周 魯

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 3 00133)

0 引言

《中長期鐵路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃方案》(2008年)提出，2020年我國鐵路網(wǎng)營業(yè)里程12萬km以上，計劃新建鐵路4．1萬km，強化煤炭運輸通道。據(jù)此，我國將大規(guī)模發(fā)展煤炭外輸?shù)呢涍\鐵路，其中過煤層采空區(qū)的選線關(guān)鍵技術(shù)將成為今后重點研究的方向。

我國在鐵路過煤礦地區(qū)設(shè)計、施工方面總結(jié)了不少經(jīng)驗，主要有鐵路壓煤保護(hù)煤柱設(shè)計［1-3］、過采空區(qū)隧道施工技術(shù)［4-6］、穿煤層隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究［7-10］以及隧道下采煤技術(shù)［11］等。根據(jù)經(jīng)驗，隧道穿煤層采空區(qū)短距離可行［12］，但在大規(guī)模的煤礦區(qū)域，隧道穿煤層采空區(qū)風(fēng)險極高，且不可控［13］。近年來，在新線設(shè)計中逐漸采用隧道方案下穿煤層采空區(qū)，但工程經(jīng)驗非常少，特別是煤層采空區(qū)與水源地保護(hù)區(qū)雙控的情況，國內(nèi)尚沒有經(jīng)驗。

本文以山西中南部鐵路過霍州煤田及龍子祠泉域保護(hù)區(qū)的越嶺方案為例，總結(jié)在煤層采空區(qū)與水源地保護(hù)區(qū)雙控條件下的隧道選線關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程方案概述

山西中南部鐵路是國家規(guī)劃的某大能力運煤通道項目。按國鐵Ⅰ級，軸質(zhì)量30 t設(shè)計，牽引質(zhì)量1萬t。

1．1 主要控制性因素

研究段落為呂梁山脈越嶺地段，由蒲縣喬家灣鎮(zhèn)昕水河河谷(海拔1 220 m)至洪洞汾河河谷(海拔440 m)，直線距離僅30 km，高差達(dá)780 m。地形十分復(fù)雜，越嶺工程成為影響本段線路走向的重要因素之一。

本段有隰縣、蒲縣和洪洞3縣，處于霍州煤田國家規(guī)劃礦區(qū)及鄉(xiāng)寧煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)，煤炭埋藏深度為900～1 100 m。其中北起克城經(jīng)喬家灣、黑龍關(guān)至鄉(xiāng)寧縣長約100多km、寬20多km范圍內(nèi)煤炭開采已達(dá)到一定規(guī)模，采空區(qū)分布較廣且多無詳細(xì)統(tǒng)計資料，本段規(guī)劃礦區(qū)和采空區(qū)是影響本段線路走向的又一重要因素。

本段范圍內(nèi)還有龍子祠泉域保護(hù)區(qū)以及五鹿山國家級自然保護(hù)區(qū)。龍子祠泉域位于臨汾市西南13 km的西山山前，保護(hù)區(qū)面積達(dá)2 250 km2;五鹿山國家級自然保護(hù)區(qū)位于蒲縣北側(cè)20 km，面積100 km2，為國家級保護(hù)區(qū)。

1．2 方案情況

1．2．1 繞避煤層采空區(qū)及過煤層采空區(qū)論證

可行性研究階段研究了繞避煤層采空區(qū)，經(jīng)佃坪方案以及過煤層采空區(qū)，經(jīng)蒲縣方案。

佃坪方案自隰縣站向東，經(jīng)東川河至黃土，以23．9 km長隧道越嶺至佃坪設(shè)站，出站后向南至岸溝，設(shè)回頭曲線折向北，順地勢展線后引入洪洞地區(qū)。該方案的優(yōu)點是避讓煤層采空區(qū)，于龍子祠泉域保護(hù)區(qū)邊緣穿過，但舍棄了本區(qū)段最大的經(jīng)濟(jì)控制點蒲縣，另外線路約6．55 km下穿五鹿山自然保護(hù)區(qū)，線路較蒲縣方案展長17．3 km，橋隧工程增加10．6 km，工程投資增加約11．7億，運營費增加0．38億。綜上分析，繞避方案研究價值不大。

蒲縣方案自隰縣起沿東川河河谷向南，再沿昕水河河谷向東，經(jīng)蒲縣設(shè)站后越嶺，于南溝村和張家莊設(shè)站引入洪洞地區(qū)。該方案線位平直，線路長度短，工程造價及運營費相對較低，而且兼顧蒲縣煤炭集散，作為推薦貫通方案。

1．2．2 過煤層采空區(qū)的研究思路

本段線路經(jīng)蒲縣到洪洞，經(jīng)行霍州煤炭(國家)規(guī)劃礦區(qū)、鄉(xiāng)寧煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)及龍子祠泉域保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，兩者是本隧道的主要控制性因素。

綜合考慮越嶺地形、地質(zhì)構(gòu)造、煤層及煤礦分布，經(jīng)蒲縣方案研究思路及原則如下。

1)以隧道方案越嶺，克服地形問題。

2)探明區(qū)域煤層埋深及采空區(qū)分布，選擇適當(dāng)?shù)脑綆X位置及標(biāo)高，避免隧道進(jìn)入煤層采空區(qū)，隧道可穿煤層，但應(yīng)嚴(yán)格控制過煤層的長度。盡量將隧道下壓到煤層及采空區(qū)以下，并保證一定的安全深度。

3)探明龍子祠泉域保護(hù)區(qū)范圍地下水賦存規(guī)律及區(qū)域地下水補、徑、排特征，嚴(yán)格控制隧道對龍子祠泉域的影響。

1．2．3 過煤層采空區(qū)研究方案

經(jīng)蒲縣方案初擬了11條線位方案，結(jié)合地質(zhì)工作及方案研究原則，排除了風(fēng)險極大的穿煤層采空區(qū)的方案后，重點對 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km 進(jìn)行研究。工程方案及控制因素平面圖見圖1。

圖1 工程方案及控制因素平面圖Fig．1 Plan of different route options

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

為選線方案提供控制標(biāo)準(zhǔn)，探求最佳越嶺方案，針對本工程煤層采空區(qū)與水源地保護(hù)區(qū)雙控條件，需要關(guān)鍵技術(shù)主要有:

1)煤層采空區(qū)綜合地質(zhì)勘察技術(shù)。

2)隧道距煤層采空區(qū)的安全距離評估。

3)探明龍子祠泉域地下水補給情況，評價隧道對泉域保護(hù)區(qū)的影響。

2．1 煤層采空區(qū)地質(zhì)勘察技術(shù)

地質(zhì)勘察是本次方案研究的基礎(chǔ)，為探明煤層采空區(qū)情況，經(jīng)綜合論證后，勘察方案如下。

2．1．1 資料收集

收集區(qū)域地質(zhì)勘察報告、區(qū)域水文地質(zhì)報告以及地質(zhì)災(zāi)害評估報告等相關(guān)資料，重點收集各礦煤礦資源/儲量核查地質(zhì)報告、礦產(chǎn)采掘工程平面圖、礦區(qū)井上井下對照圖、開采規(guī)劃圖及其他相關(guān)資料。

2．1．2 地質(zhì)、礦區(qū)調(diào)查與調(diào)繪

1)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查。查明地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造，地層年代、成因、巖性、產(chǎn)狀及厚度分布;地下水賦存及動態(tài)變化情況，水質(zhì)及其腐蝕性以及不良地質(zhì)情況等。

2)礦區(qū)專項調(diào)查。包括礦區(qū)經(jīng)營情況，開采規(guī)模及起終時間、開采層位及方式、采空區(qū)處理方式等;采空區(qū)標(biāo)高、采高、空間形態(tài)、頂板支護(hù)方式及塌落情況;礦區(qū)地下水賦存、水質(zhì)及補給狀況;礦區(qū)突水、冒頂?shù)葹?zāi)害性事故情況。

3)測繪。通過現(xiàn)場測繪，對礦區(qū)井口、巷道、采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行標(biāo)定和描述;對開采引發(fā)地表變形情況(包括塌陷裂縫性質(zhì)、走向以及范圍)進(jìn)行測繪，對于通過采空區(qū)的線路，沿線設(shè)置觀測點監(jiān)測地表變形情況。觀測點的埋深根據(jù)采空區(qū)埋深確定，埋深50 m以內(nèi)的按10 m間距布點、埋深50～100 m的按10～20 m間距布點、埋深大于100 m的按20～50 m間距布點。

2．1．3 物探

主要采取高頻大地電磁法進(jìn)行了大面積掃面，然后針對異常區(qū)，采用高密度電法加密探測。

2．1．4 鉆探

對收集、調(diào)查的資料、測繪及工程物探成果，進(jìn)行了鉆探驗證。可行性研究階段完成3個深孔共計1 449．81 m驗證地勘工作，鉆孔貫通煤系地層，并進(jìn)入奧陶系地層900 m標(biāo)高;后期定測階段共完成15個深孔，共計5 888．6 m，進(jìn)一步驗證了地質(zhì)勘察成果。

2．1．5 勘察及成果分析

主要與當(dāng)?shù)孛禾康刭|(zhì)勘測院、工程地質(zhì)勘察院以及水資源研究所等相關(guān)單位展開合作，共享成果資料，互相映證和對地區(qū)地質(zhì)的理解。

通過上述方案，準(zhǔn)確查明了煤層采空區(qū)的分布及奧陶系灰?guī)r穩(wěn)定水位的埋深與隧道洞身的相對關(guān)系，為工程方案研究及決策提供了依據(jù)。

2．2 隧道距煤層采空區(qū)安全距離評估

研究鐵路隧道距煤層采空區(qū)安全距離，一是保證鐵路工程安全;二是在技術(shù)方面盡量減少鐵路對煤礦資源的壓覆。本工程采用如下方式開展研究。

2．2．1 參照相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》對位于煤層下斜井的相關(guān)規(guī)定，對位于單一煤層底板或煤層群底板巖層，且與煤層傾角相同的斜井，根據(jù)斜井至煤層的法線距離、煤層厚度及其間的巖性參照表1確定是否留設(shè)煤柱。當(dāng)該法線距離大于或等于表1中的數(shù)值時，斜井上方的煤層可不留設(shè)保護(hù)煤柱。

表1 斜井上方煤層中留設(shè)保護(hù)煤柱的臨界距離Table 1 Critical distance between coal columns reserved in coal seams above inclined shaft

研究區(qū)域開采煤層是太原組9#，10#和11#煤層，厚度約為4．5 m。下伏本溪組地層(層厚5～33 m，以黏土質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖為主，相對隔水層)及奧陶系地層(以灰?guī)r為主)。按該規(guī)范，隧道距煤層45～50 m可不留設(shè)保護(hù)煤柱。

2．2．2 地下工程近接施工經(jīng)驗

日本1997年公布了《既有鐵路隧道近接施工指南》，對鐵路隧道近接施工類問題做了較全面、系統(tǒng)的闡述［14］。

近接施工類型主要包括隧道并列及隧道重疊等。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)的施工經(jīng)驗(見圖2)，隧道并列時，新隧道2．5D(D為開挖直徑)以外是無影響區(qū)域;隧道重疊時，新隧道3．5D以外是無影響區(qū)域。據(jù)此，鐵路隧道修建完成后，隧道上方如采煤，可采煤層2～4 m厚;采用柱式開采方法，10～20 m間隔預(yù)留安全煤柱不開采，對其下鐵路隧道的無影響范圍不小于35～70 m。

對采空區(qū)積水及開采震動對其下鐵路隧道的影響進(jìn)行評判，具體如表2所示。

圖2 并列及重疊施工對既有隧道影響劃分Fig．2 Ⅰnfluence of construction of parallel tunnels and perpendicular tunnels on existing tunnels

表2 地層震動及上部積水對隧道影響分析Table 2 Ⅰnfluence of ground vibration and accumulated water on tunnels below

2．2．3 隧道深埋理論及經(jīng)驗

借鑒隧道深埋理念，在鐵路及水工行業(yè)中，通過多年實踐經(jīng)驗及統(tǒng)計數(shù)據(jù)［15］，當(dāng)隧道達(dá)到深埋臨界值時，埋深增大隧道結(jié)構(gòu)受力不變。據(jù)此行業(yè)整理了隧道深淺埋分界高度計算公式:

鐵路隧道公式 h1=2×0．45×2s-1×ω。

水工隧道公式h1=0．135×2n-1×D。

理論上可利用普氏基于天然拱概念解釋。普氏理論認(rèn)為，隧道達(dá)到一定埋深條件時，隧道上方地層形成一個拋物線形的天然拱［16］，拱上部的邊界條件及力學(xué)變化對天然拱以內(nèi)隧道基本沒有影響。這個臨界埋深計算公式為:

參照上述理論及經(jīng)驗，鐵路隧道距上部煤層的距離達(dá)到鐵路隧道深埋條件時，其上荷載變化對鐵路隧道基本無影響。隧道深埋理論計算的安全距離見表3。

2．2．4 數(shù)值模擬

采用有限差分模擬進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算模型見圖3。研究斷面取CK312+500(煤層最低點)，煤層傾角為8°～10°，煤層下為奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r地層，巖石較完整，根據(jù)鉆孔質(zhì)量，圍巖級別一般為Ⅳ級。煤系地層巖石參數(shù)按照地勘報告提供參數(shù)選取。

表3 基于隧道深埋理論計算的安全距離Table 3 Safe distance between goaf and tunnel calculated on basis of deep overburden theory m

模擬煤礦柱式留礦開采法開挖后，由于卸載影響，采空區(qū)下豎向應(yīng)力減小，水平應(yīng)力增加。統(tǒng)計了不同深度應(yīng)力變化:采空區(qū)下65 m，豎向應(yīng)力變化僅1%，水平應(yīng)力變化0．4%，應(yīng)力變化率處于拐點位置。采空區(qū)下不同深度地應(yīng)力分布見表4。

在變形方面，煤炭開采引起采空區(qū)下地層上拱。由于煤層下主要是灰?guī)r地層，采空區(qū)下35 m深度位移為2．5 mm，50～100 m 深度位移為1．9～1 mm。

當(dāng)采空區(qū)垂直鐵路隧道軸線方向時，對隧道各深度軸線方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(見圖4)?？傮w規(guī)律是距離采空區(qū)越遠(yuǎn)，地層位移越小，大致呈以采空區(qū)下為中心的正態(tài)分布。這種地層位移和量級，對隧道結(jié)構(gòu)基本沒有影響。

圖3 計算模型Fig．3 Calculation model

表4 采空區(qū)下不同深度地應(yīng)力分布Table 4 Distribution of ground stress in different depths below goaf

圖4 隧道軸線拱頂位移變化圖Fig．4 Displacement of tunnel crown along the tunnel axis

通過數(shù)值模擬，在該種地質(zhì)條件下，采空區(qū)下65 m修建鐵路隧道，煤炭開采對鐵路隧道基本沒有影響。

2．2．5 考慮采空區(qū)積水對安全距離的修正

煤層采空區(qū)積水在隧道上方形成承壓水，影響下方隧道施工安全。參考挪威海底隧道經(jīng)驗、日本最小涌水量法及國內(nèi)頂水采煤法來進(jìn)一步修正安全距離。

2．2．5．1 挪威圖表法

挪威修建海底隧道已有80多年的歷史，積累了大量經(jīng)驗，總結(jié)出海底隧道最小埋深經(jīng)驗參考圖，分別按巖石完整和巖石破碎給出2條經(jīng)驗曲線。隧道涌水量與安全巖柱關(guān)系見圖5。

圖5 隧道涌水量與安全巖柱關(guān)系圖Fig．5 Correlation between water inflow amount and safe rock overburden thickness

按上文研究的65 m安全控制距離設(shè)計工程標(biāo)高，隧道將穿越灰?guī)r地層，采空區(qū)積水對隧道產(chǎn)生的壓力在80～150 m。按挪威經(jīng)驗，隧道上方覆巖厚度在50～60 m。

2．2．5．2 日本最小涌水量法

該法假定積水滲漏到隧道時穿過的巖層透水性是均勻的，通過選取不同的巖石覆蓋層厚度計算出對應(yīng)的涌水量，得到涌水量和覆蓋厚度的曲線，對應(yīng)曲線上最小涌水量的巖石覆蓋厚度為最小巖石覆蓋厚度［17］。覆巖厚度與涌水量關(guān)系圖見圖6。預(yù)測公式為:

圖6 覆巖厚度與涌水量關(guān)系圖Fig．6 Correlation between water inflow amount and rock overburden

經(jīng)計算，當(dāng)煤層底到隧頂?shù)膸r石厚度為55 m時涌水量最小。

2．2．5．3 國內(nèi)頂水采煤法

國內(nèi)關(guān)于頂水采煤的經(jīng)驗非常豐富。為保證安全施工，提出了一定厚度防水巖柱的概念。頂水采煤安全防水巖柱厚度組成示意見圖7。防水巖柱厚度可根據(jù)經(jīng)驗公式確定:

式中:h為隧道破裂帶高度(導(dǎo)水裂隙帶高度)，m;s為保護(hù)層厚度，m;a為表面裂隙帶深度，m。

經(jīng)計算，本工程針對采空區(qū)積水防水巖柱高度為46 m。

圖7 頂水采煤安全防水巖柱厚度組成示意圖Fig．7 Diagram of thickness of safe rock overburden when mining under water

2．2．6 隧道距煤層采空區(qū)安全距離

本次研究的安全距離是作為方案控制的重要因素，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》位于煤層下斜井的相關(guān)規(guī)定，地下工程近接施工經(jīng)驗、隧道深埋理論以及數(shù)值模擬等方法，并考慮到煤層上既有采空區(qū)積水對隧道的影響，綜合考慮隧道距煤層采空區(qū)安全距離按65 m控制。

2．3 隧道修建對龍子祠泉域影響評價

經(jīng)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，專家走訪及鉆孔驗證，探明了龍子祠泉地下水賦存規(guī)律及區(qū)域地下水補、徑、排特征。龍子祠含水系統(tǒng)地下水儲存、運移特征剖面示意見圖8。

圖8 龍子祠含水系統(tǒng)地下水儲存、運移特征剖面示意圖Fig．8 Profile of water storage and water migration of Longzici water-containing system

降水為龍子祠泉的唯一補給來源，其中泉域北部、南部裸露可溶巖區(qū)降水直接入滲補給;而在石炭系、二迭系和第四系地層覆蓋區(qū)，降水經(jīng)地表徑流后，至可溶巖地層下滲補給。北、西及南部巖溶水在奧陶系主要含水巖組中儲存、運移，并聚集在地勢最低洼的龍子祠處溢流成泉。

從構(gòu)造上看，龍子祠泉域保護(hù)區(qū)是一個北、西、南3面仰起，東側(cè)受土門龍子祠斷層阻隔的龍子祠復(fù)向斜構(gòu)造。向斜軸部呈波狀起伏，形成一系列隆起和凹陷盆地的相間構(gòu)造。各個局部凹陷區(qū)匯集其周圍裂隙巖溶中的分散水流，形成局部飽水區(qū);上下游各局部飽水區(qū)之間地下水位不同，但具有單向的水力聯(lián)系。各個局部飽水區(qū)之間的關(guān)系猶如地表河流的梯級水庫，具有多級調(diào)節(jié)功能，這是龍子祠泉動態(tài)穩(wěn)定的重要原因。

勘察工作，在龍子祠泉域保護(hù)區(qū)范圍，重點收集了17口穩(wěn)定深水泉井的資料，結(jié)合深孔鉆探工作，根據(jù)龍子祠泉域各局部保水區(qū)之間的梯度聯(lián)系，繪制了龍子祠泉域補給的穩(wěn)定飽和地下水等深線(見圖9)。根據(jù)地質(zhì)繪制的地下水等深線，選線區(qū)域水位在900 m標(biāo)高以下，煤層最低處距離穩(wěn)定飽和地下水約有200多m。成果經(jīng)專家論證，認(rèn)為基礎(chǔ)資料較為翔實，成果可信。

圖9 龍子祠泉域穩(wěn)定飽和地下水等深線圖Fig．9 Ⅰsobath of stable and saturated groundwater of Longzici spring zone

對龍子祠泉的研究成果，印證了本區(qū)域越嶺隧道可以從煤層以下、龍子祠飽和地下水位以上的地帶通過的方案。為了進(jìn)一步減小隧道對龍子祠泉域穩(wěn)定飽和地下水的影響，論證飽和地下水位上50 m控制隧道設(shè)計標(biāo)高。

3 結(jié)論與建議

根據(jù)研究的選線控制標(biāo)準(zhǔn)，對 20．5，23．4，23．9，25．5，28 km隧道方案進(jìn)行綜合分析，確定了23．4 km隧道方案為最優(yōu)方案，該工程于2013年7月實現(xiàn)洞通。經(jīng)施工驗證，研究的23．4 km隧道走行在煤層和龍子祠飽和地下水位之間的的奧陶系地層中，全隧涌水量約2萬m3/d。由于避讓了煤層和富水地層，隧道提前6個月完工。通過對本工程的研究，主要成果如下。

1)通過本工程方案研究，結(jié)合地層年代發(fā)育規(guī)律，一般煤系地層下伏更古老的奧陶系地層。該地層年代古老，埋深較大，巖質(zhì)較好，在鐵路經(jīng)行大范圍煤礦分布區(qū)域時，可考慮隧道從煤系地層之下的奧陶地層通過，有效規(guī)避了穿煤層采空區(qū)的風(fēng)險。

2)在煤礦及保護(hù)水源地重疊布置的區(qū)域，可通過研究保護(hù)水源地下水補給情況，查清水源補給來源及徑流規(guī)律，并結(jié)合煤礦蘊含分布，論證線位設(shè)計標(biāo)高范圍，確保了隧道方案不下穿水源地穩(wěn)定飽和地下水供給水位。

3)本工程研究煤層采空區(qū)綜合地質(zhì)勘察技術(shù)，特別提出，可行性研究階段應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)氐纳鐣Y源多方論證，并輔以深孔鉆探的方式解決問題。研究的綜合勘探技術(shù)在本工程中得到了較好的應(yīng)用。

4)通過研究煤礦工程經(jīng)驗、地下工程近接施工經(jīng)驗、隧道深埋概念、國內(nèi)頂水采煤以及研究海底隧道最小覆蓋層厚度的挪威圖表法和日本最小涌水量法，結(jié)合數(shù)值模擬，確定了本線隧道在煤層采空區(qū)下65 m的安全覆巖厚度。

本文主要研究確定了隧道在煤層采空區(qū)下通過的安全覆巖厚度，下一步研究工作尚需對煤層采空區(qū)上隧道安全距離進(jìn)行分析論證。

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