西北某铁路隧道采空区地质选线勘察.pdf

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西北某铁路隧道采空区地质选线勘察1 西北某铁路隧道采空区地质选线勘察2 西北某铁路隧道采空区地质选线勘察3 西北某铁路隧道采空区地质选线勘察4 西北某铁路隧道采空区地质选线勘察5
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·地质勘察·收稿日期:20160725基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科研开发计划项目(Y2012005)西北某铁路隧道采空区地质选线勘察孙鹏(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要在铁路地质选线工作中,采空区选线一直以来是一个重要研究内容。在西北某煤矿专用线铁路采空区地质选线工作中,我们运用资料收集、地质调绘、物探、钻探等综合勘察方法,查明了选线工作中控制性工点D1K33+160隧道的采空区分布范围、特征等,并对穿越采空区的控制性因素安全煤柱宽度和安全顶板厚度进行了分析确定,指导了采空区线路选线和优化工作。关键词采空区铁路隧道地质选线中图分类号U452.1+3文献标识码A文章编号10094539(2016)11002905GeologicalLineSelectionofaRailwayTunnelinGoafofNorthwestRegionSunPeng(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)AbstractIthasbeenanimportantresearchcontent⁃⁃forthelocationofminedoutareaintherailwaygeologicallineselection.Inthegeologicallineselectionofaspecialrailwaylineforcoalmineingoafofnorthwestregion,somecomprehensivesurveymethodssuchasdatacollection,geologicalsurveyingandcompiling,geophysical⁃prospectinganddrillingwereappliedtoidentifythegoafdistributionrange,characteristicsofD1K33+160tunnelinthecontrolledengineering.⁃Inaddition,thekeyfactorsofsafecoalpillarwidthandthicknessof⁃theroofinminedoutareawereanalyzedanddetermined.Itcouldguidethelineselectionandoptimizationingoaf.Keywordsgoaf;railwaytunnel;geologicallineselection在铁路地质选线中,采空区地质选线是一个重要研究内容,特别在煤矿铁路专用线勘察设计时,这个问题尤为突出。在对我国西北地区某运煤专用线穿越煤矿采空区段落进行勘察设计时,我们首先应运用综合勘察手段查明采空区的分布情况[1],再评价采空区的稳定性及对隧道工点的影响,提出立体选线的理念,确定了线路以隧道形式通过采空区的方案。1工程概况该铁路运煤专用线位于内蒙古自治区西南部鄂尔多斯市境内,为当地铁路煤炭物流通道中重要的一段,设计线路全长128.102km。线路所经地区主要为低中山区,地层、岩性多变,水文地质条件复杂,发育有采空区、滑坡、风沙、湿陷性黄土的地质问题;其中线路DK0~DK40段煤矿分布众多,沿线开采煤矿形成的采空区是地质选线勘察的重点、难点[2]。在设计过程中,经过充分研究当地煤矿、采空区分布情况,以及深入的经济效益比选后,初步确定了绕矿方案和穿矿方案,绕矿方案线路较长,且不符合当地的规划要求,但穿矿方案中,D1K33+160隧道穿越煤矿之间的保安煤柱,距最近煤矿采空边界仅38m。勘察期间我们对D1K33+160隧道进行了专项勘察、采空区稳定性评价、铁路隧道穿越采空区控制因素分析等地质选线工作[3],为线路方案的设计优化提供了依据。92铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·2隧道采空区专项勘察为完成D1K33+160隧道重点工程穿越采空区地质选线的勘察设计需求,确保铁路运行安全,我们于2010年4月至6月、2010年8月至10月、2011年4月至5月开展了煤矿采空区地质选线的专题勘察。勘察过程中采用资料收集、工程地质调绘、物探、岩土测试、水文地质、工程测量等相结合的综合勘察方法[4],共完成∶12000工程地质及水文地质测绘工作3km2;钻孔总数36个,总进尺2494.2m,取岩样10组,水质分析样品2组;高密度电法测线2530点/12625m,电测深97点,地震波CT15对。专项综合勘察工作流程如图1所示。图1D1K33+160隧道综合勘察工作流程2.1资料收集及应用在内蒙古国土资源厅、鄂尔多斯国土局、线路沿线煤矿等单位收集了大量相关资料,包括∶120万区域地质、水文地质调查报告、区域地质及区域水文地质图∶、15万区域地质图及报告。我们在勘察工作准备期间及勘察过程中充分收集了测区煤矿采空区井上井下对照图、煤层等高线图及瓦斯地质资料[5],对本隧道的采空区地质勘察工作有重要参考价值。2.2工程地质调绘地质组对隧道及采空区通过地段进行了1/2000、1/500平面图的工程地质调绘。结合访问,工程地质调绘工作初步查明了隧址区的工程地质条件和水文地质条件。对隧址区的含煤地层、煤矿采空区等不良地质体范围进行了调查,并进入了矿井下核实采空区分布范围。其中,采空区处断面图由测量人员和地质人员协同绘制,实测岩层分界线,逐段填绘工程地质、水文地质界线[6]。2.3钻探勘察中投入多台—XY180型—、XY150型—、XY300型钻机承担D1K33+160隧道采空区的钻探工作。钻探按《铁路工程地质钻探规程》要求进行。2.4物探本次专项勘察采用了综合物探方法,包括电测深、高密度电法、瞬变电磁法、孔间CT法等[7],通过上述方法先初步确定采空区异常部位,再对部位进行钻探工作,运用孔间CT法定位采空区具体分布位置;期间均采用了两种或以上的物探方法互相验证、互相补充,提高物探解译精度。本次物探工作的野外数据采集、资料整理和解释严格按照《铁路工程物理勘探规程》的要求进行。2.5其他方法专项勘察期间,我们进行了含煤地层有害气体测定和评价、岩土测试、水文地质调查、水文地质实验、工程测量等工作[8]。专项地质各项工作内容、精度和资料整编均符合相关技术规范、规程的要求,质量良好,满足勘察技术要求和施工图设计需要,达到了预期目的。3隧道与煤矿采空区的关系本次隧道地质选线工作,根据查明的隧道与采空区的位置关系,进行采空区安全煤柱宽度分析、计算下穿采空区安全顶板厚度,确定隧道穿越煤矿采空区的控制要素,指导线路方案的选择。D1K33+160隧道与沿线煤矿、采空区边界位置关系如图2所示。图2D1K33+160隧道与沿线煤矿、采空区边界位置示意图3.1A煤矿采空区A煤矿与线路关系如图3所示,线路经过范围于2005年之前采用巷道方式开采,后因某种原因停采,所采煤层为3#煤层,煤层底板标高1361~1362m,03铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·煤层平均层厚约4~5m。经测绘和调查,A煤矿采空区沉陷影响主要表现为地面裂缝,基本分布在D1K32+380~D1K32+460,主要裂缝有2组。根据勘察成果:采空区分布在D1K32+340~D1K32+710段,采空标高底板为1361~1362m,开采厚度约3m。图3A煤矿采空区边界、地面裂缝与线路位置示意图3.2B煤矿采空区B煤矿与线路关系如图4所示,该矿所采煤层为5#煤层,采煤方式为综采。经测绘和调查,B煤矿采空区在地表的主要破坏形式为地面裂缝,基本分布在D1K33+920~D1K34+080右侧70~1100m范围内,主要裂缝共5组。根据综合勘察成果:采空区分布在D1K33+900~D1K34+770段右侧50m以外,该处采空区分布在1310~1320m,高度约2~4m。图4B煤矿采空区边界、地面裂缝与线路位置示意图3.3C煤矿采空区C煤矿与线路关系如图5所示,该煤矿位于线路左侧43~265m范围,该矿所采煤层为2#、4#煤层;经测绘和调查,其采空区在地表的主要破坏形式为地面裂缝,基本分布在D1K33+800~D1K34+350,主要裂缝共3组。根据综合勘察成果沿线路方向在D1K32+800~D1K34+350段左侧43~265m外为采空区范围,其中D1K32+800~D1K33+750段采空底板标高约1362~1374m,厚度约3m,D1K33+750~D1K34+350段采空底板标高为1310~1330m,厚约3m,采空区地面均出现变形裂缝。图5C煤矿采空区边界、地面裂缝与线路位置示意图4铁路隧道穿越采空区的控制因素分析本次隧道地质选线工作,根据查明的隧道与采空区的位置关系,进行采空区安全煤柱宽度分析、计算下穿采空区安全顶板厚度,确定隧道穿越煤矿采空区的控制要素,指导线路方案的选择。4.1保安煤柱计算通过调查、物探、钻探等,煤矿采空区基本同采矿权登记面积相同。根据调查、煤矿矿产详查报告等资料,该区域煤层倾角较小,约3~7°,勘测期间实测岩层倾向为N60°W/6°S,根据《铁路工程地质手册》中大面积采空区的地表移动变形预测一章中,关于移动盆地边界预测的走向边界角的公式计算:δ0=δ-15°(其中δ为基岩移动角)按照手册要求,侏罗系砂岩夹泥岩地层走向移动角取72°。根据本次勘察查明的采空区分布情况及隧道范围内的工程地质条件等[9],隧道D1K32+240~D1K33+110段A煤矿采空区位于隧道上方,对隧道顶板稳定性有一定影响,控制该段线路方案选择;隧道D1K34+300~350段左侧C煤矿采空区距离隧道最近处近44~50m,采空标高1310m,对隧道工程有影响;隧道右侧B煤矿巷道距隧道水平距离约83m,对隧道影响较小。D1K33+160隧道沿线各煤矿主要煤层保安煤柱宽度分析如下所述。4.1.1A煤矿(D1K32+240~D1K33+110)段采空区保安煤柱3#煤层:煤层底板高程为1361~1378m,煤层厚度约2m,该层煤已开采,采空区位于隧道洞顶上方,线路所经分为采空区底板高程1361~1363m,对隧13铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·道顶板围岩稳定性有一定影响,应注意控制采空区底板与隧道顶板之间的距离。计算示意图见图6。图6DK32+450处A煤矿采空区移动盆地计算示意图4.1.2B煤矿、C煤矿(D1K33+110~D2K34+770)段保安煤柱3#煤层:煤层底板高程为1380~1393m,煤层厚约3m,该层煤层已经开采,采空边界距离线路最近处位于隧道路肩上方35m左侧44m,对隧道影响较小。5#煤层:煤层底板高程为1310~1335.51m,煤层厚约3.1m,线路所经范围煤层底板标高为1310m,该层煤已经开采,采空边界距离线路最近处为隧道设计路肩面以下35m左侧44m,保安煤柱范围左侧51m,右侧55m。图7隧道下穿采空区安全顶板厚度分析模型4.2隧道下穿采空区安全顶板厚度确定方法采空区底板的破坏深度是确定下穿隧道合理安全顶板厚度的重要因素,采空区底板破坏与采空区垮落后支撑压力、采空区开挖后底板应力分布有关[10]。煤矿开采后采空区底板围岩破坏与下穿采空区隧道围岩破坏相互影响,围岩破坏区之间几何关系如图7所示。由图7所示围岩破坏区几何关系分析,隧道下穿采空区安全顶板厚度H可按下式确定:H≥D+s+(R-r)式中,D为采空区底板破坏深度;s为原岩保护层厚度;R为隧道中心至拱顶破裂区范围;r为隧道半径。由式中可知,隧道下穿采空区安全顶板厚度与采空区底板破坏区深度、隧道围岩松动与破坏区范围、原岩破坏层厚度相关,这三个参数是确定安全顶板厚度的基本依据。4.2.1采空区底板破坏深度采空区下底板围岩破坏深度可通过弹性理论进行分析,采空区底板最大破坏深度可按下式求解:D=L·cosφ2·cos(π/4+φ/2)·e(π4+φ2)·tanφ式中,L为煤体区服区宽度,按经验取L=0.015Hc,Hc为煤层底板埋深;φ为底板岩层内摩擦角。4.2.2原岩保护层厚度原岩保护层是采空区底板破坏区与隧道拱部破坏区之间的预留安全岩层[11]。顶水采煤相关研究给出了确定该层厚度的经验公式:s=1.5h1/f+c式中,s为原岩保护层厚度;h1为坑道宽度;f为岩石坚固系数;c为岩层强风化带厚度。4.2.3采空区下隧道围岩应力的弹塑性分析采空区下隧道开挖应力重分布后,围岩稳定处于弹性状态时成为弹性应力场。当隧道距离地面埋深较大、围岩应力较大或围岩的强度偏小时,隧道围岩的强度条件小于或等于围岩的应力分布时,围岩会从弹性应力状态转换为塑性应力状态。径向应力:σre=p(1-R2r2)+(p1+ccotφ)(Ra)2sinφ1-sinφ-ccotφéëêêùûúúR2r2切向应力:σte=p(1+R2r2)-(p1+ccotφ)(Ra)2sinφ1-sinφ-ccotφéëêêùûúúR2r2塑性区的应力:径向应力:σrp=(p1+ccotφ)(r/a)2sinφ1-sinφ-ccotφ切向应力:σtp=(p1+ccotφ)1+sinφ1-sinφ(ra)2sinφ1-sinφ-ccotφ塑性区半径:R=a(p+ccotφ)(1-sinφ)p1+ccotφéëêêùûúú2sinφ1-sinφ式中,p为原岩应力;p1为支护反力;r为所求应力处23铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·的半径;R为塑性区半径;φ为内摩擦角;c为黏聚力。4.2.4隧道拱顶围岩破裂区隧道拱顶围岩破裂区在工程实践中,常采用普氏压力拱法进行预估。隧道拱顶上部岩体塌落的高度,可按下式计算:Ht=[B2+htan(45°-φ2)]/f式中,Ht为隧道塌落拱高度;B为隧道宽度;h为隧道高度;φ为内摩擦角;f为岩石坚固系数。采用前文介绍的基于多因素的理论分析方法,确定D1K33+160隧道下穿采空区安全顶板厚度。计算时,煤层底板埋深30m,坑道宽度3m,采空区底板岩层内摩擦角32°,岩石坚固系数1.0,隧道宽度为11.8m,隧道净高10.5m。按多因素理论分析方法求得的采空区底板岩层最大破坏深度为1.14m,隧道塌落拱高度11.72m,原岩保护层厚度2.6m,得出安全顶板最小厚度15.46m。4.3立体选线理念隧道与其下方采空区边界底板的水平距离称为隧道上跨采空区保安煤柱;隧道顶部距上方采空区底板岩层厚度表示了下穿隧道与采空区的竖向位置关系,又称为隧道下穿采空区安全顶板厚度。D1K33+160隧道穿越矿区段选线时,通过线路优化规避B煤矿、C煤矿采空区的影响,降低了部分隧道穿越采空区的工程风险,但在部分段落须下穿A煤矿采空区,通过降低铁路标高得以增大下穿采空区时安全顶板厚度,施工风险降低[12]。因此,隧道穿越采空区设计方案应从投资、施工风险、工期等方面进行比选,而保安煤柱宽度、安全顶板厚度的确定是整个设计的关键,成为控制隧道投资、施工风险、工期的决定性因素。5结束语(1)D1K33+160隧道运用资料收集分析、地质调绘、物探、钻探等综合勘察手段查明了采空区的分布范围、特征等,为线路方案选线设计提供了有力依据。(2)D1K33+160隧道在地质选线过程中,分析线路平面绕避安全煤柱设计宽度、下穿采空区安全顶板厚度等控制性因素,采用立体选线的思路,为线路穿越煤矿采空区段落提供了准确、合理的指导。(3)设计专业通过采空区地质选线勘察的成果,对线路方案和隧道防护措施进行了优化。现D1K33+160隧道已经建成,并通车两年,未出现工程地质病害问题。参考文献[1]李鹏.隧道穿越采空区施工技术研究[J].桥隧施工与机械,2013(10):86.[2]孙鹏.某在建铁路工程滑坡成因分析与工程治理浅析[J].科技创新与应用,2012(33):202.[3]刘士春.永固煤矿采场底板破坏深度及防突水技术研究[J].煤炭技术,2008(1):78.[4]TB10012-2007铁路工程地质勘察规范[S].[5]曹祥.山西中南部铁路通道吕梁山越岭段方案研究[J].铁路标准设计,2014(2):8.[6]杜宇本.成兰铁路主要地质灾害与地质选线[J].铁道工程学报,2012(8):11.[7]周革.采空区铁路工程地质选线[J].铁路勘察,2012(38):41.[8]孙宝忠.包西铁路毛乌素沙地大面积煤矿采空区地质选线研究[J].铁路标准设计,2014(6):1.[9]白雪源.高频大地电磁法在云雾山隧道勘察中的应用[J].铁道建筑技术,2013(8):35.[10]苗庆库.弹性波CT在岩溶勘察中的应用[J].铁道建筑技术,2008(S1):535.[11]覃羡安.常家山隧道穿越煤系地层及采空区段的施工过程数值模拟研究[D].西安:西安科技大学,2005.[12]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,1999:577-578.(上接第4页)[12]孙宝忠,李光伟,吴为禄.三维影像遥感技术在滇藏线预可行性研究中的应用[J].铁道工程学报,2002(3):7-9.[13]冯光胜.三维遥感技术在十宜铁路地质选线中的应用[J].地理空间信息,2010,8(2):96-99.[14]高山.三维遥感可视化技术在高盖山隧道工程地质调查中的应用研究[J].铁道勘察,2007,33(6):50-54.[15]高文峰,甘俊,王长进.DInSAR沉降监测技术在铁路勘察设计中的应用[J].遥感信息,2015,30(5):83-87.[16]谭衢霖,魏庆朝,杨松林,等.铁路工程地质遥感雷达图像应用分析[J].铁道工程学报,2009(1):17-22.33铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据
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