鐵路橋沉降觀測及橋下采煤安全措施
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在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，鐵路是最重要的交通運(yùn)輸設(shè)施之一。為了保障鐵路安全運(yùn)營，并將鐵路橋下的煤炭資源進(jìn)行最大限度的釋放，必須要加強(qiáng)鐵路橋的沉降觀測，做好鐵路維護(hù)。通過各種措施來提升鐵路構(gòu)筑物安全。
1鐵路橋下采煤特點(diǎn)分析
隨著煤層開采作業(yè)的持續(xù)性推進(jìn)，地表移動(dòng)盆地范圍內(nèi)的鐵路工程會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形或者移動(dòng)。這種變形或者移動(dòng)包含兩種情況：一種是連續(xù)性的，逐漸發(fā)生于時(shí)空間中，且路基的變形與地表基本相同；另一種是非連續(xù)性的，具有一定的突變性，地表會(huì)出現(xiàn)突然塌陷、開裂或者下沉。其中，尤以非連續(xù)性的變形和位移，對鐵路正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響最大。一般情況下，如果鐵路壓煤范圍內(nèi)的煤層采深和采厚的比值超過一定范圍后，就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性的地表移動(dòng)或者變形。此時(shí)，可以通過及時(shí)有效的維修措施來保障鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。與建筑物下采煤相比，鐵路橋下采煤主要表現(xiàn)出了以下三大特點(diǎn)。首先，鐵路橋下采煤，必須要為過往列車運(yùn)行的安全性提供保障，所以安全要求更高。其次，鐵路列車的運(yùn)行具有重量大、速度快的特點(diǎn)，所以鐵路線路與列車的動(dòng)荷載作用之間有著密切的聯(lián)系。煤層開采導(dǎo)致的地表移動(dòng)與變形，都會(huì)對鐵路線路造成不可忽視的影響。所以，鐵路線路的移動(dòng)、變形以及沉降等問題的出現(xiàn)都具有一定的復(fù)雜性。最后，在煤層開采過程中，如果觀測到鐵路線路出現(xiàn)了變形、沉降或者移動(dòng)，可以通過及時(shí)的維護(hù)來消除。而這是建筑物下采煤無法做到的[1]。
2某線鐵路四線大橋的概況
某線鐵路四線大橋于1999年開工建設(shè)，2000年竣工，位于西井煤礦0號、1號、7號、8礦區(qū)拐點(diǎn)范圍內(nèi)。檢測單位采用高密度電法對3#墩周圍地質(zhì)情況進(jìn)行了探測。初步查明鐵路四線大橋3#墩周圍存在5處低阻異常（Y1-1、Y3-1、Y4-1、Y4-2、Y5-1），其中Y4-1異常較明顯，該低阻異常可能為泥巖煤層地質(zhì)體、裂隙發(fā)育富水區(qū)域等造成。煤礦設(shè)計(jì)單位2017年5月編制設(shè)計(jì)的《某礦井安全設(shè)施設(shè)計(jì)說明書》未具體明確老窯采區(qū)位置。查閱煤礦設(shè)計(jì)單位2017年5月編制設(shè)計(jì)的《礦井安全設(shè)施設(shè)計(jì)說明書》發(fā)現(xiàn)，鐵路煤柱的留設(shè)按照《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》中第20條垂直剖面法對鐵路留設(shè)鐵路保護(hù)煤柱，鐵路保護(hù)等級按國家I級鐵路標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)帶寬度為15m。預(yù)計(jì)礦井采動(dòng)下山移動(dòng)角取55°，上山移動(dòng)角60°。根據(jù)預(yù)計(jì)礦井采動(dòng)下、上山移動(dòng)角，留設(shè)煤柱，留設(shè)寬度120m，鐵路煤柱與河流煤柱部分重疊，設(shè)計(jì)按鐵路煤柱的投影范圍留設(shè)，既保護(hù)了鐵路又保護(hù)了河流。
3鐵路橋沉降觀測與相關(guān)分析
3.1鐵路橋沉降實(shí)際情況
通過采用工程地質(zhì)測繪、觀測網(wǎng)、鉆探，原位測試、土工試驗(yàn)、孔間CT等方法（圖2）、物探等手段，發(fā)現(xiàn)既有鐵路K98+350～K99+050左右200m范圍普遍存在地面或房屋開裂現(xiàn)象，以鐵路四線大橋2#～5#墩范圍最為嚴(yán)重，同時(shí)在橋梁6#～8#墩右側(cè)亦有較大的裂縫。根據(jù)現(xiàn)場地面及房屋變形特征及橋梁沉降監(jiān)測資料分析，鐵路四線大橋的地面沉降變形主要分布于2#~4#墩之間，其它橋墩變形小，地面沉陷主要范圍為K98+690左65m～K98+800右95m，整個(gè)區(qū)域地面或房屋沉降變形嚴(yán)重，形成一個(gè)較獨(dú)立的移動(dòng)盆地。移動(dòng)盆地的塌陷中心大致位于K98+760右側(cè)40m的童心幼兒園門口附近，形成一個(gè)長軸約320m，短軸約100m的橢圓形移動(dòng)下沉區(qū)，面積約25000m2，長軸方向約N78°W，與巖層走向行，屬傾斜采空區(qū)，沉陷長軸穿越于鐵路四線大橋3#~4#墩，涉及范圍為1#～5#橋墩，該移動(dòng)盆地可能與5#煤洞或不明采空區(qū)有關(guān)。移動(dòng)盆地塌落帶大致分布于K98+700左40m～K98+780右90m范圍，鐵路四線大橋2#~4#墩位于塌落帶范圍，長軸與鐵路交角約53°，通過于3#墩附近（K98+740），按煤層走向巖土移動(dòng)角（覆蓋層按45°，巖石移動(dòng)角65°）推算，煤洞采空區(qū)大致埋深約130m。橋梁工程處于該塌落帶中心靠東側(cè)地帶，沉降變形較大，最大下沉值約1.5m，對橋墩影響大。
3.2鐵路橋沉降原因分析
從礦井的1122采空區(qū)積水高程為1554.2m來看，基巖裂隙水的埋深大于100m，對工程影響不大。鉆探顯示XZ-SH-9鉆孔漏水嚴(yán)重，煤礦開采可能存在大量排水情況，大量排水會(huì)加劇地形的沉降變形。近一年多來境內(nèi)發(fā)生6次地震，震級2.1～3.4，特別是2020年1月29日、2月4日、2月6日的三次頻繁地震，時(shí)間間隔較短，地震、采礦爆破及地下水下降可能引起一些煤礦采空區(qū)發(fā)生坍塌，加劇了移動(dòng)盆地的擴(kuò)大和變形，并導(dǎo)致橋址處地基沉降變形。
4橋下采煤安全措施
為了有效開采橋下煤炭資源，并對鐵路運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性進(jìn)行最大限度的保護(hù)，可以將井下安全開采技術(shù)與地面線路維護(hù)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井上與井下的協(xié)調(diào)保護(hù)技術(shù)措施。
4.1井下安全開采技術(shù)
鐵路橋下采煤安全技術(shù)主要包含以下幾種：第一充填開采法、第二條帶開采法、第三合理布設(shè)工作面。這三種安全開采技術(shù)的應(yīng)用，可以明顯降低煤炭資源開采行為對鐵路系統(tǒng)的不利影響。經(jīng)過大量的理論與試驗(yàn)研究，第一、二種安全開采技術(shù)的應(yīng)用，對鐵路系統(tǒng)的影響最小[2]。由于鐵路與工作面的斜交，會(huì)導(dǎo)致鐵路線路出現(xiàn)扭曲變形問題，嚴(yán)重影響線路的安全行駛，所以，最科學(xué)的方法就是在鐵路的正下方進(jìn)行工作面的布置，讓鐵路線路處于地表移動(dòng)盆地的主斷面上，同時(shí)再平行于工作面推進(jìn)的方向。這樣一來，可以最大限度的降低線路的橫向移動(dòng)量，為鐵路線路的安全運(yùn)行提供保障。
4.2地面鐵路維護(hù)技術(shù)
由于煤炭開采而導(dǎo)致的鐵路橋沉降以及鐵路變形等問題是一個(gè)漫長、動(dòng)態(tài)的過程，為了能夠及時(shí)對鐵路橋沉降以及鐵路變形等問題采取及時(shí)、有效的維護(hù)措施，需要在開采煤層的同時(shí)，加強(qiáng)對鐵路橋和鐵路線路的監(jiān)測。針對已經(jīng)出現(xiàn)變形和沉降的鐵路，需要通過起道、撥道和串軌措施來進(jìn)行維護(hù)。
5橋下采煤安全措施的應(yīng)用注意事項(xiàng)
為了保障鐵路橋下采煤作業(yè)的正常推進(jìn)，且不會(huì)對列車運(yùn)行的安全性造成影響，需要對鐵路線路進(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)，確保鐵路線路可以在第一時(shí)間恢復(fù)原始狀態(tài)。同時(shí)，還要對工作面進(jìn)行科學(xué)合理的布置，降低煤層開采對鐵路線路的不利影響。
5.1加強(qiáng)采深與采厚比的控制
如果使用長壁垮落法進(jìn)行煤層的開采，需要對鐵路橋下方開采煤層的深度與厚度之比進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保其在《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》的規(guī)定范圍內(nèi)[6]。
5.2避免出現(xiàn)地表突然下沉或者塌陷的問題
根據(jù)大量的理論和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)地表突然下沉或者塌陷問題的區(qū)域主要包含以下幾種。第一淺部的近水平、緩斜或中傾斜煤層。針對這種煤層，建議采用分層采煤法，并加強(qiáng)第一、第二分層開采的厚度。第二頂板堅(jiān)硬、煤層露頭附近的急傾斜煤層。針對這種煤層，建議采用人工強(qiáng)制放頂?shù)姆绞?，并留有足夠尺寸的煤柱。同時(shí)，還要采取措施避免采空區(qū)上部煤柱抽冒。第三淺部有采空區(qū)積水、煤層上方覆巖為石灰?guī)r含水層或者充水裂隙帶空間的情況，在采動(dòng)的時(shí)候，一定要采取措施避免因?yàn)槭韪蓽\部積水而出現(xiàn)地表突然塌陷問題。另外，全部填充法以及條帶采煤法是最有效的減少地表下沉的方法[7]。
5.3加強(qiáng)地表變形的疊加影響控制
一般情況下，協(xié)調(diào)開采法、順序開采發(fā)以及無煤柱開采法的應(yīng)用，可以有效降低地表變形疊加的影響。需要注意的是，協(xié)調(diào)開采法的應(yīng)用，需要同時(shí)多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行，所以其地表下沉速度會(huì)加快。在進(jìn)行橋下安全開采的時(shí)候，需要具體情況具體分析，綜合考慮這種開采方法的優(yōu)勢與劣勢[8]。
5.4保留好鐵路煤柱
為了保證鐵路橋下煤層的安全開采，需要針對以下幾種情況保留好鐵路煤柱。第一，當(dāng)采深與采厚之比無法滿足相關(guān)規(guī)定的時(shí)候，需要在鐵路線路或者煤層進(jìn)行鐵路煤柱的保留。第二，如果鐵路線路存在嚴(yán)重滑坡的危險(xiǎn)，且一旦發(fā)生滑坡災(zāi)害，處理難度較大，那么就需要進(jìn)行鐵路煤柱的保留。第三，一級鐵路線、二級鐵路線上的一等鐵路車站以及二等鐵路車站必須要進(jìn)行鐵路煤柱的保留。第四，如果鐵路橋墩高在20m以上，必須要進(jìn)行鐵路煤柱的保留[9]。
6結(jié)束語
綜上所述，在保證鐵路線路安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鐵路橋下煤層的開采，可以對煤炭資源進(jìn)行最大限度的開采與利用，提升煤炭資源的開采量，促進(jìn)煤炭工業(yè)的發(fā)展。但是，受到各種因素的影響，橋下煤層開采容易出現(xiàn)鐵路橋沉降等問題。在這種情況下，必須要在煤層開采過程中，建立觀測站，加強(qiáng)鐵路橋沉降問題的監(jiān)測，并結(jié)合實(shí)際觀測數(shù)值，采取相應(yīng)的安全開采技術(shù)。并且，在整個(gè)煤層開采過程中，還要根據(jù)實(shí)際情況加強(qiáng)采深與采厚比的控制、避免出現(xiàn)地表突然下沉或者塌陷的問題、加強(qiáng)地表變形的疊加影響控制、保留好鐵路煤柱。
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[9]北京礦業(yè)大學(xué)，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）.鐵路下安全采煤技術(shù)[Z].
作者：張旭 陳清洪 劉偉 單位：中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司