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原文传递高铁下伏软岩采煤沉陷区变形机理与稳定性分析

论文题名：	高铁下伏软岩采煤沉陷区变形机理与稳定性分析
关键词：	高速铁路网;采煤沉陷区;变形规律;稳定性分析;数值模拟
摘要：	贵阳至南宁客运专线（简称“贵南高铁”），是连接贵阳和南宁两个重要省会城市的交通纽带，也是“一带一路”的重要衔接点。该项目南宁市区段线路设计受市区空间限制须穿越软岩地层采煤影响区，采煤沉陷区地层稳定性及能否满足高铁安全通行等关键问题亟待解决。针对这一复杂问题，论文依托贵南高铁（南宁市区段）二次选线工程，综合运用钻探、物探及岩土工程勘察等技术手段，融合软岩工程力学、煤矿开采沉陷学、工程测量、PSP-InSAR监测、数值分析等学科理论和方法，开展了采煤扰动作用及高铁动荷载作用对软岩采空区上覆岩土层沉降变形等系统研究。研究成果经过专家论证已被采用，对于未来我国高速铁路网建设具有科学意义与实际工程价值。论文主要研究内容及成果如下: 　　（1）在充分调研矿区工程地质、水文地质及煤矿开采情况基础上，采用地震映像、高密度电阻率与钻探相结合的综合勘察手段，探明了该软岩采煤沉陷区的规模大小、位置分布及充填情况。研究表明，该区域岩层以泥岩及粉砂岩为主,易产生较大变形。测线WT-4、WT-7、WT-14及WT-19的物探结果表明该处存在不同高度的充水充泥区，测线WT-3及WT-6在埋深60m和80m处存在低频反射异常，对比钻探结果可推断此处存在煤层及软弱夹层。　　（2）开展了单轴压缩、劈裂、抗剪强度试验，侧向约束膨胀试验，崩解试验，以及声波测试，得到了典型岩土体的物理力学参数指标。结合X-Ray衍射矿物成分（XRD）及岩石微观结构电镜扫描（SEM）,分析了粉砂岩和泥岩的矿物成分和微观结构特征，最后基于上述研究对该地区软岩地层进行工程力学评价。试验结果表明，该采煤沉陷区粉砂岩、泥岩及煤岩饱和单轴抗压强度均小于5MPa,为极软岩，且该采煤沉陷区主要影响地层为泥岩，其为质量较差的强膨胀性极软岩。　　（3）基于团队自主开发的“开采沉陷环境资源损害可视化评价系统”，计算得到采动作用下大盘井采空区地表变形以及移动盆地边界范围。在此基础上，采用三维数值模拟方法，综合考虑断层效应及软岩地层分布等因素，对煤层开采引起的地表变形及应力变化规律进行研究。结果表明，线位方案1不受采动作用影响，线位方案2受采动作用影响区段长约1240m,且竖向沉降分布受断层影响显著，而线位方案3途径地表移动盆地边界，其竖向沉降明显小于线位方案，但其倾斜度较大。受软岩特性及断层效应影响显著，煤层开采引起的地表变形较大且以竖向沉降为主，最大值为1330mm,但其并未处于采空区的几何中心位置，而是位于断层上盘区域。　　（4）采用PSP-InSAR技术对大盘井采煤沉陷区进行广域地表沉降监测，结合地表建筑的变形，综合评价了高铁下伏采空区稳定性，并计算得到采空区的残余变形量及变形持续时间。研究表明大盘井采空区大多数PS点形变速率为-8～4mm/a,年平均沉降量符合规范要求，且该采区终采已35年，70％的残余沉降已经发生，鉴于此可认为大盘井采空区在煤层开采后已趋于稳定。　　（5）在探明采空区、断层空间分布及获得软岩物理力学参数的基础上，采用PLAXIS有限元岩土分析软件建立了高铁动荷载作用下的软岩采煤沉陷区的数值计算模型。综合考虑软岩采空区及断层效应，研究高铁动荷载对软岩采空区地表沉降及应力的影响规律。结果表明:动力响应受断层效应影响显著，且随着深度不断增加，动应力分布及峰值大小由断层滑移主导逐渐转变为断层及采空区共同控制。高铁穿越软岩采空区动应力影响深度为40m,竖向沉降峰值先增大后减小，穿越断层时峰值达到最大为2.21mm。沉降值符合规范要求，高铁穿越该软岩采空区的稳定性良好，线位方案2可行。
作者：	曹杨
专业：	土木工程
导师：	王旭春
授予学位：	博士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023