铁路隧道小煤窑采空区勘察与处理
小煤窑采空区工程地质勘察的几点认识
．
７ ０ ｃ ｍ， 以半 卧 式 为 主 要 开 采 方 式 ， 无 方 向
松动层或基岩裂隙发育地段 ， 为确保铁路 运营的安全 ， 也应当按采空区处理．
２ ． ８ 物探成 果
该处采空为古煤窑采空 ， 古代开采无
规律 ， 随意性 大 ， 采 空 范 围难 以界 定 ， 加 之
年代久远 ， 坍塌严重． 综合钻探、 物探、 调查 访问及既有竣工 资料分析 ， 采空 区范 围沿 线路为 Ｃ Ｋ ３ ８ ３＋ １ ０ ０一Ｃ Ｋ ３ ８ ４ ４ － １ ３ ０ ， 采空 区埋深 ３ ０～ ４ ０ ｍ， 顶板高程 ９ ８ ０ ｍ， 底板高 程９ ７ ０ ｍ， 采 空 的煤 层 厚 度 为 Ｏ ． ３ Ｏ—Ｏ ． ５ ０ ｍ， 最大厚度 约 １ ｍ， 松动层 或基 岩裂隙 发育段落厚 ４ ． ０～ ８ ． ０ ｍ， 采空率约为 ３ Ｏ～
开采和废弃 的情况 ， 并反映在图上 ， 作为线 路 走 向方案 研究 的依 据．
２ ． ２ ． ３ 调绘 、 物探 、 钻探验证
（ １ ） 地质调绘 ： 首先逐个 落实小煤 窑 窑 ¨位置 ， 罚绘 在 ｉ ／ ２ ０ ０ ０的地 形 图上 ， 对
影响线 路 的 窑 口则 用 经 纬 仪 测 绘 ， 同时 对 控 制线 路方 案 的 的地 段 做进一 步 的补充 调
中更新统 风积砂 （ 黏） 质 黄土 （ Ｑ ” ） ， 基岩 为侏 罗 系中下统 砂 岩 夹 泥岩 （ Ｊ Ｓ ＊ ＋ Ｍ ｓ ） 及
小煤窑采空区的地质勘察与配合施工
一
空区范围沿线路为 Ｄ ２ ００一 Ｋ ８＋ １ ， Ｋ ８＋ １ Ｄ ２ ２０ 采空
区埋深 １ — ４ 顶板高程 ｌ ０ ｍ， ０ １ｍ， ４ 底板高程１ ０ ０ １ ０ ｍ， 采空 的煤层厚 度 约 １ ２～３ ７ 采空 率约 为 ． ． ｍ，
采空区范围 内煤矿 为赵 家梁煤矿 ， 是神木县 民营煤矿 ， 年计划开采煤炭总量为 ５ ０万 ｔ目前 ，
土（ ；）基底基岩为侏罗系中下统砂岩夹页岩 Ｑｌ ， ３
（ ） Ｊ 及煤层 （ ） 现将其工程地质特征分述 Ｊ ，
如下 ：
实际采煤量仅为 ３ 余万 ｔ ０ 。既有线在施工过程 中， 对 Ｋ ８＋ ３ ．３～Ｋ ８＋ ０ ．３ ２ ０７ １ ２ ２２ １ｍ段路基宽度 内 （ 左右各 ８ ） ｍ 进行 了灌浆或换填处理 ， 目前运营 良 好。既有线贯通后 ， 煤矿 的开采 范 围 自既有线左 侧向靠山侧进行开采 ， 没有 回采 现象。根据调查 访问， 该处采空为古煤窑采空 ， 为解放前 当地老乡 开采生活用煤。两个古 煤窑井 口分别 在 Ｄ ２ Ｋ ８＋
Ｏ 引 言
小型采空也称人为坑 洞， 是人们 为 了各种 目 的在地下挖掘后遗留下来 的洞穴。它一般是手工 或小型机械开挖 ， 采空范 围窄 ， 开采 深度 浅 ， 无规
律， 加之年代久远 ， 局部可 能已有坍塌 。目前井 ｌ Ｓ ｌ
均已坍塌封闭， 近二 、 三十年没有开采。
物探勘察 采用 高密度 电测深法 ， 根据高密度 电测深 曲线、 Ｄ Ｇ Ｓ曲线和高密度等视 电阻率曲线 图， 综合分析判释路基基底小煤窑采空区的情况。 查 明在 Ｄ ２ ０ ０一Ｄ ２ Ｋ ８＋ １ Ｋ ８＋００段及 Ｄ ２ ８ Ｋ ８＋１０ ９ Ｄ ２ ＋ １ 段右侧 １ｍ处 ， Ｋ ８ ２０ ０ 物探高密度 Ｇ Ｓ曲 Ｄ 线有异常 ， 根据调查及物探资料 ， 我们对有物探异
铁路隧道穿越采空区的处理措施探讨
铁路隧道穿越采空区的处理措施探讨采空区是隧道工程中常见的不良地质现象，具有隐蔽性强、空间分布无规律、难以预测等特点，对隧道的支护结构及后期运营均会带来严重的安全隐患。
本文以某新建铁路隧道穿越煤层采空区为例，分析了采空区对隧道的危害，并介绍了设计中对隧道穿越采空区时的处理原则和措施，为今后类似的工程设计提供了借鉴和参考。
标签：采空区;铁路隧道;危害;处理原则;处理措施1 引言近年来，随着我国经济的快速发展，对交通运输的需求越来越高，铁路也发挥着越来越重要的作用，大量铁路隧道不断兴建。
虽然在勘查设计中根据铁路隧道相关规范要求应尽量避开采空区等不良地质段[1]，但因选线需要，隧道工程往往难以绕避部分采空区，这对施工及后期运营都将产生不利影响。
因此，在勘察设计时应尽可能对采空区进行全面调查和勘探，充分掌握其几何形态、分布特征、规模大小等情况，在此基础上对采空区和隧道结构采取合理有效的工程措施，以确保隧道结构的稳定性及运营时的安全畅通[2]。
2 工程概况隧道全长718m，为双线合修隧道，设计时速250km/h，最大埋深约100m。
隧区属于低山丘陵区，隧址段属于峰林和缓丘地貌，地面标高1284m～1409m，相对高差约20～130m，地形起伏较大，缓坡地带多为旱地及荒坡，自然坡度20～45°，隧道进口斜坡较陡，基岩裸露，出口斜坡较缓，覆盖层较厚，零星基岩出露。
隧址区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.25s。
本隧出口段为含煤地层，据调查有小煤窑开采，开采方式以人工挖掘为主，小煤洞规模较小，开采不深，井口一般宽1～1.5m，高1～1.5m，深20～30m，未形成大规模的采空区。
小煤窑现已停采，停采原因不明。
另据高密度电法物探揭示，隧道出口段DK27+770～+855共有3处存在低阻异常的小煤窑采空巷道对隧道有影响。
3 采空区对隧道的危害采空区对隧道工程的危害主要表现在以下几个方面：3.1 施工期间支护结构变形失稳由于采空区存在冒落带、裂隙带和弯沉带，因而当线路附近采空区受到隧道开挖扰动时，将会造成采空区产生不均匀沉降，甚至导致采空区底板或顶板塌落，进而使得支护结构所承受的荷载增大，造成支护结构变形失稳，严重时隧道将发生塌方破坏，威胁施工安全[3]。
关于煤矿采空区勘察及处理
关于煤矿采空区勘察及处理摘要：本文对关于煤矿采空区勘察及处理的问题进行了探讨，文章从阐述小型煤矿采空区特征入手，进一步介绍了几种常见的煤矿采空区勘察方法，并且分析了采空区勘察方法的初选及验证要点，最后研究了煤矿采空区的处理方法。
关键词：煤矿采空区；特征；勘察方法；初选及验证要点；处理方法前言煤炭作为我国重要的基础能源，一直以来都受到高度重视，而煤炭的开采、生产、供应环节更是形成了一条庞大的产业链，衍生出了一系列的工业、商业企业单位。
煤炭的开采是非常重要的一个环节，在开采过程中，会对周边地区的环境形成巨大的影响，采空区就是煤矿开采之后所预留的空洞，它需要得到相关单位的重视，运用专业方法对其进行适当的勘察和处理。
1 小型煤矿采空区特征煤矿采空区通常指的是在煤矿施工阶段，对地下煤炭或煤矸石等物质开采结束后所残留的空洞或空腔。
一般情况下，对煤矿进行开采后所留下的采空区在布局上会体现明显特点。
比如因为采煤作业往往历时长久历史悠久，许多采煤活动往往会延续几十年不停止；采空区的埋藏往往相对较浅，加上其分布地带的连续性不强，伴随着采煤随意性的问题，使得采空区也带有随意性特征。
而煤层的深度浅，分布断断续续，采煤规律性不强，就使得大规模的煤矿开采比较困难。
此外，如果工作人员对采空区资料的采集不够全面；现在的地表房屋房龄存在巨大差别，老房龄险房集中度高，地表沉降及地面塌陷调查工作也面临诸多挑战。
2 煤矿采空区勘察方法2.1高密度电法这种方法又被称作高密度电阻率法，它将岩、土在导电性上的差别作为前提，对人工施加稳定电流场后的地下传导电流分布状况进行更深入的分析，它采用的是电探方式的理念，矿区典型剖面如下图所示。
在目前，对采空区进行勘察的过程中，高密度电法是运用最为广泛的一种方法，能借此获取到相对精确的数据，在分布广的较大型采空区中运用频率最高，但对比较小型的煤矿和因滥采煤矿而留下的采空区而言，特别是高压电线分布密集的采空区，勘探线的布局往往不够连续，因此达不到理想的精度。
小煤窖采空区等勘察方法
小煤窑采空区、滑坡、岩溶、煤层瓦斯在工程地质勘察中的基本做法一、 小煤窑采空区的工程地质勘测（一） 访问1、 开采矿层的位置、分布、延伸2、 开采和运输的方法3、 开采矿层的厚度、开采深度、延伸长度、延伸方向、水平、倾斜等4、 开采和停采年限5、 开采坑道的形状、断面尺寸、衬砌情况、塌落支撑及回填情况。
6、 开采地下水和水量，排泄情况7、 开采照明，通风情况8、 有无瓦斯溢出，有害气体，爆炸情况（二） 以小煤窑的开采特征指导测绘1、多为常在沟谷以上部位，贴近岩层的水平巷道开采2、一般为手工开采，沿煤层方向掘进，采空范围窄小，开采深度浅，多在50m 深度以内，平面延伸100~200m 。
以巷道采掘为主，向两边开挖支巷道，一般分布无规律或呈网格状，巷道的高、宽一般为2~3m ，大多不支撑或用临时支撑，任其自由垮落。
3、掌握小煤窑垮塌的地表变形特征1）由于开采深度浅，顶板又系任其垮落，故地表变形剧烈，大多产生较大的裂缝和陷坑。
2）地表裂缝常与开采工作面的前进方向平行。
3）洞口有弃碴堆积层。
（三） 测绘1、坑洞的分布位置，断面大小延展方向及其相应的地表位置2、因采空影响而产生的陷坑，裂缝的位置、形状，大小深度，延伸方向及其与采空区和地质构造的关系3、有害气体及地下水的排泄情况4、环境工程对采空区的影响。
（四） 勘探根据访问、测绘、布置物探及钻探工作1、以小煤窑坑洞轴线为依据、布置电测深或震法，确定坑洞的确切位置及形态。
2、在可疑范围内布置印证钻孔。
（五） 小煤窑采空区的稳定性评价即坑洞埋多深可不处理1、坑洞的临界深度---作用在采空段顶板上的压力等于0时的深度。
H 0=)245(tan 2)245(tan tan 42022ϕϕϕ--++︒︒r BrP r B BrB ----巷道宽度r ----上覆岩层的重度P----建筑物基底的单位压力Φ ----巷道围岩的内摩擦角2、地基稳定性判别（顶板稳定性计算）当坑洞埋深H<H时，地基不稳定当坑洞埋深H0<H<1.5H时，地基稳定性差当坑洞埋深H>1.5H时，地基稳定3、顶板厚度的经验数据1）巷道埋深20m（其中岩层厚5~10m）以内时，一般易产生突然塌陷。
浅论公路隧道煤矿采空区的处治方法
浅论公路隧道煤矿采空区的处治方法摘要针对某隧道工程及煤层采空区工程地质的特点,探讨隧道工程在煤层采空区地段的治理方法,并在此基础上,提出适合于隧道工程在煤层采空区地段治理的方法与对策。
关键词隧道;采空区;治理方法近年来,随着国家经济的快速发展,我国开始大规模兴建高等级公路。
然而,在煤炭资源被地下开采后,所留下的采空区对高速公路的修建和运营产生了严重的影响。
采空区的存在常常在地表形成沉降盆地并产生裂隙和陷坑,由于这是一个逐步发展的过程,可能会对高速公路的路基路面产生不可忽视的潜在危害。
因此,为保证高速公路施工及运营期的安全可靠,采空塌陷区的探测、危害性评价及治理工作势在必行。
1工程概况贵州省镇胜高速公路工程龙井隧道位于贵州省安顺市,为分离式隧道,设计为双向四车道,单洞净宽11m,净高5.0m。
该隧道是镇胜高速公路工程重点控制工程之一。
该隧道受区域性地质构造影响,隧址区断裂构造较为发育,主要以北东向、东西向断裂为主。
隧道位于当地侵蚀基准面上,地表水总体较贫乏,洞顶多为弱、微风化岩,富水性、透水性较差,未见规模较大、透水性较好的断裂发育,隧道开挖不易发生突水现象。
该隧道地处煤系地层,穿越黄草斜煤矿,煤层通过区围岩级别为Ⅵ级。
根据区域资料,本区煤系地层为低瓦斯区,但存在煤层,可能存在瓦斯的局部富集。
2采空区情况根据隧道路线与黄草斜煤矿线路复合勘测结果,发现在隧道左线ZK187+660处有一采空区,采空区为直径3m平硐,长约50-80m,采空区穿越隧道洞轴线,前端贴近隧道边缘与隧道近乎平行跟进,后端与隧道轴线呈50-60°斜交。
该采空区形成时间较长,没有任何支护措施,部分段已经坍塌,加之与未穿越段与隧道间距太近,更重要的是采空区顶位于隧道洞定上方,这就形成了长达数十米的危险段,给施工带来极大不利影响。
采空区有以下特点:2.1隧道地质条件差龙井隧道以Ⅴ级围岩为主,并穿越煤层,围岩无自稳能力,地下水非常集中,开挖时易发生坍塌。
煤层小窑采空区岩土工程勘察报告
煤层小窑采空区岩土工程勘察报告一、概述煤层小窑采空区，听起来就有点让人头疼。
说白了，这就是那种因为挖煤或者开采其他资源，地下留下的空洞或者塌陷区。
这个地方看起来很安静，甚至还能长点小草，种些花，真是个让人不小心就掉进去的“美丽陷阱”。
可是，大家都知道，底下的世界可不那么简单。
很多时候你会发现，原来你踩的土地下面空空的，啥也没有，这就特别危险。
像这种地方，得好好检查，搞清楚它的土质、结构，甚至水文条件，否则真的是一不小心，危险就来了。
这份勘察报告呢，正是要搞清楚这些潜藏的隐患。
别看它是一个“简单”的勘察，其实没那么简单。
得从各个角度考虑问题。
比如土壤的承载力，水文的流动情况，地表是否沉降等等。
所有这些都直接影响到我们在这片区域的建筑、施工甚至是日常生活。
咱们就来一起聊聊，勘察的具体内容是什么。
二、勘察的主要内容1.地质构造分析你要知道，这个小窑采空区，可不是随随便便就形成的。
底下可有一套自己的“故事”。
采矿的时候，地下的煤层被挖空了，造成了地面塌陷或者变形。
所以，要搞清楚这个地方的地质结构，首先得知道哪些地方是煤层，哪些地方是空洞，哪些地方是坚硬的岩石。
这是最基础的，得摸清楚情况。
就像是先给大家画个地图，让你知道走哪条路最安全，不然一不小心就掉进坑里去。
2.土壤力学试验这也是重点。
说到土壤承载力，简单来说，就是看看这里的土能不能承受住一些建筑或者重物。
咱们要做试验，测一测这片土壤是不是牢固。
土壤也有脾气，有的地方硬得像石头，有的地方松松垮垮，轻轻一踩就沉下去。
得根据这些数据来评估这里是否适合建房子、建桥梁之类的重型结构。
如果土壤不行，咱们就得考虑做加固或者换其他地方了。
就像你想在沙滩上建个城堡，没点技巧的话，根本没法稳住。
3.地下水位及水文分析千万别忽视水文问题！地下水可不是随随便便能控制的。
水从哪里来，流向哪里，地下水位的高低，都会直接影响到地下的稳定性。
比如说，如果水位过高，那就很容易引发地面塌陷，甚至是泥石流。
采空区的勘察设计与治理技术
按采空区残余沉降量大小将采空区划分为三个区：
（1）稳定区 （2）基本稳定区 （3）不稳定区
根据工程性质的不同，分区参数亦不同，取值时应按具体工程性 质的要求而定。
稳定性评价（以铁路工程为例）
（1）.下列地段不宜做为建筑场地 ①在开采过程中可能出现非连续变形地段（地表产生台阶、裂缝、塌陷 坑等）。 H /m＜25～30 （H /m为采深采厚比，以下同）或H /m＞25～30，但地表覆
⑥地表倾斜大于10mm/m、地表水平变形大于6mm/m，或地表曲率大于 0.6mm/m2 的地段。
（2）下列地段作为建筑场地时，其适应性应专门研究。 ①采空区采深采厚比H/m<30 的地段。
②采深小（H 小于50m 地段），上覆岩层极坚硬，并采用非正规
开采方法的采空地段。
③地表倾斜为3～10mm/m，地表曲率为0.2～0.6mm/m2 或地 表水平变形为2～6mm 的地段。
剩余空洞体积估算方法为：
截止目前剩余采空区的体积（V）： V=Va－ΔV
式中：Va为采空区总体积，其值为：Va=S×M×K 式中：S为采空塌陷区面积，M为煤层厚度，K为煤层采取率。ΔV为
截止目前已经沉降变形的冒落岩石碎胀所充填体积。
采空区处理一般工程措施建议
（6）有害气体的类型，分布特征，压力及危害程度。
4、 勘察与测试 （1）综合物探。
采用电法、地震、地质雷达，必要时进行综合测井等综合 物探手段，其方法可参考下表。
采空区物探测线布置应根据：线路纵、横断面方向，并结合 工程性质，采空区的埋深、延伸方向进行布置，以查明采空区的 范围、埋深、采空区的空间大小、上覆岩、土层厚度。
采空区稳定性分析评价方法
稳定性分析评价主要是通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空 洞的稳定性、地表破坏范围等来进行。 矿山开采沉陷的预计理论及方法较多，主要有： (1)基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、 典型曲线法等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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.。