铁路桥沉降观测及桥下采煤安全措施

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关键词：铁路桥；沉降观测；桥下采煤；安全措施

在我国社会经济的发展过程中，铁路是最重要的交通运输设施之一。为了保障铁路安全运营，并将铁路桥下的煤炭资源进行最大限度的释放，必须要加强铁路桥的沉降观测，做好铁路维护。通过各种措施来提升铁路构筑物安全。

1铁路桥下采煤特点分析

随着煤层开采作业的持续性推进，地表移动盆地范围内的铁路工程会产生不同程度的变形或者移动。这种变形或者移动包含两种情况：一种是连续性的，逐渐发生于时空间中，且路基的变形与地表基本相同；另一种是非连续性的，具有一定的突变性，地表会出现突然塌陷、开裂或者下沉。其中，尤以非连续性的变形和位移，对铁路正常运行产生的影响最大。一般情况下，如果铁路压煤范围内的煤层采深和采厚的比值超过一定范围后，就会出现连续性的地表移动或者变形。此时，可以通过及时有效的维修措施来保障铁路系统的安全运行。与建筑物下采煤相比，铁路桥下采煤主要表现出了以下三大特点。首先，铁路桥下采煤，必须要为过往列车运行的安全性提供保障，所以安全要求更高。其次，铁路列车的运行具有重量大、速度快的特点，所以铁路线路与列车的动荷载作用之间有着密切的联系。煤层开采导致的地表移动与变形，都会对铁路线路造成不可忽视的影响。所以，铁路线路的移动、变形以及沉降等问题的出现都具有一定的复杂性。最后，在煤层开采过程中，如果观测到铁路线路出现了变形、沉降或者移动，可以通过及时的维护来消除。而这是建筑物下采煤无法做到的[1]。

2某线铁路四线大桥的概况

某线铁路四线大桥于1999年开工建设，2000年竣工，位于西井煤矿0号、1号、7号、8矿区拐点范围内。检测单位采用高密度电法对3#墩周围地质情况进行了探测。初步查明铁路四线大桥3#墩周围存在5处低阻异常（Y1-1、Y3-1、Y4-1、Y4-2、Y5-1），其中Y4-1异常较明显，该低阻异常可能为泥岩煤层地质体、裂隙发育富水区域等造成。煤矿设计单位2017年5月编制设计的《某矿井安全设施设计说明书》未具体明确老窑采区位置。查阅煤矿设计单位2017年5月编制设计的《矿井安全设施设计说明书》发现，铁路煤柱的留设按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中第20条垂直剖面法对铁路留设铁路保护煤柱，铁路保护等级按国家I级铁路标准，围护带宽度为15m。预计矿井采动下山移动角取55°，上山移动角60°。根据预计矿井采动下、上山移动角，留设煤柱，留设宽度120m，铁路煤柱与河流煤柱部分重叠，设计按铁路煤柱的投影范围留设，既保护了铁路又保护了河流。

3铁路桥沉降观测与相关分析

3.1铁路桥沉降实际情况

通过采用工程地质测绘、观测网、钻探，原位测试、土工试验、孔间CT等方法（图2）、物探等手段，发现既有铁路K98+350～K99+050左右200m范围普遍存在地面或房屋开裂现象，以铁路四线大桥2#～5#墩范围最为严重，同时在桥梁6#～8#墩右侧亦有较大的裂缝。根据现场地面及房屋变形特征及桥梁沉降监测资料分析，铁路四线大桥的地面沉降变形主要分布于2#~4#墩之间，其它桥墩变形小，地面沉陷主要范围为K98+690左65m～K98+800右95m，整个区域地面或房屋沉降变形严重，形成一个较独立的移动盆地。移动盆地的塌陷中心大致位于K98+760右侧40m的童心幼儿园门口附近，形成一个长轴约320m，短轴约100m的椭圆形移动下沉区，面积约25000m2，长轴方向约N78°W，与岩层走向行，属倾斜采空区，沉陷长轴穿越于铁路四线大桥3#~4#墩，涉及范围为1#～5#桥墩，该移动盆地可能与5#煤洞或不明采空区有关。移动盆地塌落带大致分布于K98+700左40m～K98+780右90m范围，铁路四线大桥2#~4#墩位于塌落带范围，长轴与铁路交角约53°，通过于3#墩附近（K98+740），按煤层走向岩土移动角（覆盖层按45°，岩石移动角65°）推算，煤洞采空区大致埋深约130m。桥梁工程处于该塌落带中心靠东侧地带，沉降变形较大，最大下沉值约1.5m，对桥墩影响大。

3.2铁路桥沉降原因分析

从矿井的1122采空区积水高程为1554.2m来看，基岩裂隙水的埋深大于100m，对工程影响不大。钻探显示XZ-SH-9钻孔漏水严重，煤矿开采可能存在大量排水情况，大量排水会加剧地形的沉降变形。近一年多来境内发生6次地震，震级2.1～3.4，特别是2020年1月29日、2月4日、2月6日的三次频繁地震，时间间隔较短，地震、采矿爆破及地下水下降可能引起一些煤矿采空区发生坍塌，加剧了移动盆地的扩大和变形，并导致桥址处地基沉降变形。

4桥下采煤安全措施

为了有效开采桥下煤炭资源，并对铁路运行的安全性与稳定性进行最大限度的保护，可以将井下安全开采技术与地面线路维护技术进行有机的结合，实现井上与井下的协调保护技术措施。

4.1井下安全开采技术

铁路桥下采煤安全技术主要包含以下几种：第一充填开采法、第二条带开采法、第三合理布设工作面。这三种安全开采技术的应用，可以明显降低煤炭资源开采行为对铁路系统的不利影响。经过大量的理论与试验研究，第一、二种安全开采技术的应用，对铁路系统的影响最小[2]。由于铁路与工作面的斜交，会导致铁路线路出现扭曲变形问题，严重影响线路的安全行驶，所以，最科学的方法就是在铁路的正下方进行工作面的布置，让铁路线路处于地表移动盆地的主断面上，同时再平行于工作面推进的方向。这样一来，可以最大限度的降低线路的横向移动量，为铁路线路的安全运行提供保障。

4.2地面铁路维护技术

由于煤炭开采而导致的铁路桥沉降以及铁路变形等问题是一个漫长、动态的过程，为了能够及时对铁路桥沉降以及铁路变形等问题采取及时、有效的维护措施，需要在开采煤层的同时，加强对铁路桥和铁路线路的监测。针对已经出现变形和沉降的铁路，需要通过起道、拨道和串轨措施来进行维护。

5桥下采煤安全措施的应用注意事项

为了保障铁路桥下采煤作业的正常推进，且不会对列车运行的安全性造成影响，需要对铁路线路进行及时有效的维护，确保铁路线路可以在第一时间恢复原始状态。同时，还要对工作面进行科学合理的布置，降低煤层开采对铁路线路的不利影响。

5.1加强采深与采厚比的控制

如果使用长壁垮落法进行煤层的开采，需要对铁路桥下方开采煤层的深度与厚度之比进行严格的控制，确保其在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定范围内[6]。

5.2避免出现地表突然下沉或者塌陷的问题

根据大量的理论和试验，发现出现地表突然下沉或者塌陷问题的区域主要包含以下几种。第一浅部的近水平、缓斜或中倾斜煤层。针对这种煤层，建议采用分层采煤法，并加强第一、第二分层开采的厚度。第二顶板坚硬、煤层露头附近的急倾斜煤层。针对这种煤层，建议采用人工强制放顶的方式，并留有足够尺寸的煤柱。同时，还要采取措施避免采空区上部煤柱抽冒。第三浅部有采空区积水、煤层上方覆岩为石灰岩含水层或者充水裂隙带空间的情况，在采动的时候，一定要采取措施避免因为疏干浅部积水而出现地表突然塌陷问题。另外，全部填充法以及条带采煤法是最有效的减少地表下沉的方法[7]。

5.3加强地表变形的叠加影响控制

一般情况下，协调开采法、顺序开采发以及无煤柱开采法的应用，可以有效降低地表变形叠加的影响。需要注意的是，协调开采法的应用，需要同时多个工作面同时进行，所以其地表下沉速度会加快。在进行桥下安全开采的时候，需要具体情况具体分析，综合考虑这种开采方法的优势与劣势[8]。

5.4保留好铁路煤柱

为了保证铁路桥下煤层的安全开采，需要针对以下几种情况保留好铁路煤柱。第一，当采深与采厚之比无法满足相关规定的时候，需要在铁路线路或者煤层进行铁路煤柱的保留。第二，如果铁路线路存在严重滑坡的危险，且一旦发生滑坡灾害，处理难度较大，那么就需要进行铁路煤柱的保留。第三，一级铁路线、二级铁路线上的一等铁路车站以及二等铁路车站必须要进行铁路煤柱的保留。第四，如果铁路桥墩高在20m以上，必须要进行铁路煤柱的保留[9]。

6结束语

综上所述，在保证铁路线路安全运行的基础上，进行铁路桥下煤层的开采，可以对煤炭资源进行最大限度的开采与利用，提升煤炭资源的开采量，促进煤炭工业的发展。但是，受到各种因素的影响，桥下煤层开采容易出现铁路桥沉降等问题。在这种情况下，必须要在煤层开采过程中，建立观测站，加强铁路桥沉降问题的监测，并结合实际观测数值，采取相应的安全开采技术。并且，在整个煤层开采过程中，还要根据实际情况加强采深与采厚比的控制、避免出现地表突然下沉或者塌陷的问题、加强地表变形的叠加影响控制、保留好铁路煤柱。

参考文献：

[1]徐磊.铁路桥沉降变形预计与观测[J].煤炭技术，2005，24（8）：77-78.

[2]闫希文.郑西客运专线桥涵基础沉降观测方法[J].桥梁建设，2008（1）：80-83.

[3]闫鑫，叶阳升，张梅，等.地铁隧道下穿既有铁路桥施工影响分析[J].铁道建筑，2012（6）：84-85.

[4]丁俊良.试论铁路桥梁桩基沉降问题[J].城市建设理论研究（电子版），2015（17）：5636-5637.

[5]张宏志.铁路桥沉降观测及桥下采煤安全措施研究[J].冶金与材料，2019，39（1）：80-81.

[6]徐建国.南屯煤矿公路桥下采煤方案研究[J].煤矿现代化，2011（1）：128-129.

[7]王云龙.公路桥下采煤地表移动规律分析[J].现代商贸工业，2011，23（17）：299-300.

[8]徐健.王河铁路桥下采煤铁路行车安全对策[J].南北桥，2008（5）：77，79.

[9]北京矿业大学，中国矿业大学（北京）.铁路下安全采煤技术[Z].

作者：张旭 陈清洪 刘伟 单位：中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司