地質(zhì)選線在贛龍鐵路擴能改造工程選線中的應(yīng)用

黃三強

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

贛龍鐵路擴能改造工程位于江西省東南部、福建省西南部。西起江西省贛州市,東至福建省龍巖市,經(jīng)過江西的贛南和福建的閩西地區(qū),橫穿閩贛邊界的武夷山脈,兩側(cè)地勢差異較大,地面高程在50～1 200 m,地形地貌、地質(zhì)條件十分復(fù)雜,為典型的復(fù)雜山區(qū)鐵路。

線路正線長度250 km,隧道90座/126 km,橋梁長度70 km,橋隧合計196 km,占線路總長度的78.4%。

線路方案受到地形地貌、地質(zhì)條件的嚴重制約。因此,在初測階段,開展工程地質(zhì)選線對穩(wěn)定線位方案，降低工程造價，控制建設(shè)成本，盡量消除地質(zhì)災(zāi)害的影響，減少后期維修養(yǎng)護的工作量具有十分重要的意義。論述了贛龍擴能改造工程區(qū)域斷層地段,以及采空區(qū)、崩塌、落石等不良地質(zhì)地段的地質(zhì)選線,可供山區(qū)鐵路勘察設(shè)計參考。

2 地形地質(zhì)概況

贛龍鐵路擴能改造工程沿線地層巖性復(fù)雜多變,從古老的震旦系硅質(zhì)頁巖、板巖到白堊系紅層均有出露。白堊系地層易坍塌而失去穩(wěn)定,局部地段巖層傾向線路,存在順層等不良地質(zhì)現(xiàn)象；侏羅系地層巖體破碎,小型溜坍極發(fā)育,水土流失嚴重邊坡開挖后易失去穩(wěn)定；石炭系及二疊系灰?guī)r地層中均巖溶發(fā)育,局部存在煤層、錳礦采空區(qū),影響地基穩(wěn)定；寒武系、前寒武系地層及震旦系地層因形成時代古老、變質(zhì)作用程度不一，受礦物成分、地質(zhì)構(gòu)造因素的綜合影響,巖體破碎,邊坡開挖后易失去穩(wěn)定。另外，沿線巖漿巖侵入作用強烈,印支期、加里東期及燕山早期各階段侵入巖體分布廣泛,侵入巖體受多期侵入及巖體自身礦物成分的影響,巖體風化深度大,大型沖溝發(fā)育,個別沖溝深達40余m,地表植被稀少,水土流失極為嚴重。

圖1 贛龍鐵路擴能改造工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要

測區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)造運動引起的深大斷裂在區(qū)內(nèi)形成相互交匯、復(fù)合、遷就、改造等復(fù)合形式,斷裂大小交織,對區(qū)內(nèi)巖體工程地質(zhì)條件影響較大,采空區(qū)、崩塌、巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象非常嚴重。贛龍鐵路擴能改造工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要見圖1。

3 幾處典型地段的地質(zhì)選線

3.1 梓山隧道煤層采空區(qū)方案的確定

梓山隧道位于江西省贛州市于都縣境內(nèi),進口位于梓山鎮(zhèn)石人排村,出口位于梓山鎮(zhèn)大陂村附近,主要開采范圍為CK60+700～CK60+950。分別采用平洞、豎井和斜井進行開采,多為淺層開采方式,存在私挖亂采情況,隧道出口附近局部存在煤洞和廢棄煤渣,采空區(qū)范圍地表植被不發(fā)育。

一般認為,對于煤層采空區(qū),原則上以繞避為主,但是,通過區(qū)域地質(zhì)資料分析,與本隧道煤系地層為同一套地層的石炭系梓山組,走向與線位呈大角度相交,范圍在10 km以上,要完全繞避,與線位的總體走向不一致,工程代價太大。

那么,對該地段進行風險評估,是線位穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

從測繪、調(diào)查訪問的資料分析,隧道采空區(qū)附近無大型道路、無大型機械開采痕跡。這就決定了隧道附近不可能存在大型的煤層采空區(qū)。

在上述分析的基礎(chǔ)上,研究局部調(diào)整線位的方案?？紤]新建線位右側(cè)為既有線,存在跨越既有線等問題,主要的優(yōu)化方位為線位左側(cè),對線位左側(cè)2～10 km范圍內(nèi)進行了大面積測繪,測繪發(fā)現(xiàn)左側(cè)2～3 km的范圍分布眾多的煤礦,主要的煤礦為排上煤礦、銅鑼坪煤礦、下西片煤礦1號～3號、上西片煤礦1號～5號、碰塘煤礦1號、坳上煤礦1號、大窩坑煤礦、新店煤礦、盆形煤礦等,其中排上煤礦、銅鑼坪煤礦、下西片煤礦1號～3號礦、上西片煤礦1號～5號為大型煤礦,開采的規(guī)模較大,大范圍的優(yōu)化可行性較小。

在小范圍的優(yōu)化過程中,綜合分析測繪、調(diào)查訪問結(jié)果,原線位在2號采空區(qū)附近,而該采空區(qū)規(guī)模較大,線位向左移了100 m左右,避開了該采空區(qū)的范圍,最大限度的降低了煤層采空區(qū)的影響。

綜合以上分析,認為梓山隧道出口段采空區(qū)為手工開采,開采范圍較窄,深度較淺,無規(guī)劃,少支撐,局部小范圍存在個別小型采空,對線位的影響很小。

目前,經(jīng)過補充定測的物探、鉆探驗證,共布置了21個鉆孔(鉆孔間距15～30 m),僅有1個鉆孔在高程159.4～155.3 m處揭示存在采空巷道,其他鉆孔未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。因此,認為該段局部小范圍存在小規(guī)模的采空區(qū)，驗證了初測方案確定的正確性。

3.2 黃安錳礦方案確定

原線位CK98+650～CK98+806蓮豐面隧道出口附近淺埋段左側(cè)0～86 m范圍內(nèi)為黃安錳礦開采區(qū),該礦區(qū)位于瑞金市云石山鄉(xiāng)。黃安錳礦于1958～1960年大煉鋼時期初次發(fā)現(xiàn),1976～1989年地礦部江西省909地質(zhì)大隊在該礦區(qū)附近布置鉆孔勘察,1990～2009年礦區(qū)范圍內(nèi)通過淺表層開挖、豎井開采和平洞開采三種方式開采錳礦石(見圖2)。

圖2 黃安錳礦與線位關(guān)系

淺表層挖掘主要位于山坡上部表層,多為簡單的手工開采。這期間礦區(qū)共開挖有5口豎井：1號豎井Sj-1直徑2.0 m、井深10～15 m,2號豎井Sj-2直徑1.5 m、井深10～15 m，3號豎井Sj-3直徑1.5 m、井深10～15 m,4號豎井Sj-4直徑2.0 m、井深10～15 m,5號豎井Sj-5直徑2.0 m、井深10～15 m。目前5口豎井均已用水泥封死,僅距井口有約0.3～1.0 m深度沒有封閉。

1號平洞：洞口寬、高為1.3 m×1.5 m,洞身長約15 m,現(xiàn)場測量洞身軸線方位約為275°,開挖坡度為3‰,近于水平,平洞四周沒有向外擴展開采。

2號平洞：洞口寬、高為1.2 m×1.7 m,洞身長約20 m,現(xiàn)場測量洞身軸線方位約為270°,坡度為3‰,近于水平開挖,平洞四周沒有向外擴展開采,兩處平洞均沒有開挖側(cè)向巷道。

3號平洞設(shè)計長度為110 m,設(shè)計的錳礦主礦體在距洞口90～110 m處。3號平洞洞口寬、高為1.5 m×1.9 m,現(xiàn)場測量洞身軸線自洞口呈225°方位向礦脈方向掘進約12 m后,再呈185°方位向礦脈方向開挖,掘進長約70 m,洞身向上坡度均為3‰,近于水平,該平洞洞身均沒有開挖側(cè)向巷道。在平洞的左、右側(cè)及上部，開挖一個寬高約為3.0 m×3.0 m、長5～6 m的開采空間；在距洞口約70 m處遇到錳礦；在平洞的左、右側(cè)及上部，開挖一個3.0 m×4.0 m、長約為7 m的開采空間。3號平洞穿過的巖性主要為黑色的炭質(zhì)頁巖,穩(wěn)定性差,且基巖內(nèi)地下水發(fā)育,該平洞在停工后不久洞內(nèi)就開始坍塌,無法再繼續(xù)往前掘進。

礦區(qū)3號平洞終點離線路中線僅14.47 m,洞內(nèi)采空區(qū)最近處離線路中線也僅19.07 m,對蓮豐面隧道有影響。3號平洞終點洞底高程為203.81 m,其離隧道最近處的軌面設(shè)計高程為199.135 m,3號平洞位于蓮豐面隧道洞身左側(cè)的中部位置；隧道洞身的巖性主要為P2L黑色厚層狀炭質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖,屬于極軟巖,強度低、穩(wěn)定性差。礦區(qū)內(nèi)地下水較發(fā)育,且3號平洞靠近隧道附近洞內(nèi)已經(jīng)坍塌,對隧道較大的影響。

經(jīng)多次現(xiàn)場踏勘、調(diào)查和比選,對該段線路的平面進行局部優(yōu)化,建議線位向左偏移約170 m,繞避了該不良地質(zhì)體,消除了可能的工程隱患。

3.3 石門圩南外繞方案比較(CK95+500～CK106+700)

(1)既有線并行方案

該方案在既有線南側(cè)并行,穿越石炭、二疊、泥盆系灰?guī)r地層,巖溶較發(fā)育。該方案路基長約5 769 m,主要以低路堤及路塹形式通過；橋梁長3 264 m；隧道長約2 620 m。工程地質(zhì)條件較差,路基需要進行巖溶加固處理,石門圩站兩側(cè)深路塹需要進行邊坡加固防護。

(2)石門圩站山后南繞方案

該方案在石門圩站山后南繞,穿越石炭、二疊、泥盆系灰?guī)r地層,巖溶較發(fā)育。石門圩站南面為一相對高差約100 m的灰?guī)r地層山嶺,丘陵在谷地一側(cè)約有2 km長的陡峭山崖,存在崩塌、落石現(xiàn)象,坡腳已見多處巖堆。有一斷裂帶走向與基本并行,長度約1.5 km。該方案路基長約2 782 m,主要以低路堤及路塹形式通過；橋梁長7 007 m；隧道長約1 311 m。路基需要進行巖溶加固處理,深路塹需要進行邊坡加固防護,陡峭山崖的崩塌、落石地段應(yīng)繞避或采用攔截防護措施進行處理。該方案跨越大片居民區(qū),線路主要以橋梁形式通過。

以上兩方案同屬巖溶發(fā)育區(qū),且石門圩站山后南繞方案存在崩塌、落石及并行斷裂帶,工程地質(zhì)條件相比較差,不良地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造影響較大,路基處理難度大,橋梁基礎(chǔ)工程較大。因此,既有線并行方案工程地質(zhì)條件明顯優(yōu)于南繞比較方案,從工程地質(zhì)方面建議采用并行方案,得到了采納。

3.4 冠豸山至上杭方案(CK214+000～CK252+500)比較

(1)北線方案

該方案遠離既有線,主要以梅花山長隧道(13 497 m)通過。穿越石炭系、泥盆系、燕山期花崗巖地層,巖性以花崗巖、砂巖等為主,巖性比較單一,構(gòu)造相對不發(fā)育,局部巖性變化接觸帶,可能發(fā)育有裂隙破碎帶。巖質(zhì)較堅硬,初步估計長隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖約占82%,工程地質(zhì)條件較好。該方案路基長約2 613.82 m,橋梁長約4 689.18 m,隧道長約24 940 m。工程施工難度較小,工程造價相對較低。

(2)南線方案

該方案靠近既有線,穿越下第三系、石炭系、白堊系、侏儒系、二疊系、泥盆系、三疊系軟質(zhì)巖及燕山期花崗巖等地層,巖性復(fù)雜,以軟質(zhì)巖為主。

在地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路,開展遙感工程地質(zhì)選線是必須的[1],借助遙感解譯,進行大范圍的工程地質(zhì)選線具有非常重要的意義。本次初測遙感成果揭示,該方案在CK218+000～CK221+000段、CK232+000～CK236+000段,距線位100 m左右發(fā)育多條大的平行斷層,為賴坊-廟前區(qū)域大斷層之次級斷層,斷層北起賴坊,南經(jīng)蔣坊、莒溪直抵廟前,走向NE20°,傾向NW,傾角50～60°。較多的斷層構(gòu)造帶對隧道工程影響極大,存在較多的安全隱患。

另外,該方案通過的廟前鎮(zhèn)分布眾多礦區(qū),一般為連城縣大型企業(yè)和本地鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè),同時存在較多的私人礦,礦道較亂。

南線方案在連城廟前司前庵大型錳礦1、2號礦區(qū)中間通過,線路最近與礦區(qū)相距僅50 m,存在大型采空,對線路的穩(wěn)定影響極大。

因此,北線方案工程地質(zhì)條件明顯優(yōu)于南線比較方案,從工程地質(zhì)方面建議采用北線方案。

3.5 部分既有線施工病害地段方案的確定

(1)古田隧道滑坡地段方案

既有線K260+350～K260+500段,其地層為元古界板溪群古老的變質(zhì)泥質(zhì)巖系,巖質(zhì)較軟、巖體破碎,施工過程中出現(xiàn)山體開裂、滑動的現(xiàn)象,采用了隧道左右側(cè)設(shè)置錨索抗滑樁進行加固處理,右側(cè)樁底最低高程592.12 m,樁距既有線中心水平距離18 m,且樁頂設(shè)有預(yù)應(yīng)力錨索,長30 m,錨索端水平距既有線中心44 m,距既有洞頂僅3.5 m。既有線和新、舊建線位關(guān)系示意見圖3。

圖3 既有線和新建線位關(guān)系示意

原線位位于既有線右側(cè),基本平行既有線,新建隧道的爆破震動、施工對既有線隧道影響很大,可能存在破壞既有線隧道邊坡錨索附近的地層,造成錨索松動,錨固力降低,錨索失效；以及抗滑樁錨固段基巖地層松動,基巖地基系數(shù)降低,懸臂端變形過大,產(chǎn)生新的滑動。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,分析在沿河既有線的北側(cè),基巖地層為泥盆系的石英砂巖,為硬質(zhì)巖,巖體相對較完整,因此,從地質(zhì)的角度,建議線位改為既有線的北側(cè),既消除了新建隧道施工對既有線的影響,又在相對較好的地層中穿越。從目前補充定測的鉆孔揭示來看,與初測的預(yù)測一致。

(2)新天心山隧道工程地質(zhì)CK248+000～CK248+500方案確定

新天心山隧道工程地質(zhì)CK248+000～CK248+500(既有線天心山隧道K271+500～K272+000)基巖以花崗巖、粉砂巖為主,局部下伏石炭系灰?guī)r地層,巖溶發(fā)育,既有隧道施工期間出現(xiàn)較大涌水突泥及地面下沉病害,工程地質(zhì)條件差。在初測時,現(xiàn)場測繪發(fā)現(xiàn),灰?guī)r地段地形較低洼,在地貌上的特征較明顯,在地質(zhì)選線時,建議線位避開該低洼地段。

在臨近既有線灰?guī)r地層地段,經(jīng)過定測、補充定測布置的的6個鉆孔驗證,均為花崗巖,未發(fā)現(xiàn)灰?guī)r,降低新建隧道工程的施工風險。

4 結(jié)論

贛龍擴能地處閩贛交界山區(qū),地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜,應(yīng)充分發(fā)揮地質(zhì)選線的作用,盡量繞避性質(zhì)復(fù)雜、難以查明的嚴重地質(zhì)不良地段。

通過后續(xù)補充定測的驗證,梓山煤層采空區(qū)、冠豸山至上杭北線等方案的確定是合理的。

山區(qū)鐵路經(jīng)過范圍內(nèi),由于成礦條件較好,礦產(chǎn)資源非常豐富,如何盡量避免礦區(qū)、采空區(qū)對線路的影響,是山區(qū)鐵路選線的重要工作之一。

在地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路,開展遙感工程地質(zhì)選線是必須的,借助遙感解譯,進行大范圍的工程地質(zhì)選線具有非常重要的意義。

對于臨近既有線的擴能改造工程而言,充分吸取既有線施工地質(zhì)的經(jīng)驗,對新建線位的確定具有重要的參考價值。

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