楊治國

(中鐵建安工程設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710032)

在礦產(chǎn)資源越來越緊張的情況下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)上部鐵路專用線必須正常運(yùn)營，而下部礦產(chǎn)資源也需要開采或作為礦產(chǎn)資源的井下運(yùn)輸通道要從鐵路專用線下方穿過情況，為此必須開展運(yùn)營鐵路線路下方采空區(qū)的狀態(tài)評(píng)價(jià)工作。目前，針對(duì)鐵路路基下伏采空區(qū)的處理研究，現(xiàn)有成果尚未形成成熟的理論及工程設(shè)計(jì)體系[1]。Seryakov[2]基于初始應(yīng)力法，給出了估算采空區(qū)圍巖狀態(tài)的方法；宋衛(wèi)東等[3]利用采空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)(CMS)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了精密探測(cè)，建立了三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)采空區(qū)群區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行了分析。但是由于采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面存在多種影響因素，需要從不同角度、采用多種方法才能比較全面的提出合理的評(píng)價(jià)結(jié)論。

本文針對(duì)山西三元煤業(yè)股份有限公司井下巷道下穿高河煤礦鐵路專用線項(xiàng)目，采用規(guī)范、手冊(cè)方法和運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行了定量分析評(píng)價(jià)，對(duì)科學(xué)評(píng)估既有鐵路專用線影響下的巷道安全進(jìn)行了探索。

1 項(xiàng)目概況

1.1 井下巷道與鐵路線空間位置關(guān)系

高河煤礦鐵路專用線從煤田中部穿過，將煤田分割成南北兩翼。根據(jù)井下巷道設(shè)計(jì)，在高河煤礦鐵路專用線壓覆區(qū)沿3#煤層頂板，四條大巷從礦區(qū)北翼(即高河煤礦鐵路專用線北側(cè))，穿巖巷至礦區(qū)南翼(高河煤礦鐵路專用線南側(cè))，用以回采南翼煤炭資源。鐵路專用線與煤田巷道位置關(guān)系見圖1。

圖1 煤田巷道與高河專用線交叉平面位置關(guān)系

1.2 巷道工程概況

高河煤礦鐵路專用線橫穿壓覆區(qū)的四條井下大巷分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)包括：四采區(qū)皮帶大巷、四采區(qū)回風(fēng)大巷；B區(qū)包括：四采區(qū)皮帶大巷和四采區(qū)膠輪車大巷。4條大巷斷面均為矩形，截面尺寸為5.0 m(寬)×3.1 m(高)。A區(qū)皮帶大巷、回風(fēng)大巷長516 m；B區(qū)皮帶大巷、膠輪車大巷長561 m。四采區(qū)四條大巷中，A區(qū)皮帶大巷、回風(fēng)大巷之間距離最小，巷道垂直間距為30 m。在高河鐵路專用線下方A區(qū)皮帶大巷、回風(fēng)大巷之間沿鐵路延伸方向最小凈距為25.8 m。根據(jù)四條大巷施工方案資料，巷道頂板支護(hù)形式采用錨桿+鋼帶+網(wǎng)+錨索+噴漿聯(lián)合支護(hù)。巷幫支護(hù)形式采用錨桿+鋼帶+網(wǎng)+噴漿聯(lián)合支護(hù)。巷道采用掘進(jìn)機(jī)開挖，四條大巷的服務(wù)年限為13 a。

沿四條巷道走向?qū)崪y(cè)橫斷面4條，確定了巷道下穿鐵路位置鐵路填方高度。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：A區(qū)回風(fēng)大巷埋深最淺355.8 m；B區(qū)膠輪車大巷埋深最大359.7 m。

1.3 專用線工程概況

山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司高河礦鐵路專用線屬工業(yè)企業(yè)Ⅰ級(jí)鐵路(相當(dāng)于最新規(guī)范《Ⅲ、Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中的Ⅲ級(jí)鐵路)，正線起點(diǎn)DK0+000(=太焦線K250+381.18)，終點(diǎn)為DK9+594.93，線路全長9.595 km。本下穿巷道工程評(píng)估范圍內(nèi)鐵路工程均為填方路堤工程，巷道投影到地面位置距離最近的鐵路橋梁濁漳河特大橋橋頭約260 m，場(chǎng)地地面高程937.8～938.6 m，路基填方高約為2.1～6.5 m，專用線路基目前運(yùn)行狀況基本良好。

2 工程地質(zhì)及水文條件

2.1 地貌及地層情況

本場(chǎng)地屬于濁漳河二級(jí)階地，為第四系黃土覆蓋，巷道下穿部位地表相對(duì)平坦。四條巷道位置的地層自下而上依次為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)及第四系(Q2+3)。巷道下穿鐵路專用線位置工程地質(zhì)條件見圖2。

圖2 巷道與高河專用線交叉剖面地質(zhì)條件(單位：m)

2.2 水文地質(zhì)情況

二疊系山西組和二疊系下石盒子組根據(jù)井田內(nèi)井測(cè)孔抽水資料，水位標(biāo)高+756.80 m，單位涌水量0.03 mL/(s·m)，滲透系數(shù)為1.8 mm/d，屬于弱富水性含水層。

第四系松散含水層：水位埋藏較淺，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受大氣降水影響明顯，由于下部各隔水層的作用，對(duì)本區(qū)域巷道影響不大。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 規(guī)范、手冊(cè)方法

3.1.1 方法分析

根據(jù)工程地質(zhì)類別比法，參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2016)第4.3.1條，圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ；參照第3.2.11條對(duì)鐵路兩相鄰單線隧道間最小凈距的要求，按最不利的Ⅳ級(jí)圍巖確定隧道安全凈距為3B(B為隧道開挖斷面的寬)，計(jì)算得3B=15 m，遠(yuǎn)小于四條大巷之間的最小距離25.8 m。因此，本次評(píng)價(jià)可按單一巷道采空區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

綜合分析《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044-2014)第12.3.10條及其條文說明、《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》[4]的要求：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《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》式(4-5-7)及相關(guān)規(guī)定進(jìn)行地基穩(wěn)定性驗(yàn)算評(píng)價(jià)。

巷道頂板臨界深度H0計(jì)算：

式中：a為巷道半寬(m)；γ為上覆巖層加權(quán)平均重度(kN/m3)；R為建筑物基底單位壓力(kN/m2)；ψ為上覆巖層加權(quán)平均內(nèi)摩擦角(°)。

巷道穩(wěn)定系數(shù)Fs計(jì)算：Fs=H/H0。式中：H為巷道頂板埋深(m)；H0為巷道頂板臨界深度(m)。

評(píng)價(jià)單一巷道采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)：Fs>1.5，穩(wěn)定；1.5≥Fs>1.0，穩(wěn)定性差；Fs≤1.0，不穩(wěn)定。

3.1.2 評(píng)價(jià)過程

(1)圍巖參數(shù)：根據(jù)鉆孔資料，距離地面約0～144 m內(nèi)以第四系黏性土為主、夾有少量砂土，144 m～巷道底面以下15 m范圍內(nèi)以二疊系泥巖為主、夾有少量砂巖和煤層，各地層計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 巖土參數(shù)

(2)上覆壓力：根據(jù)收集到的高河鐵路專用線路基設(shè)計(jì)文件、實(shí)測(cè)垂直鐵路的橫斷面及沿鐵路方向的縱斷面，按照《Ⅲ、Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B，計(jì)算各個(gè)巷道上方地面壓強(qiáng)R，壓強(qiáng)R包括路堤填方荷載、列車荷載和軌道荷載，具體見表2。

(3)計(jì)算評(píng)價(jià)：根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》式(4-5-7)計(jì)算的臨界深度及穩(wěn)定性系數(shù)，評(píng)價(jià)井下巷道穩(wěn)定性結(jié)論見表2。通過評(píng)價(jià)結(jié)論可以看出，在鐵路路基荷載作用下，四條大巷均處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明鐵路路基所處的場(chǎng)地處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 巷道參數(shù)、地表壓力及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

3.2 數(shù)值模擬方法

3.2.1 建立FLAC3D模型

四條巷道之間相互無影響，可按單一巷道采空區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于B區(qū)巷道位置地表以上路堤填方高度大，導(dǎo)致雖然B區(qū)巷道埋深不是最淺，但本巷道工程在B區(qū)的兩個(gè)巷道的安全系數(shù)均小于A區(qū)，因此數(shù)值模擬計(jì)算采取B區(qū)的膠輪車大巷作為研究對(duì)象。借鑒《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)中5.3.5條關(guān)于沉降計(jì)算理論，按照各項(xiàng)同性均值線性變形體理論，計(jì)算中假定土層只受到豎向壓力，側(cè)向限制不能變形，邊界條件假定見圖3，土體兩側(cè)約束為可動(dòng)鉸支座，底部為固定鉸支座，模型在巷道以下取3倍巷道寬度，即15 m；橫向在巷道兩側(cè)各取5倍巷道寬度，即總寬度55 m；巷道頂面以上二疊系地層厚216 m，第四系地層厚144 m，模型總深度379 m。根據(jù)鐵路路基特點(diǎn)，地面荷載按線性荷載考慮，荷載取最不利路基荷載。模擬計(jì)算采用美國ITASCA公司開發(fā)的仿真計(jì)算軟件FLAC3D，計(jì)算中采用的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫本構(gòu)模型，M-C屈服準(zhǔn)則[5，6]。用實(shí)體單元模擬單條巷道，剖面網(wǎng)格劃分方法為模型厚度取單位厚度1.0 m，網(wǎng)格按0.5 m間距設(shè)置；巷道頂板以上、底板以下剖面按4.0 m間距設(shè)置網(wǎng)格劃分，共劃分2 632個(gè)單元格；巷道范圍內(nèi)剖面按0.5 m間距設(shè)置網(wǎng)格劃分，共劃分1 344個(gè)單元格，所建模型見圖4。

圖3 計(jì)算模型邊界條件 圖4 計(jì)算模型構(gòu)建

3.2.2 計(jì)算參數(shù)選定

膠輪車大巷上覆巖土359.7 m范圍內(nèi)，考慮最不利情況的B區(qū)膠輪車大巷路基荷載191.4 kPa，在模型計(jì)算中假定硐室未設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，為鐵路路基在下部巷道采動(dòng)下的穩(wěn)定性留出一定的冗余安全度，分析巖土體在自身的物理力學(xué)性能指標(biāo)下采動(dòng)后的應(yīng)力應(yīng)變特征。分析計(jì)算中采用的巖土體各參數(shù)取值見表3。

表3 圍巖參數(shù)

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)巷道挖掘前和挖掘后鐵路荷載作用下的豎向位移和豎向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，其位移云圖和豎向應(yīng)力云圖對(duì)比見圖5。

圖5 鐵路荷載作用下巷道挖掘前后位移和豎向應(yīng)力云圖

可以看出，巷道開挖之前，僅受鐵路路基、軌道和列車荷載作用下，在巷道開挖深度處的最大位移近似為零；在巷道開挖后，在巷道上方約巷道4倍寬度范圍，即約20 m范圍內(nèi)，位移量較大，巷道頂面20 m處位移增量最大1.25 mm，再向地面方向，位移更小，幾乎處于原巖狀態(tài)。

在只有地面路基、軌道及列車荷載作用下，開挖之前在巷道上方的豎向主應(yīng)力處于-7.0e+06～-7.5e +06之間；巷道開挖之后巷道上方的豎向主應(yīng)力也基本處于該應(yīng)力水平之間；另外由于巷道為矩形巷道，僅在巷道正上方約2m范圍和巷道兩側(cè)壁在開挖巷道后，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力略有突變。

通過以上的數(shù)值分析，可以得到如下結(jié)論：①巷道開挖位移影響范圍在巷道頂部以上20 m。②巷道開挖引起應(yīng)力重分布，影響范圍在巷道頂部以上約2 m。③相對(duì)于巷道的埋深355.8～359.7 m，巷道開挖對(duì)高河煤礦鐵路專用線基本無影響。

4 結(jié)論

(1)采用公式計(jì)算和數(shù)值模擬兩種方法分析計(jì)算，可以有效對(duì)既有鐵路下方煤礦采動(dòng)進(jìn)行定量分析計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。

(2)對(duì)于位于采空區(qū)范圍構(gòu)筑物的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)工程地質(zhì)特征，重視工程地質(zhì)條件和井下采掘方式的研究，才能采用正確的評(píng)判模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

(3)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)目前還處于不斷探索和完善時(shí)期，只有多方式評(píng)價(jià)才能更全面的對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象作出更加接近事實(shí)真相的評(píng)價(jià)結(jié)論。

后期作為永久整治措施，煤礦采區(qū)回采完畢巷道完成服務(wù)年限后，對(duì)鐵路影響范圍內(nèi)巷道應(yīng)采用漿砌塊石等方式填充密實(shí)，再采取注漿方式進(jìn)行加強(qiáng)，防止出現(xiàn)空洞。