn)、生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉需要，鐵路兩側(cè)300 m內(nèi)淺層(25～50 m)水井密布，平均 100～150 m分布1口，每年4-6月、11-12月兩個集中抽水灌溉季，漏斗中心水位下降最大可達10 m以上，由于淺層地下水大幅下降引起的地面沉降可達10 mm/年。根據(jù)高速鐵路沿線的區(qū)域地面沉降相關(guān)研究成果[5]，該區(qū)域同時存在生產(chǎn)生活“中深層”承壓水的超采，其引起的地面沉降量未來10～20年將達到12.8～12.0 mm/年。高速鐵路線路的地面沉降受采空區(qū)及區(qū)域地面沉降綜合影響。

2 采空區(qū)地表變形調(diào)查與分析

2.1 采空區(qū)地表變形調(diào)查

距離高速鐵路最近的3107、3209工作面煤層平均采厚約8.5 m，采深約 1 200 m，采空區(qū)長、寬遠小于采深，采深采厚比達140，采空區(qū)未達到充分采動，地表移動盆地應(yīng)為“碗狀”，工程地質(zhì)類比判別其采后形成的采空區(qū)多呈“彎曲型”垮落，中心沉降量小，對地表影響較小。根據(jù)現(xiàn)場附近地表調(diào)查，采區(qū)附近未見明顯地表塌陷，以地表變形為主，道路可見變形主要為裂縫，裂縫寬度2～30 mm，裂縫長度從幾米到幾十米不等；房屋主要為豎向裂縫，裂縫寬度1～5 mm。地面調(diào)查表明線路位于Ⅰ級損壞區(qū)影響邊界外420 m，其形態(tài)與位置與2018年底的InSAR解譯結(jié)論具有較好的吻合性。

2.2 采空區(qū)地表變形理論分析

概率積分法被業(yè)界廣泛認可，并且已納入安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[10]及GB 51044-2014《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[11]推薦的采空區(qū)地表移動變形計算方法。該方法在本礦區(qū)已應(yīng)用多年，積累了豐富的經(jīng)驗。

(1)參數(shù)選取

采空區(qū)覆巖的抗壓強度值接近或大于60 MPa，按照規(guī)范較硬巖～堅硬巖的區(qū)間值，基巖邊界角可取為60°。結(jié)合古城煤礦及相鄰星村煤礦部分工作面實測經(jīng)驗參數(shù)及相關(guān)規(guī)范經(jīng)驗參數(shù)，考慮3107及3209工作面煤柱的穩(wěn)定性、采區(qū)積水情況等性質(zhì)，經(jīng)綜合分析確定，地表移動預(yù)計參數(shù)選取如表1所示。

表1 地表預(yù)計概率積分參數(shù)表

(2)采空區(qū)形變時空分析及其對高速鐵路的影響

采用概率積分法分析古城煤礦3107、3209工作面地表下沉如圖2所示。

圖2 3107、3209工作面地表下沉等值線圖

通過對3107及3209工作面采用垂直剖面法計算，獲得3107工作面采空區(qū)的影響邊界距離線路中心155 m；3209工作面采空區(qū)的影響邊界距離線路中心75 m。3107與3209工作面相距300 m，兩者在地表形成的移動盆地存在疊加效應(yīng)，疊加后如圖3所示，影響邊界毗鄰高速鐵路圍護帶邊界，在DK 277+370～DK 278+240段右側(cè)200 m內(nèi)的影響邊界近平行于線路，展布長度將近870 m?？傮w上分析兩個采區(qū)的變形影響邊界最近距線路中心75 m。當采空區(qū)沉降邊界不侵入高速鐵路圍護帶邊界時，采空區(qū)對鐵路安全基本無影響[12]。

圖3 3107、3209工作面影響邊界疊加示意圖

當移動盆地沉降中心區(qū)下沉點V<1.0 mm/d且連續(xù)6個月累計最大下沉值不超過30 mm時，可判定為地表穩(wěn)定，移動期結(jié)束。根據(jù)手冊法預(yù)測3107及3209工作面的移動盆地穩(wěn)定時間T=2～2.5年；通過經(jīng)驗分析，一般2.5～3年能達到穩(wěn)沉。3107工作面開采時間2017年1月至2018年3月，靠線路側(cè)采區(qū)的停采時間至今已有3年6個月。3209工作面開采時間2017年9月至2018年9月，靠線路側(cè)采區(qū)的停采時間至今已近3年。兩工作面已基本接近終沉，處于衰退～終沉階段。采空區(qū)10 mm殘余沉降線已逐漸縮小，外圈已停止下沉，殘余變形逐步遠離線路。

3 地表變形監(jiān)測分析

3.1 InSAR解譯

為宏觀定性判譯采空區(qū)地表形變的發(fā)展歷程，采用INSAR解譯了2019-2020年采空區(qū)的形變特征如圖4所示。InSAR解譯地表變形顯示，采空區(qū)的沉降中心主要位于3107工作面北側(cè)，此采區(qū)沉降中心位置未變化。2019年4月后采空區(qū)移動盆地影響范圍的沉降趨于穩(wěn)定。2020年InSAR解譯顯示3107及3209工作面地表變形已趨于穩(wěn)定，對高速鐵路工程影響持續(xù)減弱。InSAR所反映的地表變形范圍、時程，與兩個工作面的開采時空對應(yīng)性較好，也與上述“采空區(qū)形變時空分析”中采后2.5～3年達到穩(wěn)沉的結(jié)果相互印證。

圖4 采空區(qū)2019～2020年Insar干涉云圖

3.2 采空區(qū)地表監(jiān)測

為確保采空區(qū)沉降變形不影響高速鐵路安全運營，在DK 276～DK 281段線路臨近采空區(qū)布設(shè)3條地表變形監(jiān)測線(1號、2號、3號)；沿線路方向布設(shè)1條斷面測線(4號)，監(jiān)測點位129個。其中1號、2號測線在線路左側(cè)設(shè)置100 m，右側(cè)設(shè)置900 m；3號測線左側(cè)設(shè)置100 m，右側(cè)設(shè)置 1 000 m；4號測線沿施工便道外側(cè)設(shè)置3.15 km。監(jiān)測點間距設(shè)置為50 m。

根據(jù)2020年9月-2021年12月監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，該段地面沉降逐月變緩，分別選取4條剖面沉降最大點進行縱向分析，可發(fā)現(xiàn)地面沉降變形在逐漸收斂，沉降速率由4～6 mm/月降至0～2 mm/月，如圖5所示。

圖5 1～4號斷面沉降最大值沉降速率曲線圖

如前所述，研究區(qū)淺層及“中深層”地下水開采引起的區(qū)域地面沉降局部最大可達12.0～12.8 mm/年，與實測月沉降速率基本相當?？梢?，研究區(qū)地面沉降主要由區(qū)域地面沉降引起，線路附近采空區(qū)變形已趨于穩(wěn)沉，“中深層”承壓水引起的區(qū)域地面沉降仍將持續(xù)較長時間?！爸猩顚印背袎核鸬膮^(qū)域沉降一般表現(xiàn)為大范圍的均勻沉降，對高速鐵路的平順性影響一般不大，而淺層農(nóng)業(yè)灌溉用水存在前述“三集中”(淺層層位集中、春冬季集中、井群集中)的現(xiàn)象，其引起的局部不均勻沉降對高速鐵路的平順性影響更大，應(yīng)引起足夠重視。

4 工程對策

本段線路走行于三礦(星村、古城及楊莊)的長條狀脊背形的保護煤柱通道之上，同時存在區(qū)域地面沉降兩大不良地質(zhì)問題。根據(jù)研究區(qū)評估結(jié)論和地表變形監(jiān)測分析，鄰近高速鐵路線路的3107與3209工作面毗鄰高速鐵路安全圍護帶，鄰近礦區(qū)仍在開采服務(wù)期，其不利影響將長期存在。線路位于河流沖積平原，第四系地層深厚，工程樁基礎(chǔ)處于淺層地下水開采影響范圍內(nèi)，工程承載環(huán)境易受環(huán)境變化而損傷。綜合分析提出工程對策如下：

(1)基于對本段線路環(huán)境的不利風(fēng)險因素和承載環(huán)境特征的綜合分析，高速鐵路線路采用有砟軌道通過是適宜的。

(2)嚴格按照相關(guān)法律法規(guī)以及鐵路相關(guān)評估報告預(yù)留保護煤柱，嚴禁越界開采。在向線位方向開采時，應(yīng)根據(jù)地表變形監(jiān)測情況，逐步確認安全距離。

(3)按區(qū)域地面沉降影響范圍及特征，結(jié)合采空區(qū)分布，針對性制定沿線地下水動態(tài)監(jiān)測和分段禁采、限采與控采實施方案。

(4)建立沿線地面沉降監(jiān)測控制網(wǎng)和高速鐵路工程監(jiān)測網(wǎng)，實時監(jiān)測和評估地表形變和工程基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)。

5 結(jié)論

高速鐵路對軌道平順性要求極高、對沉降控制嚴格，工程地質(zhì)選線應(yīng)首先繞避區(qū)域沉降中心及采空影響區(qū)[13]。當設(shè)站條件困難，線路經(jīng)由受限時，應(yīng)對采空區(qū)或區(qū)域地面沉降對工程的影響進行充分論證，并針對性采取工程應(yīng)對措施。本文主要研究結(jié)論如下：

(1)根據(jù)工程地質(zhì)類比和地表形變調(diào)查，古城煤礦上覆基巖厚度大于 1 000 m，多為中硬巖，采深采厚比達140，采后形成的采空區(qū)多呈“彎曲型”垮落，中心沉降量小，對地表影響較小。

(2)按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程對采空區(qū)的時效性分析，并經(jīng)INSAR監(jiān)測和實測數(shù)據(jù)驗證，現(xiàn)狀條件下采空區(qū)已進入沉穩(wěn)階段，對高速鐵路工程安全穩(wěn)定已基本無影響?？紤]到本段線路受采空區(qū)和地面沉降兩大不良地質(zhì)風(fēng)險因素多重影響，高速鐵路應(yīng)采取穩(wěn)妥的工程應(yīng)對措施，并加強對沿線地表形變及高速鐵路工程的變形監(jiān)測，實時掌握線路變形動態(tài)狀況，為鐵路安全運營和運維提供依據(jù)。

(3)鐵路附近的地面沉降由地下水開采引起的區(qū)域沉降占主導(dǎo)，“中深層”承壓水超采引起的地面沉降對高速鐵路工程有一定影響，但對不均勻沉降影響較??；淺層農(nóng)業(yè)灌溉用水引起的局部不均勻應(yīng)引起足夠的重視，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定和專題研究成果采取禁、限、控采措施和地下水的動態(tài)監(jiān)測。

需說明的是本文對區(qū)域地面沉降的分析主要基于鐵路工程專題研究報告，有待進一步針對采空區(qū)鄰近區(qū)域開展水文地質(zhì)深化研究。