铁路路基下伏多层大型采空区治理关键技术研究

论文摘要

近年来,随着铁路工程建设的飞速发展,很多铁路项目在新建过程中无法绕避煤矿及其采空区,采空区对铁路建设的影响越来越大。路基下伏采空区在铁路附加荷载作用下的稳定性评价、铁路不同建筑物下采空区的整治方法及整治范围及深度、整治过程中的采空区应力应变、残余沉降变化及对铁路安全的影响、大型复杂采空区整治的质量及铁路安全评价都是铁路下伏采空区整治过程中需要迫切解决的技术问题。新建东都--平邑线铁路工程在DK1+360～DK3+700经沈村矿区,线路跨越长度达2.16km的地质情况较为复杂的多层大型采空区。该采空区开采时间早,其特征表现为开采规模大、开采无规律、地质条件复杂、开采资料不完善、多次重复开采、采空区层数多等。由于采空区变形,引起地面沉降乃至塌陷及房屋开裂变形等地质现象。该采空区一般具有大型沉陷盆地及小煤窑式古空区塌陷共同存在的特点,是我国铁路建设迄今为止一次性跨越规模最大的采空区,严重影响着东平线铁路的修建和正常运营,初步设计采用的全部处理方案造价高达1.8亿元之巨,约占全线静态投资的15%。论文以该采空区为研究对象,在准确获取采空区各项地质资料及覆岩物理力学参数的基础上,重点开展了以下三项关键技术研究：1)基于三维地质模型的采空区顶板围岩稳定性定量分析评价关键技术。根据本采空区上覆地层变形特征,分别对地表突然坍塌和地表移动盆地残余变形进行分析,计算出采空区各开采煤层采空安全临界埋藏深度及新建铁路线下各区段移动盆地残余变形量,并对铁路下伏采空区顶板进行稳定性评价。为减少采空区处理层数,减小采空区处理深度,根据沿线不同地段分布的采空区的工程地质特征,结合试验段建立4个代表性三维地质模型,分析模拟各层采空区注浆前后顶板围岩应力、应变特点及其稳定性,提出大型多层采空区沿线不同地段注浆加固的深度和层位,即以DK2+200为界,往小里程方向只注浆加固到13“煤采空区,往大里程方向则只注浆加固到15#煤采空区。2)采空区注浆材料配比关键参数的确定。为节约工程造价,对注浆材料大掺量粉煤灰水泥浆液配合比进行室内、外试验研究,分别进行水泥、粉煤灰不同固颗比、不同水灰比下的流动度、凝结时间试验及混合浆液凝结后不同龄期的抗压强度试验,在对试验结果进行分析的基础上,提出大掺量水泥粉煤灰浆液的最佳配合比。3)采空区试验段注浆处理效果检测方法关键技术研究。为确保注浆质量,在对采空区注浆前后场地地球物探特征认真分析的基础上,分别进行注浆前后采空区的直流电测深和浅层地震对比、及注浆前后跨孔电磁波CT和弹性波CT试验对比研究,并进行检测孔注浆量和周围注浆孔注浆量对比分析,在试验成果分析的基础上,提出大型多层采空区注浆质量检测方法应采用点（检查孔）与面（直流电测深）结合、区域（直流电测深）与局部（电磁波CT、弹性波CT）相结合,以及检查孔、注浆孔注浆量对比分析的综合注浆质量检测方法,以确保注浆质量检测的准确可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 开采沉陷研究
• 1.2.2 残余变形研究
• 1.2.3 治理方法研究
• 1.2.4 铁路采空区研究
• 1.3 本论文主要研究内容、研究思路及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法、实验方案及技术路线
• 第2章 研究区地质环境条件
• 2.1 自然地理概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气候气象
• 2.1.3 水文
• 2.2 研究区地质背景
• 2.2.1 地层岩性
• 2.2.2 地质构造
• 2.2.3 地震特征
• 2.2.4 水文地质条件
• 第3章 铁路路基下伏采空区分布特点及现状稳定性
• 3.1 煤系地层及开采情况
• 3.1.1 开采煤层
• 3.1.2 沈村矿开采概况
• 3.2 新建铁路下伏采空区区分布情况
• 3.2.1 DK1+488～DK1+830段
• 3.2.2 DK1+830～DK2+025段
• 3.2.3 DK2+025～DK2+520段
• 3.2.4 DK2+520～DK2+580段
• 3.2.5 DK2+580～DK2+985段
• 3.2.6 DK2+985～DK3+245段
• 3.2.7 DK3+245～DK3+700段
• 3.3 线路下伏采空区主要特点
• 3.4 地表变形情况及危害
• 3.5 采空区顶板围岩岩体结构特点及物理力学性质
• 3.5.1 各采空区顶板岩体结构特点
• 3.5.2 各采空区顶板岩石物理力学性质
• 3.5.3 采空区顶板围岩稳定性计算参数选取
• 第4章 采空区顶板变形及稳定性评价
• 4.1 采空区地面沉陷的一般规律
• 4.1.1 基本概念和评价指标
• 4.1.2 采空区地表破坏
• 4.2 采空区地面塌陷稳定性评价
• 4.2.1 采空区塌陷临界深度法
• 4.2.2 采空区坍塌高度法
• 4.2.3 塌落平衡拱高度法
• 4.2.4 小结
• 4.3 采空区地表移动和变形评价
• 4.3.1 铁路稳定评价参数及标准
• 4.3.2 采空区对铁路影响范围的确定
• 4.3.3 采空区稳定性评价参数
• 4.3.4 采空区地表移动和变形稳定性评价简易方法
• 4.4 采空区地表变形的概率积分法
• 4.4.1 概率积分的基本原理
• 4.4.2 单元计算与基本坐标系
• 4.4.3 地表移动和变形计算原理
• 4.4.4 计算参数取值
• 4.4.5 地表变形计算
• 4.5 小结
• 第5章 采空区顶板围岩稳定的FLAC-3D数值模拟
• 5.1 数值模拟的假定条件
• 5.1.1 采空区顶板岩体结构假定
• 5.1.2 灌浆过程及效果假定
• 5.2 第1试验段（S1）稳定性及注浆效果评价
• 5.2.1 模型建立
• 5.2.2 采空区注浆前数值模拟分析
• 5.2.3 采空区注浆后数值模拟分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 第2试验段（S2）稳定性及注浆效果评价
• 5.3.1 模型建立
• 5.3.2 采空区注浆前数值模拟分析
• 5.3.3 采空区注浆后数值模拟分析
• 5.3.4 小结
• 5.4 第3试验段（S3）稳定性及注浆效果评价
• 5.4.1 模型建立
• 5.4.2 采空区注浆前数值模拟分析
• 5.4.3 采空区注浆后数值模拟分析
• 5.4.4 小结
• 5.5 第4试验段（S4）稳定性及注浆效果评价
• 5.5.1 模型建立
• 5.5.2 采空区注浆前数值模拟分析
• 5.5.3 采空区注浆后数值模拟分析
• 5.5.4 小结
• 5.6 四个试验段不同注浆条件下地表变形对比分析
• 第6章 采空区注浆材料配比关键参数研究
• 6.1 采空区注浆特点
• 6.2 大掺量粉煤灰注浆材料室内试验研究
• 6.2.1 抗压强度试验
• 6.2.2 流动度试验
• 6.2.3 凝结时间试验
• 6.3 注浆材料施工现场室外试验
• 6.3.1 试验设计
• 6.3.2 试验结果
• 6.4 小结
• 第7章 采空区注浆质量检测方法研究
• 7.1 常规检测方法
• 7.2 物探检测方法选择
• 7.3 各种物探检测方法基本原理
• 7.4 采空区注浆检测方法设计、现场实施及数据分析
• 7.4.1 注浆场地介质地球物理特征
• 7.4.2 电法
• 7.4.3 浅层地震反射
• 7.4.4 地震波CT
• 7.4.5 电磁波CT
• 7.5 各种物探检测手段的有效性对比
• 7.6 检查孔及检查孔压浆检测
• 7.6.1 检查孔布置
• 7.6.2 钻探结果及资料分析
• 7.6.3 检查孔压浆试验
• 7.7 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果