磁东线大协站采空区稳定性评价与整治

张永柱 王清秋

(济南鸿运铁路岩土工程有限责任公司,山东济南 250022)

1 工程概况

磁(窑)东(都)线大协站位于山东省新泰市小协镇大协村北部,周围有采空区分布,从2006年起线路两侧多次发生地面塌陷。采空区整治之前,为确保行车安全,列车限速25 km/h通过,已严重影响了磁东线的正常运营。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

磁东线大协站位于新泰市小协镇大协村北侧,南临蒙馆公路(333省道)。该区位于莲花山与蒙山山脉两大分水岭之间,宏观地貌单元为半缓阶地型丘陵,站场内地形开阔平坦,地势南高北低,附近为村庄和农田。

2.2 地质构造与地震

区域地质构造为新蒙向斜的南翼,构造形态为单斜构造。本区断层多形成于燕山期,在喜马拉雅山期又有活动,断层的特点具有多期性与继承性,多为正断层,落差由浅部向深部变小或尖灭,主干断层多有伴生次一级断层,地质构造复杂。主要有大协站东侧的羊流断层,北部及东部的莲花山断层。勘察范围分布有F20-1、F20-2(如图1 所示)。

根据 《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001),该区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40 s。

2.3 地层岩性

粉质黏土层厚3.0～10.5m,平均厚度4.3m,局部夹砂。砂类土多为中砂和粗砂,层厚1.1～8.6m,平均厚度5.9m,为古小汶河河床所沉积,夹有圆砾、卵石等。

含煤地层以泥岩、页岩夹砂岩为主,间夹第一、四层灰岩,厚147～172m,为海陆交互相沉积。泥岩中含芦木、轮木、楔叶木等化石,石灰岩中富含纺锤虫、海百合茎等化石。大协车站附近可采煤层为11、13、15层煤,勘察深度范围内11、13煤已揭露(如图2所示)。

2.4 水文地质条件

图2 大协站采空区1-1′工程地质剖面

区内地表径流主要为北部的小汶河,小汶河常年流水,自东向西流过。站场北部有矿区间歇性排水,致使低洼处终日积水。

地下水包括第四系壤中潜水和岩溶裂隙水。第四系含水层为分布于粉质黏土之下的中粗砂层,平均厚度4.3m。据协庄煤矿抽水试验资料,含水层单位涌水量 1.204～22.604 L/s·m,渗透系数 35.38～469.78m/d,属富水性强的孔隙水含水层,地下水类型为重碳酸硫酸钙型、重碳酸硫酸钙镁型淡水。岩溶裂隙水主要赋存于石炭系上统太原组四灰中以及泥岩页岩裂隙中。据协庄煤矿资料,钻孔单位涌水量0.002～6.180 1 L/s·m,渗透系数0.0057～76.777m/d,水质类型为重碳酸硫酸钙型水。据调查,站场周边矿区较多,地下水受矿区排水影响较大。

3 采空区的分布、特点及稳定性评价

3.1 采空区的分布

根据调绘、物探及钻探资料综合分析,站场内采空区主要分布在以下两个区域。

(1)K54+112～K54+157

该段11煤大部分已经剥蚀。13煤埋深26.8～39.2m,其中基岩厚度16.5～29.4m,其直接顶板灰岩平均厚度6.5m,溶蚀严重,煤层厚度1.0～2.9m。该层煤为该段主要开采煤层,大多已被开采。

(2)K54+191～K54+248

物探资料显示,该段内11煤已采,煤洞多呈空或半空状态,在铁路线范围内已形成通道。钻探揭示,11煤埋深16.1～23.0m,顶板为页岩、泥岩互层,顶板厚度6.1～12.5m,煤层厚度1.6～2.4m,为该段主要开采煤层,采空区局部充填有煤灰及矸石,与物探结果相符。13煤埋藏深度50～55m,煤层厚度1.4m左右,钻孔揭示该层煤未开采。13煤顶板为岩溶化石灰岩,溶蚀现象发育,局部揭示有较大溶洞,竖向尺寸1.2～3.8m,局部充填黏性土及灰岩角砾。据矿区资料,该区段15煤埋深较大,勘探深度内未揭露。

勘察范围内其他地段各煤层均未开采或仅以煤洞式开采。

3.2 采空区的特点

采空区所处地理位置及工程地质条件决定其具有如下特点:

(1)该区位于 11、13、15煤露头附近,采空区埋藏浅。

(2)上覆厚层砂类土,土质松散且含水量丰富。

(3)含煤地层为泥岩、页岩夹砂岩及灰岩,泥岩、页岩节理裂隙发育,灰岩溶蚀现象发育,采空区顶板力学性质较差。

(4)开采年限久远(已超过60年),开采方式简单,仅为局部支撑式或巷道式开采。随着时间推移,煤柱支撑作用逐渐减弱,开采范围无严格规划,采空区分布不规则。

(5)人类活动对采空区影响大。该采空区周围分布有多座大小型煤矿,矿区长期抽排地下水,造成采空区水位波动,从而影响采空区的稳定。

3.3 采空区稳定性评价

根据《铁路工程不良地质勘察规范》(TB10027—2001)、《铁路工程地质手册》(1999年版),小窑采空区可结合其特点,按以下方法综合判定采空区地基稳定性。

(1)确定临界深度H0

小窑采空区如图3所示,其顶板岩块ABCD因重力G的作用将会下沉,两边的楔形体ABM和CDN也对其施以水平压力P。因此,在AB和CD两个面上将存在着因P的作用而产生的摩阻力F。取单位长度为采空区计算单元体,建筑物作用在其上的单位压力为R,根据竖直方向受力平衡,作用在采空段顶板上的压力Q为

Q=G+2aR-2F

图3 小窑采空区顶板稳定性示意

式中 Q——单位长度顶板上所受的压力;

G——单位长度顶板上岩层的总重力,G=γ×H×2a;

γ——上覆岩层重度,取25(g/cm3);

H——顶板埋藏深度;

a——宽度的一半;

R——建筑物基底的单位压力;

P——楔形体ABM和CDN作用在AB或CD面上的主压应力,当取其最大值时,

φ——岩层内摩擦角;

F——单位长度顶板侧壁的摩阻力,F=P×tanφ;

则有

当Q=0时

此时采空区顶板上方岩层的自拱力恰好能保持平衡而不塌陷,该H0即为临界深度。

根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005),取R=60 kPa;综合考虑岩体的强度、结构类型、节理发育程度 、地下水等,取 φ=60°;γ=25 g/cm3,则有

小窑采空区巷道式开采时,a=2.0～6.0m,则H0=18.7～52.3m。

(2)稳定性评价

根据《铁路工程地质手册》(1999年版),当H＜H0时,顶板及地基不稳定;当H0＜H ＜1.5H0时,顶板及地基稳定性差;当H＞1.5H0时,顶板及地基稳定。对于第四系土层,按3∶1换算为基岩厚度。

所以,当H ＞1.5H0=28.0～78.5m 时,顶板及地基稳定。第四系土层平均厚度约10m,换算后,可得采空区稳定的安全深度为H=34.7～85.2m。

大协站采空区埋深16.1～39.2m,小于安全深度H=34.7～85.2m,并且开采年限久远,煤柱支撑作用逐渐减弱,加上人类活动及地下水的影响,其顶板及地基不稳定。

4 采空区的整治

4.1 整治方案比选

根据近几年铁路、高速公路采空区的治理经验,结合该采空区特点,对以下四种方案进行比选。

(1)桥跨方案

跨越采空区的桥梁,一般采用钻孔灌注桩基础。该方案存在灌注桩如何穿过采空区的问题,处理不好会影响施工质量,而且采空区塌陷也会影响基础稳定性。另外,桥梁施工对既有线运营干扰严重,且经济上造价较高。

(2)井下支撑方案

可通过钻孔灌注混凝土或井下砌筑片石等方法,在采空区内形成支墩,达到加固采空区的目的。该方案要求采空区顶板相对完整,且具有一定强度,井下砌筑片石还要求井下具有人机通道。该采空区开采年代久远,部分已坍塌,且顶板泥岩、页岩夹砂岩及灰岩,泥岩、页岩节理裂隙发育,灰岩溶蚀现象发育,力学性质较差。

(3)水冲砂方案

该方法一般用在空洞体积较大且贯通性好的采空区域,依靠砂的自重以及水的流动携带砂料充填空洞。但该方案顶板处一般较难填充密实,仅靠水压支撑顶板,一旦水位下降,便会影响加固效果。而且该方案用于铁路和高速公路采空区处理可以借鉴的成功经验较少。

(4)注浆充填加固方案

注浆充填加固方案为目前铁路、高速公路等领域普遍采用的采空区治理方案,注浆材料一般选用水泥浆,掺加适当比例的粉煤灰可以降低造价。对于较大空洞区域或耗水量大于1m3/min时可以水泥浆冲砂或灌注水泥砂浆。开始灌注时可采用自流灌注,当依靠材料自重无法满足灌注要求时采用压力注浆,充填裂隙、压密松软地层。该方案工艺简单,可操作性强。

根据以上分析,注浆充填加固方案技术上适用、可行,经济上合理。

4.2 方案设计的主要内容

(1)确定处理范围

根据勘察资料和稳定性评价结果,确定K54+112～K54+157段、K54+191～K54+248段需进行处理。综合考虑采空区的埋藏深度、采空区顶板基岩的构造、节理发育情况、岩石强度、地下水等,确定K54+112～K54+157段处理深度为39m,K54+191～K54+248段处理深度为23m,处理深度范围内的溶洞一并处理。站场两侧处理范围为路基坡脚外10m。

(2)注浆孔的布置

注浆孔的排距、间距应根据采空区顶板强度、采出率、裂隙连通性以及线路情况等确定。

排距4～6m,可根据线路情况适当调整;孔距6m,注浆异常地带适当加密;边缘排在注浆孔相邻孔间布置浅孔,钻至基岩面,注浆加固上部第四系地层,防止站场外地层沉降影响路基稳定。注浆孔应钻至采空区底板;孔径 φ127 mm,变径后终孔孔径不小于φ91 mm。

5 结论

自2008年初采空区整治竣工以来,大协站站场路基稳定、运营状况良好,达到了治理路基采空区病害的目的。总结从采空区勘察到整治的全过程,有以下结论:

(1)准确的勘察资料是采空区整治成功的前提;

(2)根据勘察资料进行切合实际的稳定性评价是采空区整治的关键,而相关地质参数的取值直接关系到评价结果的准确性;

(3)根据稳定性评价结果,结合采空区具体的工程地质条件等因素,选择技术上适用、可行,经济上合理的整治方案,可确保采空区整治成功。

[1]中铁济南勘察设计咨询院有限公司.磁东线大协站地面塌陷整治工程勘察报告[R].济南:中铁济南勘察设计咨询院有限公司,2007

[2]中铁济南勘察设计咨询院有限公司.磁东线大协站地面塌陷整治工程方案设计[R].济南:中铁济南勘察设计咨询院有限公司,2007

[3]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,1999

[4]TB10027—2001 铁路工程不良地质勘察规范[S]

[5]TB10001—2005 铁路路基设计规范[S]