王 東，蔡曙周，王延濤

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

山西中南部鐵路通道在起始于山西瓦塘，穿越山西，橫貫河南，終點(diǎn)至山東日照。該鐵路途徑山東境內(nèi)，由于氣候條件及歷史原因，在山前平原區(qū)和低山丘陵區(qū)出現(xiàn)較多的人工洞穴。這一類人工洞穴一般位于地表以下，下覆基巖之中。當(dāng)?shù)卮迕耖_采出石材修建房屋，洞穴則作為儲(chǔ)藏室。而鐵路沿線經(jīng)過人工洞穴區(qū)的穩(wěn)定性則成為鐵路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)則成為路基設(shè)計(jì)和有效施工的重要依據(jù)。

目前鐵路工程中的人工洞穴路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要為半公式半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。其中以臨界深度計(jì)算法為主［1］。臨界深度法能夠通過計(jì)算判斷出巖層頂板與底板的穩(wěn)定性，但是選取計(jì)算邊界條件隨意性較大，計(jì)算結(jié)果浮動(dòng)性較大。洞頂塌落堵塞法主要用于巖溶頂板的安全性計(jì)算，此方法可計(jì)算出巖層頂板的安全厚度，但是邊界條件單一，計(jì)算結(jié)果可能過于保守。厚跨比法也應(yīng)用于巖溶頂板安全性判斷，此方法有較大的安全性，但是洞穴發(fā)展規(guī)模較難探明，判斷結(jié)果也存在失真的可能性。

借鑒前人研究成果，采用臨界深度法、洞頂塌落堵塞法、厚跨比法三種方法相結(jié)合，提出不利因素分析法，評(píng)價(jià)鐵路工程人工洞穴路基的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)結(jié)果既符合實(shí)際情況，又能為路基設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)，還可以給配合施工工作提供技術(shù)支持，具有有較好的推廣性和借鑒性。

1 人工洞穴塌陷形成機(jī)理分析［1］

(1)小型采空頂板巖(土)層的厚度是采空塌陷的控制因素，頂板薄的很容易產(chǎn)生突然塌陷，頂板較厚的僅產(chǎn)生地表開裂。據(jù)我國小煤窯地區(qū)的部分資料，巷道埋深20 m(其中巖層厚5～10 m)以內(nèi)時(shí)，一般易產(chǎn)生突然塌陷;埋深25～30 m(其中巖層厚10～15 m)時(shí)，僅地表產(chǎn)生裂縫，一般不易產(chǎn)生突然塌陷;埋深60 m(都為巖層)以上時(shí)，地表一般無變形。

(2)小型采空區(qū)頂板巖(土)層的性質(zhì)和強(qiáng)度直接影響塌陷坑的形態(tài)。當(dāng)頂板土體密實(shí)、抗剪強(qiáng)度高時(shí)，塌陷坑為壇狀、井狀;土體軟弱含水時(shí)為漏斗狀;頂板的巖質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)，開采的掌子面一般較寬，變形幅度就大，持續(xù)時(shí)間也長，常形成塌陷。

(3)地下水的變化。地下水的變化是引起小型采空區(qū)塌陷的一個(gè)重要困素。長期充水的巖質(zhì)小型采空區(qū)，水對頂板起頂托作用，若水流失，頂板塌陷向上擴(kuò)展延伸，極易造成地表下沉到突然塌陷。

(4)列車振動(dòng)的影響。在坑洞埋深不深的情況下，受列車長期振動(dòng)，易使頂板強(qiáng)度降低而坍塌。

2 人工洞穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)

2.1 人工洞穴頂板穩(wěn)定性計(jì)算原理［1］

(1)頂板應(yīng)力分析

地層未挖掘前巖體內(nèi)部的應(yīng)力是平衡的。一般情況下，只存在垂直壓應(yīng)力和水平壓應(yīng)力，計(jì)算式如式(1)及式(2)所示

式中 σz——垂直壓應(yīng)力，kPa;

σx、σy——水平壓應(yīng)力，kPa;

γ——上覆巖層重度，kN/m3;

H——巖層頂板埋藏深度，m;

φ——巖層的內(nèi)摩擦角，(°)。

巖層挖掘后，采空段周圍巖體失去支撐，圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，視其所處部們不同所受應(yīng)力狀態(tài)亦不同。頂板的塌落一般是受拉應(yīng)力作用，巷道側(cè)壁主要受壓應(yīng)力作用，巷道四角則受剪應(yīng)力作用。

(2)頂板穩(wěn)定性計(jì)算

①小型采空區(qū)一般距地表較近，巖層掘空后如圖1所示。其頂板巖ABDC因重力G的作用將會(huì)下沉。兩邊的楔形體ABM和CDN也對其施以水平壓力P。因此，在AB和CD兩個(gè)面上將存在著因P的作用而產(chǎn)生的摩阻力(F)。取采空段以下以巷道單元長度為計(jì)算單元體，則作用在巷道頂板上的壓力按式(3)計(jì)算。

圖1 小型采空區(qū)頂板穩(wěn)定性示意

式中 Q——巷道單位長度頂板上所受的壓力，kN/m3/m;

G——巷道單位長度頂板上巖層的總重力。設(shè)巷道寬度為2a，則

G=γ·H·2a(kN/m3/m)

F——巷道單位長度側(cè)壁 摩阻力(kN/m3/m)，其值為F=P·tanφ;

其中P——楔形體ABM和CDN作用在AB或CD面上的主壓應(yīng)力，當(dāng)取其最大值時(shí)

則式(3)為

由式(4)可知，當(dāng)H大到某一定深度時(shí)，頂板上方巖層的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，這時(shí)的H稱為臨界深度H0，則

②采空頂板的臨界深度H0，亦可根據(jù)溶洞頂板安全厚度的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析、計(jì)算確定。

③用以上各類方法與公式取得的臨界深度H0可能有一定差別，應(yīng)用中還應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，及經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，綜合分析后確定。

2.2 人工洞穴區(qū)地基穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)建筑物已修建于小型采空區(qū)的影響范圍以內(nèi)時(shí)，可按式(6)近似地驗(yàn)算地基的穩(wěn)定性。

設(shè)建筑物基底的單位壓力為R(kN/m2)，則作用在采空段頂板上的壓力Q為

同前，當(dāng)H大到某一深度時(shí)，Q=0，則

2.3 洞頂坍塌堵塞法［1］

利用洞頂坍塌堵塞法計(jì)算，在洞內(nèi)無地下水搬運(yùn)的條件下，洞頂發(fā)生坍塌后，坍塌體因孔隙增加其體積增大，當(dāng)坍塌到一定高度時(shí)，溶洞將被松散的坍塌體堵塞。一般認(rèn)為此時(shí)的頂板將不再坍塌。假設(shè)頂板坍陷呈圓柱形時(shí)(即假設(shè)坍陷體的底面積與洞頂面積相同時(shí))，坍塌高度可按式(7)計(jì)算

式中 h——坍塌體的高度，m;

h0——洞穴原高度，m;

K——巖體漲余系數(shù)，取1.15。

用臨界深度H0粗略地評(píng)價(jià)小型采空區(qū)頂板及地基的穩(wěn)定性:

當(dāng)H＜H0時(shí)，頂板及地基不穩(wěn)定;

H0＜H＜1.5H0時(shí)，頂板及地基穩(wěn)定性差;

H＞1.5H0時(shí)，頂板及地基穩(wěn)定。

3 工程概況

該段路基位于山東省泰安市寧陽縣鳳凰莊，地貌為山前沖擊平原區(qū)，地形平坦，周圍地勢起伏不大，相對高差較小，地面高程為125.87～129.82 m，相對高差約3.95 m。植被發(fā)育，主要為樹木和耕地。

擬建工程地處中緯度區(qū)，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫13.7℃，最冷月平均氣溫7.7℃，極端最低氣溫-20.7℃，極端最高氣溫40.1℃;年平均降水量631.5 mm，年最大降水量713.3 mm;平均風(fēng)速3.77 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北、東向;季節(jié)最大凍土深度0.35 m。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、帶狀地質(zhì)測繪和鉆孔鉆探揭示，上部地層為第四系全新統(tǒng)洪積層(Q3pl)，由粉質(zhì)黏土、碎石類土層組成;下伏基巖為下第三系官莊組(E2+3g)泥灰?guī)r。

場區(qū)內(nèi)存在人為洞穴，主要為前期村民修建房屋采石所用，該段路基經(jīng)加密鉆探揭示:本段共計(jì)鉆探49個(gè)孔，其中揭示有人為洞穴共計(jì)23個(gè)，范圍主要集中在線路左半側(cè)，深度4～8.2 m，厚0.7～2.6 m，初步判斷人為洞穴呈半連通網(wǎng)格狀分布。

場區(qū)地表水為水庫及溝渠灌溉地表水。場區(qū)內(nèi)地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水兩類，埋深為2～6 m。大氣降水補(bǔ)給和影響，具有明顯的季節(jié)變化特征。線位走向示意見圖2。

圖2 線位走向示意圖

4 人工洞穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

(1)人工洞穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)

線位近東西向，走行于寧陽縣良莊，為山前沖積平原，擬建工程橫穿良莊部分溫室大棚等建筑群，基底巖層為第三系官莊組(E2+3g)泥灰?guī)r。

DK975+150～DK975+380段路基平均填高4.5 m，路基邊坡坡率為1∶1.5，列車和軌道荷載換算土柱高度3.7 m，分布寬度3.7 m，容重為19 kN/m3。人工洞穴范圍主要集中在線路左半側(cè)，深度4～8.2 m，厚0.7～2.6 m，寬度2～3 m，下伏泥灰?guī)r容重為28 kN/m3，內(nèi)摩擦角40°，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa，單軸天然抗壓強(qiáng)度為16.9 MPa。

(2)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

①小型采空頂板穩(wěn)定性的力學(xué)計(jì)算

當(dāng)H大到某一定深度時(shí)，頂板上方巖層的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，這時(shí)的H稱為臨界深度H0，則

②小型采空區(qū)地基穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)H大到某一深度時(shí)，Q=0，則

其中

故H0=26.4 m

(3)利用洞頂坍塌堵塞法計(jì)算，K巖體漲余系數(shù)取1.15，坍塌高度可按g下式計(jì)算

(4)以上三種方法計(jì)算出巖層頂板安全厚度在16.4～26.4 m，根據(jù)鉆探資料可知，H=4～8.2＜H0，所以判斷頂板及地基不穩(wěn)定。

(5)根據(jù)鉆探及現(xiàn)場調(diào)查資料，下部人工洞穴開挖成半連通不規(guī)則網(wǎng)格狀，沿線路走向方向?qū)挾葹?34 m，巖層頂板最大厚度8.2 m，按照厚跨比方法計(jì)算，厚跨比為0.06，不滿足完整頂板安全厚跨比的0.5～0.87［1］要求。

按照不利因素分析法，該段路基的人工洞穴頂板及地基不穩(wěn)定，應(yīng)考慮加固措施，加固路基基底，消除地表塌陷隱患，確保鐵路運(yùn)營安全。

5 結(jié)論

以山西中南部鐵路通道人工洞穴路基為例，分別采用臨界深度法、洞頂塌落堵塞法法及厚跨比法，對該段路基的巖溶塌陷性進(jìn)行定性和定量分析，得到如下結(jié)論。

(1)多種分析方法均判斷出該段路基頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài)，地基也存在不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)的注漿封堵處理措施。

(2)利用現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)繪及大量的工程地質(zhì)勘探，有效且準(zhǔn)確地探明了人工洞穴的范圍及深度，并確定出人工洞穴的影響范圍。

(3)應(yīng)用臨界深度法、洞頂塌落堵塞法及厚跨比法相結(jié)合的綜合分析法，能夠很好地將規(guī)范中的定量分析法與半經(jīng)驗(yàn)分析法有機(jī)結(jié)合，即保證了定量計(jì)算的安全性，又驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)符合鐵路工程規(guī)范要求。

(4)利用多種方法綜合評(píng)價(jià)人工洞穴路基穩(wěn)定性，對路基的設(shè)計(jì)及施工配合具有一定的指導(dǎo)意義;但是該方法需要在日后的工作中針對經(jīng)驗(yàn)分析及定量分析上進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

［1］ 鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1999:378-383，387-392.

［2］ 鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程［M］.北京:中國鐵道出版社，2012:69-78，194-205.

［3］ 《工程地質(zhì)手冊》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:574-575.

［4］ 劉熙，張昆，李曉凡.鐵路穿越小型采空區(qū)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(12):32-36.

［5］ 杜彥軍，苗慶庫，等.采用綜合物探技術(shù)探測路基下洞穴［J］.地下工程，2006:66-68.

［6］ 趙永國.公路路基下伏人工洞穴的成因、危害及處治技術(shù)［J］.公路，2002(8):59-62.

［7］ 時(shí)環(huán)生.田德鐵路小龍煤礦采空區(qū)的地質(zhì)選線［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(1):49-52.

［8］ 張梁，張業(yè)成，羅元華，等.地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估理論與實(shí)踐［M］.北京:地質(zhì)出版社，1998:55-56.

［9］ 王東，王延濤，曾憲明.山西中南部鐵路通道巖溶路基塌陷性評(píng)價(jià)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6):32-36.

［10］張麗霞，等.山東省萊蕪市礦區(qū)地面沉降(塌陷)規(guī)律研究與防治報(bào)告［M］.濟(jì)南:山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，2003:34-48.

［11］高宗軍.巖溶地面塌陷形成機(jī)理與成因模式研究—以山東泰安—萊蕪為例［J］.中國工程科學(xué)，2008(4):38-43.

［12］王東，何寶夫.鐵路通道巖溶路基塌陷性評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)判方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(47):131-134.

［13］周建普，李獻(xiàn)民.巖溶地基穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法［J］.礦冶工程，2003，23(1):4-11.