收稿日期:20181204作者简介:黄　创(1985 ),男,2007年毕业于湖南科技大学土木工程专业,工学学士,工程师㊂文章编号:16727479(2019)02004704铁路隧道小煤窑采空区勘察与处理黄　创(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,山西太原　030013) 摘　要:某铁路隧道隧址区分布有小煤窑采空区㊂为查明采空区的分布,通过实地调查地表变形㊁收集矿区煤层资料等手段,大致确定了采空区的范围和深度;采用高密度电法沿隧道布置纵向和横向测线,进一步确定了采空区的分布,最后通过在隧道两侧布置钻探进行了验证㊂研究结果表明,采空区分布于隧道拱顶上方2~4m ㊂由于线位平面绕避非常困难,通过降低线位高程12m ,使得隧道从采空区下方通过㊂施工中可通过加强超前支护,采用复合式加强衬砌,增加防排水设备㊁有害气体检测等措施进行处理㊂关键词:隧道;小煤窑采空区;勘察;立体绕避中图分类号:U455.43 文献标识码:A DOI:10.19630/ki.tdkc.201812040003Exploration and Treatment of Small Coal MiningGoaf Area for Railway TunnelHuang Chuang(Railway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.Taiyuan Design Institute,Taiyuan 030013,China)Abstract :A small coal mine goaf is distributed in a railway tunnel site.In order to find out the distribution of the goaf,the scope and depth of the goaf are roughly determined by means of field investigation of surface deformation and collection of coal seam data.The distribution of the goaf is further determined by the high⁃density electrical method which is used to arrange longitudinal and lateral survey lines along the tunnel,and finally verified by drilling on both sides of the tunnel.The research results show that the goaf is distributed 2to 4m above the tunnel vault.Since the planar line avoidance is very difficult,the tunnel passes through belowthe gob area by reducing the line position elevation by 12m.During construction,it can be conducted by measurements such as strengthening advanced support,using composite reinforcement lining,adding waterproof and drainage equipment and harmful gas detection.Key words :Tunnel;Small coal mine goaf;Survey;Stereoscopic avoidance1　概述小煤窑采空区是铁路施工和运营安全的隐患,线路选线时一般应尽量绕避㊂如必须通过时,应查明其地质特征,进行稳定性评价并提出工程措施意见[12]㊂小煤窑采空区具有私自开挖㊁埋深较浅㊁随意性强㊁无规划等特点,国内的孝柳线㊁准朔线㊁包西线㊁巴准线均遇到了不同程度的小煤窑采空区问题[3]㊂多年来,勘察设计单位对小煤窑采空区进行了大量的勘察工作,积累了宝贵的经验㊂李景山在包西线勘测中采用地质调绘㊁物探㊁钻探等手段,查明了米家园子小煤窑采空区的分布[4];孙金等在登封至商丘高速公路勘察中,采用资料收集㊁地质调绘㊁地震反射波法及钻探查明了郑新天富煤业的采空区[5];庞雪春根据工程㊁技术㊁经济及环境等因素,对马鞍山采空区绕避方案进行研究[6];霍世强等在平朔东露天矿专用线中采用充填注浆法对采空区进行治理[7]㊂以往研究没有形成统一的标准和完整的流程,其处理方案也大多为平面绕避和注浆充填㊂内蒙古鄂尔多斯市某铁路隧道位于中兴煤矿北部,区域内分布有已关停的小煤窑,通过现场调查走访㊁地质调绘㊁矿区煤层资料收集㊁物探及钻探验证等综合勘察手段,查明了采空区的分布㊂设计时采取了降低线位高程㊁立体绕避的方案㊂施工中采用加强超前支护㊁加强衬砌等措施,使隧道顺利从采空区下方安全通过㊂2　工程概况2.1　地层岩性某单洞双线铁路隧道位于鄂尔多斯市东胜区东南约30km 处,长1682m㊂地貌类型为低中山区,地面受流水侵蚀切割剧烈,沟谷纵横,植被稀疏,沟谷及山麓基岩大面积出露㊂隧址区表层为薄层第四系上更新统砂质黄土,下伏侏罗系下统砂岩㊁泥岩及煤㊂岩层产状近乎水平,倾角一般小于5°,倾向北北东㊂地下水为基岩裂隙水,主要靠大气降水补给,水量贫乏㊂2.2　采空区分布隧道位于中兴煤矿矿区北部,区域内分布有已关停的小煤窑㊂小煤窑无正规手续,管理混乱,无开采资料㊂根据现场调查,隧道里程DIK32+430~DIK32+560段地表塌陷,变形区域长约130m,裂缝断续相连,分布很不规则,裂缝长20~60m,宽2~160cm 不等,最大错台高差30cm,局部地段已塌陷,隧道上方地表变形区域见图1㊂图1　隧道上方地表变形区域2.3　煤层情况通过走访调查,小煤窑于20世纪90年代后期开始开采,采煤方法为房柱式,采空区顶板自然垮落,通风方式为自然通风,井下运输方式为三轮车从工作面运至地面储煤厂㊂至2005年被关闭前,小煤窑合计开采17万吨,回采率为40%㊂中兴矿区共有3层煤分布,煤层号分别为3号㊁4号㊁5号㊂小煤窑于2005年之前采用巷道开采第一层煤(3号煤层)㊂根据中兴煤矿储量报告中的3号煤层底板等高线(见图2),线路附近的3号煤层底板高程为1345~1355m,煤层平均厚度为1.89m [8]㊂地表变形区域内隧道洞身高程为1340~1350m,推测采空区的分布范围见图3㊂图2　3号煤层底板等高线(单位:m)　图3　推测采空区的分布范围3　采空区勘察3.1　物探、钻探布置(1)物探在分析已有资料的基础上,为查明采空区的范围,决定采用高密度电法进行勘探㊂高密度电阻率法结合了电测深法和电测剖面法的优势,具有分辨率高㊁干扰小等特点[9]㊂根据现场的地质条件和地形情况,沿中线两侧平行布设两条纵断面,测线跨越采空范围,测线长度均为320m;另外布设2条横断面,测线长度分别为280m 和230m㊂本次工作采用具有较高分辨力的斯伦贝格装置(5m 极距),向地下传入电流,通过测定电阻异常区来确定采空区的空间位置和规模㊂(2)钻探物探资料的解释具有多义性,其成果还需要钻孔资料进行验证㊂根据地形,沿线路两侧布置8个钻孔,钻孔间距20~50m 不等,其中地表变形区域和物探异常区内钻孔布设较密集,变形区域外钻孔间距较大㊂钻孔位于线路两侧9~30m 不等,深度均按进入最底层的5号煤层控制(根据中兴煤矿储量报告中‘5号煤层底板等高线图“,隧道位置5号煤的层底高程为1310m)㊂采空区勘察物探㊁钻探布置见图4㊂图4　物探㊁钻探布置3.2　物探成果岩土的电阻率除与成分有关以外,还与地质构造㊁地层结构㊁地下水等有关㊂场地为砂泥岩地层,孔隙小,产状平缓,基岩裂隙水不发育,无断层分布㊂正常地层电阻应较为稳定或呈水平状条带分布,如存在采空区,应显示为高阻异常;当采空区内积水时,地层孔隙饱和,应显示为低阻异常[10]㊂本次选取效果较好的北侧测线进行分析,该测线的视电阻率分布见图5㊂表层电阻率为20~60Ω㊃m,推断为覆盖层;电阻率60~100Ω㊃m 区域推断为基岩风化层;电阻率大于100Ω㊃m 区域推断为完整基岩㊂DIK32+440~DIK32+570段电阻率高于180Ω㊃m,且呈水平状分布,推测为煤矿采空区且内部无积水㊂高阻区中部DIK32+480~DIK32+510电阻率相对较低,推测为小煤窑内部的保安煤柱㊂综上所述,判断采空区里程为DIK32+440~DIK32+570,高程为1340~1360m㊂物探解译成果见图6㊂图5　视电阻率分布图6　物探解译成果示意　3.3　钻探验证成果(1)DIK32+430~DIK32+560范围外,地面至5号煤层底板之间钻进平稳,无明显漏浆及进尺过快等异常情况,岩层和煤层完整,均未见空洞㊂(2)DIK32+430~DIK32+560范围内,4个钻孔有3个发现空洞,钻进过程中,泥浆迅速流失㊂钻孔Z-5中见编织袋碎片,推测为采空㊂空洞高程分布在1351~1355m,高1.4~2.25m;推测未发现空洞的钻孔位于保安煤柱上㊂采空区下方4号㊁5号煤层完整㊂钻探成果统计见表1,采空区钻探岩芯见图7㊂表1　钻探成果统计编号里程/m空洞高程/m空洞高度/m 备注Z-1DIK32+377无无煤层完整Z-2DIK32+420无无煤层完整Z-3DIK32+4401352.1~1353.51.4漏浆掉钻,有坍塌岩块Z-4DIK32+483无无煤层完整Z-5DIK32+5201351.7~1353.51.8漏浆掉钻,见编制袋碎片Z-6DIK32+5431351.9~1354.152.25漏浆掉钻Z-7DIK32+570无无煤层完整Z-8DIK32+614无无煤层完整图7　Z-3孔10~15m 岩芯3.4　小结结合调绘资料㊁物探资料和物探资料综合分析,结果如下:(1)经过专项勘察后,认为采空范围为DIK32+430~DIK32+560㊂(2)通过物探及钻探验证,该矿区仅有3号煤层进行过开采,与调查结果一致㊂(3)通过物探及钻探,采空高程为1351~1355m,采空高度为1.4~2.25m,与煤矿储量报告基本相符㊂4　采空区处理4.1　立体绕避隧道地层为砂岩泥岩互层,产状平缓,层间结合较差,且泥岩具有弱膨胀性,遇水易崩解软化,施工时易产生塌方与变形㊂采空区底板位于隧道拱顶上方2~4m,隧道从采空区下方通过将破坏岩体中初始应力脆弱的平衡状态,施工时极可能产生大规模的塌方甚至坍塌至地表,危及拟建隧道的安全㊂对采空区进行加固处理也难以保证隧道围岩的稳定,无法消除采空区的危害㊂为减小采空区对隧道的影响,降低隧道的施工风险,在线路平面无法绕避的情况下,决定优化线路的纵断面设计,加大隧道顶板与采空区底部的安全距离㊂考虑到隧道所在地层以及工程的经济性,确定了12m的安全距离㊂最终采取调整线路坡度㊁降低线路设计高程的方法,将采空区底板与隧道拱顶的距离由2~4m增加到14~16m(隧道的埋深由15~23m增加到27~35m)㊂一方面增大了隧道的 埋深”,使其容易形成自然拱;另一方面在隧道的拱顶与采空区之间形成了缓冲地带,减小了采空区坍塌对隧道的冲击(见图8)㊂图8　线路纵向绕避采空区示意4.2　工程措施采空区DIK32+430~DIK32+560段采用Ⅴ级围岩复合式加强衬砌㊂拱顶采用准42的导管进行注浆,导管长度为4m,环向间距为0.5m,以10°~15°的外插角打入地层,纵向搭接长度不小于1m㊂初期支护采用Ⅰ18型钢拱架闭合支撑,间距为0.6m/榀,喷射混凝土30cm㊂二次衬砌采用45cm厚的钢筋砼结构[1214]㊂由于隧道穿越煤层,应对洞内实施24h不间断供风,并加强瓦斯及有害气体的监控监测㊂另一方面,应严格控制围岩变形,并加强洞内监控量测,做好地表沉降监测和超前地质预报[15]㊂5　结束语小煤窑开采无规划,历史较久,痕迹模糊,需要广泛收集区域地质资料和矿区资料进行深入研究,通过地质调绘分析采空区的分布,利用物探指导钻孔布置,提高钻探的有效性,节约勘察成本和时间;通过钻探来修改和完善物探资料的解释,通过物探和钻探的相互配合查明采空区的地质情况㊂对于小煤窑采空区,当加固处理难以消除危害时,铁路隧道应采取绕避原则,当平面难以绕避时,可考虑调整纵断面坡度实现立体绕避㊂采空区下方的隧道施工应缩短初期支护钢拱架的间距,根据实际变形情况调整预留变形量,以减小采空区对隧道的变形影响㊂必要时可对拱顶采取超前小导管注浆,以降低采空区岩体裂缝发育㊁岩体松动带来的塌方风险,并加强洞内和地表监测,以指导和优化施工㊂参考文献[1]　铁道第一勘察设计院.TB10012 2007铁路工程地质勘察规范[S].北京:中国铁道出版社,2007.[2]　中铁二院工程集团有限公司.TB10027 2012铁路工程不良地质勘察规程[S].北京:中国铁道出版社,2012.[3]　尹竹祥.大断面软岩隧道穿越采空区和矿区建筑物施工工艺研究[J].科技创新与应用,2014(2):194.[4]　李景山.小煤窑采空区工程地质勘察的几点认识[J].科技交流,2006(4):3033.[5]　孙金,万战胜,魏平,等.高速公路采空区勘察及稳定性分析与评价[J].西南公路,2015(5):1520.[6]　庞雪春.马鞍山隧道绕避采空区的线路方案比选[J]路基工程,2011(1):150152.[7]　霍世强,郑鲜峰.铁路专用线采空区处治探析[J].科技创新导报,2010(11):97.[8]　内蒙古自治区煤田地质局一一七队.中兴煤矿资源储量核实报告[R].鄂尔多斯:内蒙古自治区煤田地质局一一七队,2003. [9]　中铁第四勘察设计院集团有限公司.TB10013 2010铁路工程物理勘探规程[S].北京:中国铁道出版社,2010. [10]冉云.高密度直流电法在小窑勘察中的应用分析[J].山西交通科技,2016(10):810.[11]中国煤炭建设协会.GB51044 2014煤矿采空区岩土工程勘察规范[S].北京:中国计划出版社,2014.[12]王二磊,梁庆国,丁冬冬,等.新近系泥岩隧道初期支护受力特性研究[J].铁道标准设计,2017,61(6):120125. [13]高焱,朱永全,董宇苍.寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究[J].铁道标准设计,2017,61(2):9599.[14]肖明清.复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨[J].铁道工程学报,2018,35(1):8488.[15]王海涛,金慧,涂兵雄,等.砂土地层地铁盾构隧道施工对地层沉降影响的模型试验研究[J].中国铁道科学,2017,38(6):7078.。