铁路下伏采空区稳定性分析与治理研究

近年来，以矿产为中心的资源型城市普遍选择转型发展，在转型的过程中，交通成为各地政府关注的问题。铁路交通既经济又安全，是交通建设的首要选择。对于矿产资源型城市，进行铁路建设时往往要穿过地下矿藏开采后留下的采空区。由于铁路对路基的稳定性要求较高，采空区的地质不良问题已成为铁路修建过程中的一大难题[1][2],[4]～[8]，采空区的铁路路基修建之前，必须要进行稳定性评价分析。

本文以四川成昆铁路甘洛县段为例，使用概率积分法预计了采空区沉降量，分析了老采空区的残余变形对铁路路基施工的影响，并针对采空区的沉降和水平变形问题以及注浆加固提出了治理方案。

工程概况

成昆铁路甘洛县段通过四川省甘洛县，县境内存在储量巨大的铅锌矿，经过较长时间的开采，现已形成了影响范围较大的采空区。由于境内地势起伏不定、多山多水，因此，从较为平坦的矿区通过是成昆线修建的最好选择，但该线路也不可避免地要穿过采空区，该矿区各项数据包括：矿层倾角2°～6°，矿层采厚4.6m，开采深度350m～450m，采深采厚比76m～98m 。

地质条件

根据实地钻孔分析得知，铅锌矿层主要存在于震旦系灯影组与寒武系之间，矿层分为3层。该矿层的上部为砂质泥岩矿层，矿层下部为硅质白云岩，矿体则分布在砂质白云岩中，含矿岩性表现为竹叶状微晶白云岩。通过土力学试验与资料查证得知，检测区内岩土体物理力学参数如表1所示。

概率积分法预计

采用概率积分法预计该铅锌矿区的沉陷、水平移动，数学模型如下:

（1）沉陷

（2）水平移动

表1 岩土体物理力学参数

通过概率积分法计算可知，残余沉降的最大值为0.24m，地表残余水平移动在沿路基方向上的最大值为0.08m，地表残余水平移动在垂直路基方向的最大值为0.06m，通过进一步计算，绘出3种变形曲线（图1～图3）。沉陷与水平移动会对路基产生拉伸和扭曲等破坏，对列车的行驶造成安全隐患。采空区的地表残余应变是长期的，不会突然发生，但由于铁路路基属于重要设施，对地基稳定性要求较高，所以必须对该采空区进行加固处理。

注浆加固与注浆效果检测

铁路需要穿过采空区时，一般不穿过曲率变化主断面内，采空区的下沉会导致铁路路基的下沉，使路基产生起伏，对列车的形式可能产生不良影响；当采空区地表发生沿铁路方向移动变形时，轨道会发生弯曲变形；当采空区地表发生垂直铁路方向移动变形时，轨道会发生倾斜。

图1 残余沉降图

图2 沿铁路方向水平移动图

图3 垂直铁路方向水平移动图

根据以往对公路、铁路下伏采空区的治理经验并考虑该项目的实际情况以及当地的环境和经济等因素，针对该采空区的治理，建议采用钻孔注浆法[6]。

注浆参数

影响加固结果的参数主要包括: 钻孔间距、注浆压力、浆液配比。

1.钻孔间距

注浆加固的原则应当包括保证列车的安全行驶以及采空区局部覆岩的填充密实度。注浆加固既有线路时，注浆压力一般较小，一般情况下，加固既有线路下部覆岩时，注浆孔间距取3m～6m。注浆加固在建的铁路路基工程时，在保证地面构筑物稳定的前提下，可以提高注浆压力加大注浆孔间隙。

通过对该采空区覆岩稳定性的分析，建议在该加固工程中，注浆孔间距取值如下：路基范围内注浆孔间距取15m；路基坡脚外至采空区边界之间的注浆孔间距取20m；帷幕孔布置在采空区边界，共布置一排，间距取10m。

2.注浆压力

注浆压力要根据注浆孔的大小来取值，在覆岩完全被破坏之前，单孔的注浆压力与注浆量曲线接近一条直线。经过多次试验后决定在本工程中注浆压力取值0.75MPa，所注浆液为水泥粉煤灰浆，制浆工艺流程如图4所示，水泥粉煤灰水浆的水固比取1:1.2，对空洞以及冒落带进行注浆时，水固比应当适量减小。固相材料中水泥与粉煤灰的比例为1:4。对帷幕孔注浆时，还须在浆液中掺入水玻璃作为速凝剂，其掺入量取水泥重量得1%～4%。速凝剂可以加快凝固灌入帷幕孔的浆液,使之尽快形成帷幕。发生以下现象时可停止注浆：①随泵压的逐渐升高，当泵量小于70L/min,孔口压力在1.0MPa～1.5MPa之间,稳定在10min～15min时间内。②注浆孔冒浆。

图4 制桨工艺流程图

3.注浆质量的检验方法[7]:

钻探法:钻探检验一般在注浆施工结束6个月后进行,通过设置检查孔分析得到采空区覆岩的水泥浆填充情况,合格标准为浆液结石体的无侧限抗压强度不小于0.3MPa，同时结合钻探过程中循环液的漏失情况对注浆质量进行评价。

检查孔的布置应遵循4项原则[8]：检查孔主要设置在采空区上方的路基两侧；检查孔应均匀设置在两个或三个注浆孔之间，不能设置在注浆孔上，也不能设置在距离注浆孔过近的位置；检查孔应尽量布置在风险较高的位置，如覆岩裂隙较大的区域、地质结构复杂的区域等；检查孔的数量应不少于注浆孔总数的2%～5%且至少布置两个检查孔。

物探法：对比采用高密度电阻率映像法与高分辨率地震声纳法的结果，波速大于160m/s则认为采空区浆液充填符合质量要求。

结论

通过对钻探和物探的综合分析，最终得出注浆质量评价。概率积分法预测的成昆铁路甘洛县段下伏采空区的稳定性较好，下沉与残余应变会在未来数十年内均匀渐变，不会产生突然性的塌落沉陷。但由于铁路路基对地表稳定性要求较高，采空区上部有应力集中问题，采空区的下沉以及横向、纵向变形会对铁路造成破坏，对列车行驶造成危害，考虑到列车行驶的动应力与荷载等情况，需要对该采空区进行加固处理。

采用钻孔注浆法加固处理，对采空区围岩结构进行注浆加固，用浆液填充采空区覆岩裂隙与离层，使之形成一个完整的具有一定刚度的岩板结构，能有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全[1]。钻孔施工后需对钻孔结果进行检验，检验应包括布置方式，钻孔位置以及钻孔数量等。注浆结束后应当进行注浆质量检验，包括钻探、物探、综合分析等，并在实地检验后进行检测数据分析，根据工程经验，工程规范以及各种资料机型得出最重综合评价，确定注浆质量是否合格。