新建铁路下伏采空区治理关键技术

吴振颖

(北京工电大修段，天津 300402)

1 工程概况

某新建铁路全长60.13 km，线路在接轨站出站后与某矿山企业铁路专用线并行，在DK1+360～DK3+700内有长期、多层、重复开采的煤层采空区分布。线路连续跨越采空区长度达2.16 km，空间上在线下分布4～5层复杂采空区。该段采空区开采历史久远，具有规模大、多层、开采无规律、水文地质条件工程地质条件复杂、开采资料不完善等特点。采空区变形已引起多处地面塌陷、下沉、房屋变形，勘察期间仍有新的地面塌陷坑形成，该段采空区将严重危及新建铁路建设及建成运营期间行车安全，设计采用注浆技术进行加固治理。

2 治理范围

目前采空区治理技术国内还没有专门的规范可依据，勘察、设计工作一般参照行业的勘察规范及专业手册，如《岩土工程勘察规范》、《铁路工程地质手册》《高速公路采空区勘察设计与施工治理手册》等。在近20年的研究中，我国在高速公路、铁路等领域对于采空区勘察及治理技术的研究取得了较大发展，积累了宝贵经验，以下结合新建铁路采空区现场实际工程特点，探讨采空区治理宽度、治理深度、注浆参数选择等关键技术。

2.1 治理宽度

该铁路线下采空区多为长臂式开采，少量采用房柱式及刀柱式开采，回采率80% ～90%，局部留有保护煤柱。依据《高速公路采空区勘察设计与施工治理手册》提供的公式，确定的采空区治理宽度范围如图1所示。

图1 采空区治理宽度示意

式中 L——采空区治理宽度/m;

D——路基地面宽度/m;

B——路基围护带宽度/m，二级铁路取15 m;h——第四系厚度/m;

H上、H下——采空区上覆基岩厚度/m;

θ——第四系松散层移动角/(°);β、γ——下山、上山方向基岩移动角(°)，该参数

根据矿山企业提供的地质报告确定。

若采空区埋藏较深，根据以上公式计算出的治理宽度值往往较大，如本案例铁路采空区最深处有五层采空区揭示，深度195 m，计算出的单侧水平治理宽度达130 m，使得大型采空区的治理费用较高。根据既有铁路采空区治理经验，由于受场地、投资、工期影响，既有铁路多只治理至路基本体及围护带宽度范围，且治理后一般能够保持路基稳定及行车安全。关于路基采空区治理宽度的确定，有专家学者也进行了深入研究，如适当减小移动角等方法，在今后的新建铁路采空区治理工作中可不断展开研究与探讨。

2.2 治理深度

采空区治理深度一般要求注浆钻孔钻至底层采空区底板下3.0 m处。该铁路采空区治理范围由于采空区层数多，采深厚，如果五层全部处理，投资较大。设计及科研过程中，利用先导孔提取大量岩芯采集数据，根据采空区深度分层统计，结合基岩破碎程度、采空区三带划分，对试验室取得的基础数据采用经验系数折减，采用极限平衡分析法及FLAC3D数值模拟(图2)计算，绘制出沉降量随开挖深度变化曲线(图3)。

从采空区移分布曲线可知，采空区地表沉降量为80.3 m，各煤层注浆完后，地表沉降量逐渐减少，当17号煤层注浆完后其沉降与未开采时的沉降基本相等。在13号煤层注浆完后，曲线趋于平缓，地表沉降基本为一常数，而且地表剩余沉降量为19.3 cm，远低于采空区稳定性评价标准，属于稳定区域。同时采空区在9号、11号、13号煤注浆完成后开采区边缘岩土体附

图2 试验段采空区FLAC3D模型

图3 试验段Z方向变形曲线

近塑性破坏区范围显著缩小，各个煤层顶板稳定性较好，无塑性破坏区。综合上述分析计算，可以不考虑15号煤、17号煤注浆。

3 注浆参数

铁路采空区采用钻孔注浆法进行加固治理。施工中影响治理效果的注浆参数很多，其中主要为:钻孔间距、注浆压力、浆液配比等。

3.1 钻孔间距

既有线注浆工程为了保证行车安全及局部区域的注浆充填效果，注浆压力一般较小，注浆孔间距一般取3～6 m。新建铁路一般远离既有线，可在保证地面附着物稳定与安全的前提下，适当提高注浆压力，从而加大注浆孔间距，节约投资。该采空区治理工程钻孔间距布置为:路基范围内15 m，路基坡脚外至采空区处理边界为20 m，每层采空区最外面一排为帷幕孔，孔间距10 m。

3.2 注浆压力

注浆压力与钻孔间距有直接关系，在地层结构没有被完全破坏以前，单孔的注浆压力与注浆量曲线一般接近直线。利用这一特点可以在保证充填密实的情况下适当加大注浆压力，经过试验，设计采用终注压力为:浅层采空区注水泥粉煤灰浆压力0.6～0.8 MPa，深层采空区注水泥粉煤灰浆压力0.8～1.0 MPa，帷幕孔注水泥砂浆，压力最高可达1.5 MPa。

3.3 浆液配比

采空区治理一般选用水泥粉煤灰浆作为注浆材料，土源有条件地区还可使用水泥黏土浆以降低造价。该铁路采空区治理工程采用水泥粉煤灰浆作为主要注浆材料，由于帷幕孔先期施工，且位于采空区下山方向，施工中注浆量较大，后来改用水泥砂浆加碎石的方法，取得良好效果。

本工程只处理浅层1～3层采空区，FLAC3D建模分析时采用水泥粉煤灰浆结石体强度不小于1.5MPa计算，通过试验并综合考虑浆材凝固时间、材料可灌性，以及工程成本等因素，确定水泥粉煤灰浆固颗比一般采用2∶8，水灰比0.7∶1、水玻璃掺入量3%。粉煤灰采用当地生产的二级粉煤灰(如表1所示)。

表1 二级粉煤灰配合比试验成果

4 检测技术

采空区注浆加固效果的检测及评价一般采用物探结合施钻检查孔的方式完成。本工程采用了电法、浅层地震反射波法、地震波CT等多种物探检测手段对采空区注浆前后进行了对比检测试验。电法因造价相对较低、技术成熟、受场地干扰小等优点，可作为本场区工点的物探检测主要方法，注浆前后电性变化基本反映了注浆作用范围和基本加固效果。地震波CT检测效果最直观，也最准确，但其成本过高，且检测工期慢，仅推荐在重点区域或质量存疑地段使用。因场区行车、钻探影响，浅层地震反射波法直接检测注浆前后效果不佳。综上，建议与本场地相类似条件的工点可采用电法作为主要物探检测手段，在工程特别重要部位采用地震波CT检测，孔间距一般不大于25 m。

第三试验段注浆前后视电阻率变化如图4所示。

图4 第三试验段注浆前后视电阻率变化

5 结束语

采空区治理关键技术如治理宽度、治理深度的确定等，目前各行业内均无较权威的规范可依据，计算多采用经验公式法，但计算出的结果缺乏针对性，往往偏保守，使得治理费用较高。引入FLAC3D数值模拟分析，计算采空区沉降量随深度变化的规律，在满足路基设计规范关于沉降量要求的前提下，可减少治理深度，大大降低治理成本，对丰富采空区治理技术提供了借鉴。注浆材料应尽量掺加当地价格低廉的粉煤灰或黏土，以降低工程造价，因粉煤灰价格受季节影响波动范围较大，建议注浆工作尽量避开施工黄金季节。

[1]铁道第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M］.北京:中国铁道出版社，1999

[2]龚晓南.地基处理手册[M］.北京:中国建筑工业出版社，2008

[3]山西省交通厅.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[M］.北京:人民交通出版社，2005

[4]童立元，刘松玉，邱 钰.高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术[M］.南京:东南大学出版社，2006.

[5]山西省交通规划勘察设计院.采空区公路设计与施工技术细则[M］.北京:人民交通出版社，2011.

[6]GB50021—2001.岩土工程勘察规范[S］.北京:中国建筑工业出版社，2009

[7]张永波.老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法[M］.北京:中国建筑工业出版社，2006

[8]刘传正.重大地质灾害防治理论与实践[M］.北京:科学出版社，2009

[9]徐永圻.煤矿开采学[M］.北京:中国矿业大学出版社，1999