蘇敬強(qiáng)

(山東鐵路投資控股集團(tuán)有限公司， 濟(jì)南 250102)

深厚松散層廣泛存在于我國(guó)東部?jī)贾?、?jì)寧、開(kāi)灤、焦作等礦區(qū)[1]。隨著東部礦區(qū)開(kāi)采深部化，厚松散層大采深條件采空區(qū)大量形成[2]，其移動(dòng)變形規(guī)律總體上與一般采空區(qū)相似[3]，但因厚松散層的存在，表現(xiàn)出地表沉降范圍大、移動(dòng)總量大的特點(diǎn)[4]。現(xiàn)有研究成果對(duì)高速鐵路鄰近的超深(大于 1 000 m)采空區(qū)鮮有研究，同時(shí)，中東部平原區(qū)是我國(guó)地面沉降災(zāi)害主要分布區(qū)，其中華北平原是最為嚴(yán)重的地區(qū)。地下水超采漏斗已有20多個(gè)，已形成以天津、北京與滄州3個(gè)城市為大中心，保定、衡水與德州為次級(jí)中心的地面沉降降落漏斗。區(qū)域地面沉降，具有變形范圍大、影響時(shí)間長(zhǎng)、沉降深度大等特點(diǎn)。地面沉降與采空區(qū)塌陷的疊加影響是該區(qū)域高速鐵路建設(shè)和運(yùn)維不得不面臨的一個(gè)重大且復(fù)雜的工程問(wèn)題[5-7]。

本文以某高速鐵路線路鄰近深厚采空區(qū)為研究對(duì)象，在勘察成果和相關(guān)專(zhuān)題研究[8-9]的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算研究礦區(qū)地表沉降規(guī)律，結(jié)合考慮區(qū)域地面沉降特征，通過(guò)INSAR監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，綜合分析評(píng)估其對(duì)高速鐵路線路的安全性影響。

1 工程概況

1.1 基本概況

某高速鐵路相鄰的古城煤礦，礦區(qū)內(nèi)地形平坦，屬?zèng)_積平原，地勢(shì)東高西低。古城煤礦58個(gè)工作面均采用條帶開(kāi)采、綜采放頂開(kāi)采工藝，平均采厚8.50 m，該礦開(kāi)采深度達(dá) 1 200 m，平均傾角7°。煤礦大部分工作面停采已超過(guò)10年，部分新近5年內(nèi)采空區(qū)集中在采區(qū)南部。高速鐵路線路本段以橋梁、路基形式通過(guò)。根據(jù)采掘工程平面圖，3107工作面于 2017年1月份開(kāi)始回采，2018年3月停采，采寬89～118 m，回采長(zhǎng)度701 m，邊界距高速鐵路線路920 m；3209工作面于2017年9月份開(kāi)始回采，2018年9月停采，采寬174 m，回采長(zhǎng)度470 m，邊界距高速鐵路線路 835 m。上述鄰近的兩個(gè)工作面均采用背離線路方向的“條帶式”開(kāi)采。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

采區(qū)地層自上而下依次為：第四系(Q)松散層、古近系(E)、侏羅系(J)、二疊系(P)、石炭系(C)及奧陶系(O)。上部第四系地層主要為沖洪積粘土和粉細(xì)砂，厚約170 m，工程性質(zhì)較差；下伏巖侏羅系主要以灰綠色細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成，厚度變化大，厚 0～607 m；含煤地層主要為二疊系山西組及太原組，二者含煤地層平均總厚255.04 m。采空區(qū)上覆基巖厚約 1 000 m，主要開(kāi)采煤層直接頂砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的抗壓強(qiáng)度為55.10～94.80 MPa，泥巖的抗壓強(qiáng)度為48.14 MPa，多為中硬巖，斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶曲不發(fā)育，地層緩傾，傾向多變。

區(qū)域第四系含水層可分為上部潛水，中、下部為兩層“承壓水”，如圖1所示。其中潛水層由灰黃色、黃褐色、粉質(zhì)粘土及砂層組成，平均厚度49.03 m，本組透水性好，富水性強(qiáng)，水位年變幅2～3 m；為農(nóng)田供水及臨時(shí)性水源。基巖裂隙水(偶含巖溶水)不發(fā)育，與上部第四系水力聯(lián)系較弱。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)示意圖

高速鐵路DK 273～DK 280段線路兩側(cè)基本位于農(nóng)田內(nèi)，為滿足生產(chǎn)、生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉需要，鐵路兩側(cè)300 m內(nèi)淺層(25～50 m)水井密布，平均 100～150 m分布1口，每年4-6月、11-12月兩個(gè)集中抽水灌溉季，漏斗中心水位下降最大可達(dá)10 m以上，由于淺層地下水大幅下降引起的地面沉降可達(dá)10 mm/年。根據(jù)高速鐵路沿線的區(qū)域地面沉降相關(guān)研究成果[5]，該區(qū)域同時(shí)存在生產(chǎn)生活“中深層”承壓水的超采，其引起的地面沉降量未來(lái)10～20年將達(dá)到12.8～12.0 mm/年。高速鐵路線路的地面沉降受采空區(qū)及區(qū)域地面沉降綜合影響。

2 采空區(qū)地表變形調(diào)查與分析

2.1 采空區(qū)地表變形調(diào)查

距離高速鐵路最近的3107、3209工作面煤層平均采厚約8.5 m，采深約 1 200 m，采空區(qū)長(zhǎng)、寬遠(yuǎn)小于采深，采深采厚比達(dá)140，采空區(qū)未達(dá)到充分采動(dòng)，地表移動(dòng)盆地應(yīng)為“碗狀”，工程地質(zhì)類(lèi)比判別其采后形成的采空區(qū)多呈“彎曲型”垮落，中心沉降量小，對(duì)地表影響較小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)附近地表調(diào)查，采區(qū)附近未見(jiàn)明顯地表塌陷，以地表變形為主，道路可見(jiàn)變形主要為裂縫，裂縫寬度2～30 mm，裂縫長(zhǎng)度從幾米到幾十米不等；房屋主要為豎向裂縫，裂縫寬度1～5 mm。地面調(diào)查表明線路位于Ⅰ級(jí)損壞區(qū)影響邊界外420 m，其形態(tài)與位置與2018年底的InSAR解譯結(jié)論具有較好的吻合性。

2.2 采空區(qū)地表變形理論分析

概率積分法被業(yè)界廣泛認(rèn)可，并且已納入安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[10]及GB 51044-2014《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[11]推薦的采空區(qū)地表移動(dòng)變形計(jì)算方法。該方法在本礦區(qū)已應(yīng)用多年，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

(1)參數(shù)選取

采空區(qū)覆巖的抗壓強(qiáng)度值接近或大于60 MPa，按照規(guī)范較硬巖～堅(jiān)硬巖的區(qū)間值，基巖邊界角可取為60°。結(jié)合古城煤礦及相鄰星村煤礦部分工作面實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及相關(guān)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，考慮3107及3209工作面煤柱的穩(wěn)定性、采區(qū)積水情況等性質(zhì)，經(jīng)綜合分析確定，地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)選取如表1所示。

表1 地表預(yù)計(jì)概率積分參數(shù)表

(2)采空區(qū)形變時(shí)空分析及其對(duì)高速鐵路的影響

采用概率積分法分析古城煤礦3107、3209工作面地表下沉如圖2所示。

圖2 3107、3209工作面地表下沉等值線圖

通過(guò)對(duì)3107及3209工作面采用垂直剖面法計(jì)算，獲得3107工作面采空區(qū)的影響邊界距離線路中心155 m；3209工作面采空區(qū)的影響邊界距離線路中心75 m。3107與3209工作面相距300 m，兩者在地表形成的移動(dòng)盆地存在疊加效應(yīng)，疊加后如圖3所示，影響邊界毗鄰高速鐵路圍護(hù)帶邊界，在DK 277+370～DK 278+240段右側(cè)200 m內(nèi)的影響邊界近平行于線路，展布長(zhǎng)度將近870 m。總體上分析兩個(gè)采區(qū)的變形影響邊界最近距線路中心75 m。當(dāng)采空區(qū)沉降邊界不侵入高速鐵路圍護(hù)帶邊界時(shí)，采空區(qū)對(duì)鐵路安全基本無(wú)影響[12]。

圖3 3107、3209工作面影響邊界疊加示意圖

當(dāng)移動(dòng)盆地沉降中心區(qū)下沉點(diǎn)V<1.0 mm/d且連續(xù)6個(gè)月累計(jì)最大下沉值不超過(guò)30 mm時(shí)，可判定為地表穩(wěn)定，移動(dòng)期結(jié)束。根據(jù)手冊(cè)法預(yù)測(cè)3107及3209工作面的移動(dòng)盆地穩(wěn)定時(shí)間T=2～2.5年；通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析，一般2.5～3年能達(dá)到穩(wěn)沉。3107工作面開(kāi)采時(shí)間2017年1月至2018年3月，靠線路側(cè)采區(qū)的停采時(shí)間至今已有3年6個(gè)月。3209工作面開(kāi)采時(shí)間2017年9月至2018年9月，靠線路側(cè)采區(qū)的停采時(shí)間至今已近3年。兩工作面已基本接近終沉，處于衰退～終沉階段。采空區(qū)10 mm殘余沉降線已逐漸縮小，外圈已停止下沉，殘余變形逐步遠(yuǎn)離線路。

3 地表變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 InSAR解譯

為宏觀定性判譯采空區(qū)地表形變的發(fā)展歷程，采用INSAR解譯了2019-2020年采空區(qū)的形變特征如圖4所示。InSAR解譯地表變形顯示，采空區(qū)的沉降中心主要位于3107工作面北側(cè)，此采區(qū)沉降中心位置未變化。2019年4月后采空區(qū)移動(dòng)盆地影響范圍的沉降趨于穩(wěn)定。2020年InSAR解譯顯示3107及3209工作面地表變形已趨于穩(wěn)定，對(duì)高速鐵路工程影響持續(xù)減弱。InSAR所反映的地表變形范圍、時(shí)程，與兩個(gè)工作面的開(kāi)采時(shí)空對(duì)應(yīng)性較好，也與上述“采空區(qū)形變時(shí)空分析”中采后2.5～3年達(dá)到穩(wěn)沉的結(jié)果相互印證。

圖4 采空區(qū)2019～2020年Insar干涉云圖

3.2 采空區(qū)地表監(jiān)測(cè)

為確保采空區(qū)沉降變形不影響高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)，在DK 276～DK 281段線路臨近采空區(qū)布設(shè)3條地表變形監(jiān)測(cè)線(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))；沿線路方向布設(shè)1條斷面測(cè)線(4號(hào))，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位129個(gè)。其中1號(hào)、2號(hào)測(cè)線在線路左側(cè)設(shè)置100 m，右側(cè)設(shè)置900 m；3號(hào)測(cè)線左側(cè)設(shè)置100 m，右側(cè)設(shè)置 1 000 m；4號(hào)測(cè)線沿施工便道外側(cè)設(shè)置3.15 km。監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為50 m。

根據(jù)2020年9月-2021年12月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該段地面沉降逐月變緩，分別選取4條剖面沉降最大點(diǎn)進(jìn)行縱向分析，可發(fā)現(xiàn)地面沉降變形在逐漸收斂，沉降速率由4～6 mm/月降至0～2 mm/月，如圖5所示。

圖5 1～4號(hào)斷面沉降最大值沉降速率曲線圖

如前所述，研究區(qū)淺層及“中深層”地下水開(kāi)采引起的區(qū)域地面沉降局部最大可達(dá)12.0～12.8 mm/年，與實(shí)測(cè)月沉降速率基本相當(dāng)。可見(jiàn)，研究區(qū)地面沉降主要由區(qū)域地面沉降引起，線路附近采空區(qū)變形已趨于穩(wěn)沉，“中深層”承壓水引起的區(qū)域地面沉降仍將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。“中深層”承壓水引起的區(qū)域沉降一般表現(xiàn)為大范圍的均勻沉降，對(duì)高速鐵路的平順性影響一般不大，而淺層農(nóng)業(yè)灌溉用水存在前述“三集中”(淺層層位集中、春冬季集中、井群集中)的現(xiàn)象，其引起的局部不均勻沉降對(duì)高速鐵路的平順性影響更大，應(yīng)引起足夠重視。

4 工程對(duì)策

本段線路走行于三礦(星村、古城及楊莊)的長(zhǎng)條狀脊背形的保護(hù)煤柱通道之上，同時(shí)存在區(qū)域地面沉降兩大不良地質(zhì)問(wèn)題。根據(jù)研究區(qū)評(píng)估結(jié)論和地表變形監(jiān)測(cè)分析，鄰近高速鐵路線路的3107與3209工作面毗鄰高速鐵路安全圍護(hù)帶，鄰近礦區(qū)仍在開(kāi)采服務(wù)期，其不利影響將長(zhǎng)期存在。線路位于河流沖積平原，第四系地層深厚，工程樁基礎(chǔ)處于淺層地下水開(kāi)采影響范圍內(nèi)，工程承載環(huán)境易受環(huán)境變化而損傷。綜合分析提出工程對(duì)策如下：

(1)基于對(duì)本段線路環(huán)境的不利風(fēng)險(xiǎn)因素和承載環(huán)境特征的綜合分析，高速鐵路線路采用有砟軌道通過(guò)是適宜的。

(2)嚴(yán)格按照相關(guān)法律法規(guī)以及鐵路相關(guān)評(píng)估報(bào)告預(yù)留保護(hù)煤柱，嚴(yán)禁越界開(kāi)采。在向線位方向開(kāi)采時(shí)，應(yīng)根據(jù)地表變形監(jiān)測(cè)情況，逐步確認(rèn)安全距離。

(3)按區(qū)域地面沉降影響范圍及特征，結(jié)合采空區(qū)分布，針對(duì)性制定沿線地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分段禁采、限采與控采實(shí)施方案。

(4)建立沿線地面沉降監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)和高速鐵路工程監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估地表形變和工程基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)。

5 結(jié)論

高速鐵路對(duì)軌道平順性要求極高、對(duì)沉降控制嚴(yán)格，工程地質(zhì)選線應(yīng)首先繞避區(qū)域沉降中心及采空影響區(qū)[13]。當(dāng)設(shè)站條件困難，線路經(jīng)由受限時(shí)，應(yīng)對(duì)采空區(qū)或區(qū)域地面沉降對(duì)工程的影響進(jìn)行充分論證，并針對(duì)性采取工程應(yīng)對(duì)措施。本文主要研究結(jié)論如下：

(1)根據(jù)工程地質(zhì)類(lèi)比和地表形變調(diào)查，古城煤礦上覆基巖厚度大于 1 000 m，多為中硬巖，采深采厚比達(dá)140，采后形成的采空區(qū)多呈“彎曲型”垮落，中心沉降量小，對(duì)地表影響較小。

(2)按現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程對(duì)采空區(qū)的時(shí)效性分析，并經(jīng)INSAR監(jiān)測(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，現(xiàn)狀條件下采空區(qū)已進(jìn)入沉穩(wěn)階段，對(duì)高速鐵路工程安全穩(wěn)定已基本無(wú)影響?？紤]到本段線路受采空區(qū)和地面沉降兩大不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素多重影響，高速鐵路應(yīng)采取穩(wěn)妥的工程應(yīng)對(duì)措施，并加強(qiáng)對(duì)沿線地表形變及高速鐵路工程的變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握線路變形動(dòng)態(tài)狀況，為鐵路安全運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維提供依據(jù)。

(3)鐵路附近的地面沉降由地下水開(kāi)采引起的區(qū)域沉降占主導(dǎo)，“中深層”承壓水超采引起的地面沉降對(duì)高速鐵路工程有一定影響，但對(duì)不均勻沉降影響較小；淺層農(nóng)業(yè)灌溉用水引起的局部不均勻應(yīng)引起足夠的重視，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定和專(zhuān)題研究成果采取禁、限、控采措施和地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

需說(shuō)明的是本文對(duì)區(qū)域地面沉降的分析主要基于鐵路工程專(zhuān)題研究報(bào)告，有待進(jìn)一步針對(duì)采空區(qū)鄰近區(qū)域開(kāi)展水文地質(zhì)深化研究。