李 星

（中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，天津 300450）

鐵路運(yùn)輸在我國的交通運(yùn)輸中有著舉足輕重的地位，鐵路專用線是煤礦主要的配套運(yùn)輸設(shè)施，而鐵路隧道作為專用線上較為重要的構(gòu)筑物，可以避免線路過長，有效地縮短線路里程，減小坡度改善運(yùn)營條件、提高牽引能力，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。鐵路專用線穿越井田，隨著煤炭資源的開采，受煤層采動(dòng)影響，鐵路隧道路面、路基下沉，襯砌被破壞，影響鐵路隧道的正常使用，進(jìn)而影響煤礦正常、安全生產(chǎn)。因此，對采動(dòng)影響下專用線鐵路隧道的病害機(jī)理進(jìn)行分析和整治維修技術(shù)的研究是非常有必要的[1-3]。

在采空區(qū)與隧道的影響關(guān)系方面，童立元等[4]在道路受采動(dòng)影響規(guī)律、采空區(qū)二次活化等方面對道路與采空區(qū)二者之間的相互作用與影響的基本規(guī)律做出了全面的分析；田嬌等[5]從采空區(qū)與隧道的不同距離及采空區(qū)不同規(guī)模等方面探討了其主要影響因素和規(guī)律；時(shí)均偉[6]采用數(shù)值分析方法分析了采空區(qū)對隧道結(jié)構(gòu)的影響；李曉紅等[7]通過動(dòng)態(tài)有限元數(shù)值模擬分析了采空區(qū)對隧道圍巖應(yīng)力和變形的影響；李輝等[8]通過數(shù)值模擬分析對采空區(qū)影響下隧道圍巖應(yīng)力變化做出研究；張志沛等[9]研究了隧道與采空區(qū)所在的空間位置對隧道穩(wěn)定性的影響；王樹仁等[10]結(jié)合青島—銀川高速公路中山西柳林段礬水溝大橋—師婆溝隧道下伏同德煤礦采空區(qū)處治工程，對橋隧工程地表沉陷盆地的特征和關(guān)鍵部位做出了分析。

在隧道加固方面，陳金祥等[11]通過對白嶺煤礦采空區(qū)實(shí)例的建模分析，得出對采空區(qū)進(jìn)行注漿加固可以有效提高隧道穩(wěn)定性的結(jié)論；黃明等[12]采用有限差分軟件模擬燈草塘隧道實(shí)例，研究了Ⅵ級(jí)圍巖條件下隧道附近采煤空洞的處置及圍巖的加固技術(shù)；楊玉龍等[13]對火山隧道建立管棚模型分析后，對隧道原有襯砌進(jìn)行拆除與重置，隧道加固效果顯著；王華玲[14]采用有限差分軟件對華鎣山隧道實(shí)例進(jìn)行施工模擬，得出對隧道基地下伏采空區(qū)進(jìn)行注漿加固，有效充填了隧道下方圍巖空隙，加強(qiáng)了隧道穩(wěn)定性。

本文針對寺家莊鐵路專用線南嶺山1 號(hào)隧道受工作面采動(dòng)影響實(shí)例，以概率積分法對鐵路專用線及隧道離散點(diǎn)進(jìn)行了地表及移動(dòng)變形預(yù)測，對預(yù)測數(shù)據(jù)與地表及移動(dòng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并結(jié)合隧道裂縫和破損的方式及程度，提出其隧道襯砌和洞口邊坡加固方法。

1 隧道概況

寺家莊礦鐵路專用線地處太行山脈中段西麓，黃土高原東部邊緣地帶，線路DK7+875～DK8+385段為隧道，隧道長510 m，洞內(nèi)DK8+314.37 至出口段為R=500、L=30 的曲線，其余均為直線段，隧道采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴混凝土加格珊鋼架，不良地質(zhì)條件地段隧道拱部采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。線路縱坡為11.5‰的上坡，進(jìn)口高程910 m，出口高程916 m。隧道位于山嶺區(qū)，圍巖級(jí)別為Ⅳ、Ⅴ級(jí)，巖層主要為山西組泥巖、石英砂巖及黏土巖，產(chǎn)狀平緩，走向NNE-SSW，傾向NW-NNW，傾角8°～10°左右。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度20～40 MPa，為軟巖，局部區(qū)段斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部夾有薄層泥巖，層間結(jié)合差，穩(wěn)定性差。

該線路南嶺山1#隧道經(jīng)過煤礦采動(dòng)區(qū)附近，隧道東口距開采的15113 工作面僅32 m，受采煤影響，線路部分路段及隧道出現(xiàn)了不同程度的移動(dòng)與變形?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，隧道外線路橫向偏移為北向，偏移量累計(jì)122 mm；隧道襯砌出現(xiàn)數(shù)條貫通豎縫，縫寬4～18 mm，裂縫間距5～12 m，局部錯(cuò)峰35 mm；隧道兩側(cè)邊墻拱腰處出現(xiàn)近似平行的水平裂縫，寬度5 mm，長度13.2 m；襯砌有明顯凸鼓、掉塊現(xiàn)象。

2 煤層開采情況

15113 工作面位于專用線隧道東側(cè)，膠帶順槽距隧道東口32 m，工作面南部為村莊保護(hù)煤柱，北部為采區(qū)大巷保護(hù)煤柱，西部為未開采實(shí)體煤，東部為老采空區(qū)。工作面采寬238 m，設(shè)計(jì)長度約為2300 m，開采煤層為15 號(hào)煤層，開采厚度為5.4 m，煤層傾角3°，平均采深320 m，自南向北推進(jìn)，采煤方法為綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。

煤層上覆地層主要為石炭二疊系地層，基巖主要由各類砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等組成，第四紀(jì)表土層為現(xiàn)代沖積、洪積物，由砂、卵石及粉砂土組成，厚8.6 m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，厚3～5 m，時(shí)有0.20～0.40 m 厚的泥巖偽頂，底板巖性多為泥巖或碳質(zhì)泥巖。

2021 年4 月底，15113 工作面推進(jìn)到鐵路煤柱線附近，停采位置與鐵路最小水平距離約為143 m。觀測發(fā)現(xiàn)，線路向北橫向偏移122 mm，隧道襯砌出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象。圖1 為煤礦15113 工作面與南嶺山1 號(hào)隧道位置關(guān)系平面圖。

圖1 煤礦15113 工作面與隧道位置關(guān)系平面圖

3 隧道移動(dòng)變形計(jì)算

采用概率積分法進(jìn)行了地表及隧道移動(dòng)變形預(yù)測。結(jié)合煤礦的地質(zhì)采礦條件，并參照當(dāng)?shù)氐V區(qū)巖移參數(shù)，選取預(yù)計(jì)參數(shù)見表1。

還有一種說法：西晉時(shí)有一人極為懶惰，一天到晚游手好閑，最后坐吃山空。他和妻子開始變賣地產(chǎn)、首飾，渾渾噩噩過了幾年后，終于家里一窮二白、四面漏風(fēng)，寒冬臘月斷了炊。他們無計(jì)可施，將家里的米缸、面袋、壇壇罐罐搜出來的剩粒遺粉連同可食的殘碎物一起熬了一碗“八寶粥”，度過了最艱難的一天。從此，夫妻二人幡然悔悟，痛改前非。當(dāng)?shù)厝私璐恕鞍藢氈唷钡墓适陆逃优趧诠?jié)儉，不可坐吃山空。

表1 概率積分法巖移預(yù)計(jì)參數(shù)

15113 工作面推進(jìn)到鐵路專用線南側(cè)煤柱線，南嶺山1#隧道出現(xiàn)開裂，暫停開采。為了便于分析15113 工作面開采后鐵路專用線的沉陷變形情況，對鐵路專用線受采動(dòng)影響較為明顯的區(qū)段進(jìn)行了變形預(yù)計(jì)，設(shè)置了42 個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)，點(diǎn)間距為20 m。其中，DK7+775 至DK8+095 為南嶺山1 號(hào)隧道。

通過預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出（圖2），預(yù)計(jì)鐵路專用線路塹段最大下沉值為28.6 mm，縱向傾斜值為0.3 mm/m，橫向傾斜值為0.8 mm/m，縱向水平移動(dòng)值15.9 mm，橫向水平移動(dòng)值為49.3 mm，縱向水平變形值0.18 mm/m，橫向水平變形值為1.52 mm/m。鐵路受工作面開采的直接影響較輕，但線路南側(cè)山體受開采影響嚴(yán)重，最大下沉值達(dá)3 m 以上，最大拉伸變形達(dá)9 mm/m，已出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，并推動(dòng)線路向北橫移達(dá)122 mm。在采動(dòng)影響下線路向北偏移（與采空區(qū)方向相背），表明工作面的開采引起了山體滑移，間接造成線路橫向偏移和隧道襯砌開裂、錯(cuò)縫等。結(jié)合隧道與工作面的位置關(guān)系和襯砌破壞特征可以看出，工作面采動(dòng)影響是導(dǎo)致隧道開裂、錯(cuò)位的主要原因。此外，隧道圍巖破碎也是導(dǎo)致隧道破壞的重要因素。

圖2 15113 工作面開采鐵路零散點(diǎn)移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)曲線

15113 工作面推進(jìn)到鐵路南側(cè)煤柱線，南嶺山1 號(hào)隧道零散點(diǎn)移動(dòng)變形最大值見表2。

表2 南嶺山1 號(hào)隧道零散點(diǎn)移動(dòng)變形最大值

4 采動(dòng)影響分析

4.1 山區(qū)地表移動(dòng)變形的特點(diǎn)

開采影響下的山區(qū)地表移動(dòng)與平地的地表移動(dòng)規(guī)律有明顯不同，其所呈現(xiàn)的特點(diǎn)多是開采和開采引起的山體滑移兩者綜合影響的結(jié)果，具有復(fù)雜多變、規(guī)律性差等特點(diǎn)。

由于受到采動(dòng)引起的地表滑移影響，山區(qū)地形條件下地表的移動(dòng)影響范圍更大，并且下坡方向擴(kuò)大的范圍又較上坡方向大。山區(qū)地形易出現(xiàn)集中變形，集中變形主要出現(xiàn)在變坡點(diǎn)附近，表現(xiàn)為山谷地帶易產(chǎn)生集中壓縮變形，甚至在應(yīng)為拉伸變形的區(qū)域出現(xiàn)壓縮變形，并且山谷內(nèi)地表下沉值往往偏小；在山頂?shù)貛б桩a(chǎn)生集中拉伸變形，在局部山坡較陡的地方還會(huì)出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，其地表下沉值往往偏大[15]，在山坡坡腳部位易出現(xiàn)水平剪切破壞等。

山體形態(tài)、坡面朝向及山體與采空區(qū)的相對位置也是影響山區(qū)地表移動(dòng)變形值的大小和分布形態(tài)的重要因素。

結(jié)合南嶺山1 號(hào)隧道與工作面的位置關(guān)系和襯砌破壞特征可以看出，工作面采動(dòng)影響是導(dǎo)致隧道開裂、錯(cuò)位的主要原因，隧道圍巖破碎也是導(dǎo)致隧道破壞的重要因素。考慮到隧道斷面受力性能較好，加之在施工中采用小導(dǎo)管超前注漿、噴錨支護(hù)和二次襯砌，隧道具有一定的抵抗采動(dòng)損壞能力，建議對隧道及襯砌進(jìn)行整治與修復(fù)，包括裂縫修補(bǔ)、表面缺陷修復(fù)及滲漏水處理。隧道變形與破壞特征主要：洞口邊坡崩塌與滑塌、洞門裂損、襯砌及圍巖坍塌、襯砌開裂及錯(cuò)位、底板開裂及隆起。

4.2 采動(dòng)影響

根據(jù)15113 工作面鐵路專用線區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌條件和地表移動(dòng)變形等值線圖以及南嶺山1 號(hào)隧道零散點(diǎn)沉陷變形預(yù)計(jì)結(jié)果，工作面對南嶺山1 號(hào)隧道造成影響：

依據(jù)工作面與隧道的位置關(guān)系以及襯砌破壞特征來看，除工作面采動(dòng)影響外，隧道圍巖破碎也是導(dǎo)致隧道破壞的重要影響因素?？紤]到隧道斷面受力性能較好，加之在施工中采用小導(dǎo)管超前注漿、噴錨支護(hù)和二次襯砌，隧道具有一定的抵抗采動(dòng)損壞能力，采動(dòng)影響未對隧道造成結(jié)構(gòu)性破壞。

5 隧道加固治理技術(shù)

隧道是鐵路線路的重要組成部分，井下煤層開采引起地表變形，使鐵路隧道結(jié)構(gòu)隨地表變形產(chǎn)生附加應(yīng)力，使之發(fā)生破壞，嚴(yán)重者甚至坍塌。地表沉陷變形中的下沉、水平變形、傾斜變形、曲率變形等均會(huì)對鐵路隧道產(chǎn)生不同形式和不同程度的附加應(yīng)力，最終導(dǎo)致隧道病害的出現(xiàn)。

5.1 隧道加固措施

隧道的加固不應(yīng)低于原有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合隧道裂縫和破損的方式及程度，襯砌加固部分?jǐn)M采用嵌縫加固、局部斷面加固和粘貼鋼板（帶）加固相結(jié)合的方式。

1）治理前，調(diào)查隧道存在的病害與隱患，檢測襯砌背面空洞和圍巖地質(zhì)狀況，檢驗(yàn)二襯混凝土強(qiáng)度，測量襯砌裂縫的發(fā)育深度和形態(tài)。

2）對于尚在發(fā)展寬度小于2 mm 的裂縫，采用低黏度、可注性好的環(huán)氧樹脂類膠液封堵，寬度大于2 mm 的裂縫采用環(huán)氧樹脂類膠液+W 鋼板進(jìn)行加固；對穩(wěn)定裂縫，根據(jù)裂縫部位、規(guī)模、深度等因素選擇水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等修補(bǔ)材料，對裂縫進(jìn)行維護(hù)加固處理；對襯砌異常發(fā)育裂縫，采用開槽嵌縫加固法處理，沿裂縫延伸范圍鑿成楔形槽，槽寬不小于5 cm，深度接近裂縫寬度，并且把槽做成外窄內(nèi)寬，用水沖洗干凈后，用高強(qiáng)度水泥漿、膨脹性水泥漿、環(huán)氧樹脂砂漿或者環(huán)氧樹脂混凝土嵌補(bǔ)。

3）對襯砌剝落處及襯砌斷面缺損部分應(yīng)進(jìn)行斷面修復(fù)。針對剝落、鑿落等局部較小范圍的修補(bǔ)，用摻有高分子材料（環(huán)氧樹脂）的砂漿進(jìn)行充填、涂抹；對于較大斷面的修補(bǔ)，采用金屬網(wǎng)、錨栓、鍍鋅鋼板修復(fù)，使修復(fù)材料和既有有效襯砌一體化。如圖3。

圖3 修復(fù)、加固斷面示意圖

4）隧道受損區(qū)域內(nèi)，每隔2 m 設(shè)4 mm 厚、300 mm 寬W 鋼帶，粘貼在襯砌內(nèi)表面。鋼板（帶）作為抗拉材料能有效地控制開裂的開口和襯砌的變形，防止襯砌掉塊、剝落、剝離以及襯砌材料的繼續(xù)劣化。環(huán)向500 mm 設(shè)Φ20 mm 膠粘型錨栓固定，錨固深度不小于200 mm。W 鋼帶與襯砌之間采用壓力注膠方式粘貼，且W 鋼帶采取防腐蝕、防銹蝕處理，并定期維護(hù)。對于襯砌斜向裂縫和交叉裂縫，可采用鋼波紋板進(jìn)行加固，波紋板、隧道壁之間灌注自密實(shí)混凝土。加固方法參考圖3。

此外，對隧道開裂和錯(cuò)位現(xiàn)象較嚴(yán)重部位，應(yīng)對隧道圍巖進(jìn)行注漿加固；對加固原襯砌仍不能滿足使用要求部位，可采用整體換拱或局部襯砌更換的加固措施。

5.2 洞口邊坡加固

1 號(hào)隧道洞口邊坡破壞較為嚴(yán)重，主要病害為坡體開裂、隆起、滑移等?？紤]坡體高度、現(xiàn)場環(huán)境、施工技術(shù)等方面問題，擬定治理方案為：鐵路兩側(cè)設(shè)墻面1.8 m高、墻頂寬0.5 m、墻底寬1.7 m、埋深1.5 m 重力式擋土墻，同時(shí)對邊坡進(jìn)行清方減載的治理方案。圖4 為洞口邊坡加固示意圖。

圖4 洞口邊坡加固示意圖

5.3 滲漏水處治

滲漏水災(zāi)害同為隧道常見病害之一。當(dāng)出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象時(shí)，先進(jìn)行圍巖注漿堵水，然后采用導(dǎo)水法處治，且用噴射法或涂層法進(jìn)行防水處理。

6 結(jié)論

1）工作面采動(dòng)影響是導(dǎo)致隧道開裂、錯(cuò)位的主要原因，但其直接影響較輕微，不是造成隧道破壞的直接因素。

2）煤礦開采活動(dòng)所引起的山地滑移，是導(dǎo)致隧道變形和破壞的主因，并造成線路及隧道向臨空方向偏移，致使隧道襯砌出現(xiàn)變形、開裂和錯(cuò)縫等現(xiàn)象。

3）通過對鐵路隧道的襯砌加固、圍巖注漿加固和換拱等加固措施，可保證鐵路隧道的正常使用，為煤礦的正常、安全生產(chǎn)提供保障。