沈丹客运专线本溪段下伏采空区的数值模拟分析

张向东，孙 琦，杜东宁，卫 星

（1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省化工地质勘查院，辽宁 锦州 121000）

0 引言

近年来，随着我国公路、铁路建设事业的蓬勃发展，新建公路、铁路穿越采空区的研究也逐渐增加，产生了一系列的研究成果［1－6］。但铁路客运专线（高速铁路）穿越采空区在我国较少，由于铁路客运专线车速快，对地基稳定性要求较高.所以有必要对地基稳定性进行分析与评价，为铁路客运专线建设提供依据。本文采用有限元软件ADINA对沈丹铁路客运专线下伏采空区进行数值模拟。

1 工程概况

采空区位于彩屯大桥保护煤柱东侧，新建铁路沈阳至丹东客运专线正下方，该采空区为本溪矿老五坑深部采空区。煤层倾角2°～6°，煤层采厚4.6m，开采深度376～430m，开采时间1960～1982年。采空区形成后，未曾进行过残采复采。本溪矿采空区的北部位于本溪煤矿有限责任公司井田范围内，该公司未来对该区域可能进行残采和复采。

2 地质条件分析

本溪煤田含煤地层为石炭二迭系太原组和山西组地层。太原组以中粗砂岩、砂质页岩及片状页岩为主。山西组为层状黑色细砂岩、灰色页岩。

为分析其地质情况，进行了钻孔分析，深度391.2～392.6m岩段为一页岩层夹薄煤线，顶板为页岩，底板为砂岩；深度451.3～458m岩段为煤层，顶板为砂岩，底板为砂岩，其下为泥灰岩。钻孔钻进穿越页岩夹薄煤线时，无掉钻、卡钻现象。与上部砂岩比较，岩心显些破碎，但钻进工况正常。彩屯煤矿、本溪煤矿均没有在该区域开采该煤层，钻孔岩心及钻孔电视也未显示有采动迹象。钻孔钻进穿越下部煤层段时，无明显掉钻、卡钻现象，钻进也较容易，冲洗液漏失量略增。煤岩心齐全，但较破碎、不完整。该区域为本溪煤矿五坑深部采区，钻孔位于1981年回采的工作面上山煤柱区内。

钻孔结果表明采空区处于半充填状态，且从开采时间上分析，地表变形不会太大，对铁路路基的总体影响主要是下沉和水平移动，特别是下沉和垂直铁路路基方向上的水平移动，倾斜和水平变形影响较小；采空区总体上处于基本稳定状态，但客运专线不同于一般铁路，对路基要求较高，因此有必要进行进一步地分析。

3 概率积分法预计

本溪矿区的地表移动与变形规律符合概率积分型分布，下沉和水平移动的概率积分法的数学模型如下：

（1）下沉

（2）水平移动

通过预计，得到残余下沉最大值为0.241m，沿路基方向地表残余水平移动最大值为0.081m，垂直路基方向的地表残余水平移动最大值为0.062m，这些移动将随着时间的推移而逐渐出现，其累积位移会对铁路客运专线造成影响。

4 数值模拟

4.1 数值模型的建立

将上覆岩层简化为5层，煤层倾角简化为4°，模型沿铁路路基走向取长度2000m，垂直路基方向取700m，深度取500m，岩石采用弹塑性本构模型，破坏准则采用Mohr-Coulomb破坏准则，岩石的物理力学参数如表1所示，有限元网格如图1所示。

表1 岩石的物理力学参数Tab le 1 Physical and m echanical param eters of rock

4.2 数值模拟结果分析

图1 有限元网格图Fig.1 Finite elem ent m esh

图2 沿路基方向下沉图Fig.2 Subsidence along the d irection of roadbed

图3 沿路基方向水平移动图Fig.3 Horizontalm ovem ent along the direction of roadbed

图4 垂直路基方向水平移动值Fig.4 Horizontalm ovem en t along roadbed of perpendicu lar d irection

数值计算完成后，提取地表节点绘制出下沉图（图2）和水平移动图（图3，图4）。其结果表明：在未来数十年内，沈丹客运专线本溪段下伏采空区的地表残余下沉最大值为0.225m，沿路

数值模拟的结果与概率积分法的结果比较接近，基方向地表残余水平移动最大值为0.075m，垂直路基方向的地表残余水平移动最大值为0.051m，残余变形是均匀渐变的，不会出现突然塌陷，但仍对铁路路基构成影响。根据文献［7］对采空区分类的划分方法，可认为采空区处于基本稳定状态，但在采空区上方出现应力集中，在铁路荷载和上覆岩层自重应力的作用下出现了塑性变形，考虑未来可能对该区域进行残采和复采，因此本线路在该区域可能遭受采空区沉陷的威胁。

4.3 采空区注浆后的数值模拟

采空区注浆技术是处理采空区使用较多的方法［8－9］。考虑到采空区可能会对铁路客运专线构成的影响，应对采空区进行注浆加固措施，在有限元模型中，新建一个弹性材料的单元组，用于模拟注浆后的采空区，在煤层开采的单元“死”后将新单元组“生”，从而模拟采空区注浆后的地表移动和变形规律，注浆材料的物理力学参数按实验室测试数据取值（表2）。

表2 注浆材料的物理力学参数Tab le 2 Physical and m echanical param eters of rock

图5 注浆后沿路基方向下沉值Fig.5 Subsidence along the d irection of roadbed after grouting

数值模拟的结果表明（图5～图7），注浆后下沉值的最大值为0.023m，沿路基方向水平移动最大值为0.0083m，垂直路基方向水平移动最大值为0.0056m，注浆后地表的移动和变形已经较小，达到铁路客运专线的要求。

5 结论

图6 注浆后沿路基方向水平移动值Fig.6 Horizontalm ovem ent along the direction of roadbed after grouting

图7 注浆后垂直路基方向水平移动值Fig.7 Horizontalm ovem ent along roadbed of perpend icular direction after grou ting

（1）采空区处于基本稳定状态，移动和变形是均匀渐变的，不会出现突然塌陷，但采空区上方出现了应力集中和塑性变形，并在未来数十年内会继续发生移动和变形，其累积位移仍会对铁路客运专线的运营造成影响。考虑未来可能产生的残采和复采以及铁路行车荷载的作用，也可能会出现老采空区活化，宜采取措施进行加固。应限速通行，运行时速小于160km/h。该段线路建议采用有砟轨道，以便在未来采取起道、拔道等维修措施。

（2）对采空区进行注浆后地表的移动和变形值较小，达到了铁路客运专线的要求，同时应注意对地表移动和变形的监测，并在铁路沿线设置保护煤柱，限制铁路周围的开采。

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