某铁路专用线采空区稳定性评价及处理

王 卓，白朝能

（1.辽宁省第十地质大队，辽宁抚顺113004；2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

某铁路专用线采空区稳定性评价及处理

王 卓*1，白朝能2

（1.辽宁省第十地质大队，辽宁抚顺113004；2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）

某铁路专用线穿过鑫宝铁矿和南凹铁矿两座磁铁矿采空区。采空区分布十分复杂，地基处于强烈变形之中，地面变形的特征属非连续性移动变形，这种变形对铁路建筑物的影响远比连续性移动变形的影响大。详细介绍了该采空区的稳定性评价及处理方法。

采空区；稳定性评价；处理；铁路专用线

1 概述

某工程铁路专用线从邯长铁路井店车站接轨，专用线工程Ⅲ标段（CK0+200～+800）穿过位于涉县井店镇台村鑫宝铁矿和南凹铁矿两座磁铁矿采空区。根据调查访问及勘探期间现场发现新形成的地表裂缝显示，采空区强烈坍塌变形正在进行中。为保证专用线的安全运营，须对采空区进行处理。该采空区具有分布复杂、变形仍在强烈进行的特点，本文详细介绍了该采空区稳定性评价方法及处理措施。

2 采空区概况

2.1 采空区工程地质条件

2.1.1 地质构造

涉县位于太行台隆中段东侧，构造单元属武安凹断陷。断裂构造发育，构造线方向为北东和北北东向，在空间上西疏东密，西弱东强，涉县主要断裂有：①涉县大断裂；②龙山断裂；③更乐断裂。其中龙山断裂与更乐断裂为2条近平行呈北西南东向展布的正断层，与涉县断裂相交，规模较小。此外，在涉县盆缘山区，发育许多规模较小的老断裂。

本区褶皱构造主要为涉县向斜，呈北东—南西向展布，轴部及两翼主要由奥陶系中统灰岩组成，两翼地层产状平缓，倾角9°～15°，断裂带附近产状较零乱，一般倾角较大。

2.1.2 地层岩性

（1）中更新统老黄土(Qal+pl2)：棕红色、灰褐色，局部为褐黄色，硬塑—坚硬，含碎石或姜石。

下部见泥、钙质胶结砾石层，胶结程度不一，局部地段似砾岩状，致密。线路影响范围厚1.5～21.5m，移动角50°。上更新统(Qal+pl3)新黄土：黄褐色、褐黄色，硬塑—坚硬，具大孔隙，含植物根系，具有湿陷性。下部含碎石较多，局部夹碎石透镜体，线路影响范围内厚4.5～46.6m，移动角50°。

（2）奥陶系中统灰岩：主要为灰色、深灰色，中厚—厚层状，夹少量薄层泥灰岩、角砾岩等，节理、裂隙发育，岩层产状9°～15°，有溶蚀现象，与下伏寒武系地层呈整合接触，移动角75°。

（3）侵入岩为燕山期杂岩体，岩性主要为闪长岩、闪长斑岩、正长斑岩等，岩浆侵入于奥陶系灰岩中。

2.2 采空区开采及变形特征

2.2.1 采空区成因及开采特征

该采空区为开采磁铁矿形成，一方面由于采空区埋藏浅，顶板灰岩相对较薄，且顶板灰岩节理、裂隙发育，岩体较破碎；另一方面在磁铁矿回采时，对顶板采取无支护自然垮落的方法，导致在回采不久顶板即产生坍塌变形。坍塌的顶板在采空区内形成松散堆积体，在地表则表现为强烈的塌陷变形。

本区磁铁矿开采始于20世纪70年代初，当时多数磁铁矿为无规划乱采及多次转让，我们收集了相关资料，并指派技术人员和工人对能进入的巷道进行了实地勘察后，基本查明磁铁矿开采特征如表1所示。

表1 磁铁矿开采特征表

2.2.2 采空区地表变形特征

采空区地表塌陷变形范围直接受采空区影响。地表变形塌陷规律与采空区分布、顶板厚度、采空区埋深、采空区顶板地层岩性及矿体开采方式密切相关。线路经过地段发育有3个大型采空盆地，盆地呈品字形分布，地表塌陷变形主要表现为地裂缝的扩大、土洞的出现、差异性沉降等正在继续发展的变形，与早期形成的塌陷盆地、塌陷坑、塌陷地堑、塌陷错台、地裂缝相互交织分布于CK0+290～CK0+750大部分区域。

2.3 采空区主要特点

本采空区主要有以下特点：

（1）采空区分布、大小及形态极其复杂，下伏空洞为多层串联，最大单层高8m，局部总高度可达20m。

（2）采空区地表变形仍在强烈进行。据统计，施工过程中数共发生12次塌陷变形，主要表现为地表长大裂缝和塌陷坑，裂缝宽50～100cm，塌陷坑深1.5～3m。

（3）收集到的各矿的采掘资料非常有限，采空区处理方法的选择必须考虑该因素的影响。

3 采空区稳定性评价

常用的采空区地表稳定性评价方法有开采条件判别法、地表移动变形预计法和沉降观测法及有限元法。其中前3种方法为评价的主要方法，有限元法可作为评价的参考。对于古窑、不规则的柱式采空区以及长壁陷落法开采的边缘区和其他难以进行变形预计的采空区，主要按矿层开采的深厚比或开采深度H来判断地表的稳定性[1]。

根据采空区特点，我们采用开采条件判别法对该采空区稳定性进行了评价，分析结果表明：采空区其采深与单层采厚比分别为6～12、8～17、11～24，远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤行管字[2000]第81号）中规定的工矿企业专用铁路“薄及中厚层煤层的采深与单层采厚比小于40”、“厚层煤层及煤层群的采深与分层采厚小于60”需设防的要求。采空区不稳定，需处理。

4 采空区处理

4.1 处理范围的确定

目前，关于采空区处理范围的理论研究成果鲜有报道，工程中一般都采用经验法确定采空区的处理范围。本次设计根据文献[2],即《铁路工程地质手册》中的相关条款确定采空区处理范围，处理宽度按下式进行计算：

式中：L——采空区处理宽度；

B——路基围护带宽度；

h——松散层厚度；

Hi——采空区上覆第i层基岩厚度；

φ——松散层稳定角；

βi——采空区上覆第i层基岩移动角；

n——采空区上覆基岩层数。

路堤部分以坡脚外1m为界；路堑部分以两侧堑顶边缘为界，两侧界线以内的范围为受保护对象，以此界线外一定范围宽度作为围护带宽度。根据《铁路工程地质手册》的规定，铁路建筑物维护带宽度一般不小于15m，结合本工程实际，维护带宽度取5～15m。图1为该采空区平面设计图。

4.2 设计原则

本采空区分布非常复杂，而且采空区下伏空洞为多层串联。再者，由于本区的磁铁矿早期多为无规划乱采，并多次转让，因此收集到的各矿的采掘资料非常有限，对采空区分布特征的认识仍有很大的局限性。为此，我们采用“备足预案、探灌结合，先探后灌”的原则，根据地表变形和巷道分布情况，选择具有代表性的位置进行补充勘察和钻探验证，在全面清楚掌握空洞和松散体的空隙、裂隙的空间分布形态的基础上，进行施工图设计，确定切实可行的施工工序，确保采空区充填注浆处理后地表变形满足如下控制标准：

图1 采空区加固处理平面设计图

（1）保证不发生路基突然坍塌事故，铁路路基工后累计沉陷量控制在1m以内；

（2）水平变形：ε≤±2mm/m；

（3）曲率：K≤±0.2×10-3/m；

（4）倾斜：i≤±3mm/m。

4.3 主要工程措施

采取充填法和注浆法相结合的方法对采空区进行治理。用充填法和注浆法对采空区进行治理是一种动态的过程，在此过程中，可根据钻孔所揭示采空区的情况，适当调整钻孔深度和浆液的类型、配比，以达到最佳充填效果。设计所列的每个钻孔的注浆量都和周围其他钻孔的注浆量成互补关系。对可以进入的巷道采用水泥砂浆充填，在扩散半径内可不再进行钻孔注浆处理，对有空洞的注浆孔，先灌水泥粉煤灰浆，再充填水泥砂浆，如果连通性较好可采用加石粉减少流失量的方法处理，对维护带边缘的注浆孔采用碎石砂浆和水泥粉煤灰浆、水泥砂浆相结合方法进行处理。每孔在开始注浆后，原则上要充填满后才可以停止注浆，以免阻塞注浆通道。

4.4 不同塌陷变形区的处理措施

如上所述，线路经过的采空区变形非常复杂，处理时必须分别对待，针对不同塌陷变形的治理，一般遵循以下原则：

（1）塌陷坑、塌陷盆地、塌陷地堑区采用钻孔灌浆加部分充填注浆，整治设计深度至采空区底部，控制性钻孔钻至冒落带底部，一般性钻孔钻至冒落带顶部或最底层的空洞。

（2）地表变形轻微，只形成了冒落带和裂隙带的地区采用钻孔灌浆加充填注浆，整治设计深度至采空区底部，控制性钻孔钻至冒落带底部，一般钻孔钻至冒落带顶部或最底层的空洞。

（3）维护带边缘采用钻孔充填注浆加部分灌浆，空洞连通性好，需要加碎石和石粉，整治设计深度至开采矿井底部。

（4）正在开采的位于线路中心的南凹、鑫宝矿井，竖井或斜井与运输通道、空洞连通性较好的，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半径40m范围的运输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。

（5）对位于线路中心附近已经封堵的竖井或斜井进行重新挖掘和清理，打通与运输通道、空洞的联系，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半径40m范围的运输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。

（6）线路影响范围内，如果单个空洞的埋深与洞高之比达到“薄及中厚层煤层的采深与单层采厚比大于或等于40”、“厚层煤层及煤层群的采深与分层采厚大于或等于60”的要求，可以不进行处理。

4.5 施工顺序

施工孔序，按Ⅲ序进行，第Ⅰ序为线路中心附近的竖井或斜井充填；第Ⅱ序为线路左右侧8.6m、26.0m充填孔和处理边界的帷幕孔，充填孔间距20m，正三角形布置钻孔，帷幕孔间距10m，线形布置；第Ⅲ序为已形成正三角形的中心根据Ⅱ序孔所揭示采空区、冒落带及充填情况决定是否需要布置钻孔，为注浆补强孔，施工完成后形成新的钻孔间距11.5m，正三角形布置。

5 结束语

采空区的勘察和加固治理，是一个非常复杂的工程问题，目前这方面的理论研究还不很成熟，在实际勘察、设计依中仍主要依据一些经验方法。具体到本工程而言，由于本区的磁铁矿早期多为无规划乱采，并多次转让，收集到的各矿的采掘资料非常有限，对采空区分布特征的认识仍有很大的局限性，这就给本工程的勘察、设计增加了难度。由于设计处理得当，本采空区的治理取得成功，获得了良好的社会和经济效益。该采空区成功治理的经验对同类工程有较好的参考作用。

[1] 山西省交通厅.高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册[M].北京：人民交通出版社，2005.

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

The Stability Evaluation and Treatment for a Goaf in the Special Railway Line

WANG Zhuo1,BAI Chao-neng2
(1.The Tenth Geological Brigade of Liaoning Province,Fushun Liaoning 113004,China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu Sichuan 610031,China)

There are goaf of Xinbao and Nanao two magnetic-iron ore crossed by a special railway.Distribution of the goaf is complicated,and the foundation is being deformed intensely.The ground deformation is a non-continuity move deformation,which is far more harmful to railway buildings than continuity move deformation.The paper introduced the stability and treatment measures for the goaf in detail.

goaf；stability analysis；treatment；special railway line

TD322.4

A

1004-5716(2015)04-0003-04

2014-09-04

2014-09-18

王卓（1975-），男（汉族），辽宁昌图人，高级工程师，现从事水工环技术管理工作。