蕉嶺地區(qū)石灰?guī)r采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線

李東亮 施紅藝 楊 哲

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

多年來，采空區(qū)一直是影響鐵路選線的重要因素，如京滬線、石太線、太焦線、瓦日鐵路等都遇到了不同程度的采空區(qū)問題。在眾多采空問題中，以煤炭采空區(qū)居多，也有少量鹽礦、銅礦等形成的采空區(qū)[1-2]。趙文[3]在銀西線彬長礦區(qū)鐵路選線中，通過調(diào)查和系統(tǒng)地分析采空區(qū)地表移動和變形規(guī)律，確定了線路選線的原則。楊英[4]通過對成貴客運專線采空區(qū)地質(zhì)選線實踐的研究，總結(jié)了采空區(qū)影響因素等問題。孫寶忠[5]在包西鐵路毛烏素沙地大面積煤礦采空區(qū)選線時，通過工程地質(zhì)條件、線路壓煤情況、工程建設(shè)難度、工程投資等綜合比選，得出推薦方案。鄧睿[6]對影響玉磨鐵路線路方案的銅礦和鹽礦采空區(qū)段進行地質(zhì)選線研究，探究合理的方案。上述工作的基本思路：在搜集資料的基礎(chǔ)上進行大范圍地質(zhì)比選，尋找可能繞避采空區(qū)的通道，對控制方案的采空區(qū)(必須經(jīng)過的走廊)采用物探、鉆探等進行驗證，并通過計算確定采空邊界及影響范圍。

以往的研究多基于煤炭采空區(qū)，而對石灰石采空區(qū)的鐵路選線研究少有論述。在閩粵地區(qū)蕉嶺縣境內(nèi)某鐵路初測過程中，調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在大量石灰石采石場，形成了眾多的石灰?guī)r采空區(qū)。此類采空區(qū)不同于煤礦、金屬礦等其他采空區(qū)，加之此地特有的地質(zhì)條件，所形成的采空區(qū)具有一定的特殊性。需對此地的石灰?guī)r采空區(qū)進行專項調(diào)查并對其特征進行深入分析，從工程地質(zhì)的角度提出選線建議。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

蕉嶺縣屬低山丘陵地貌，山地、丘陵占全縣總面積的81%，盆地占19%。地勢總體上北高南低，山地主要分布在縣境的中部、東南部、西北部，高程在500 m以上。丘陵主要分布在測區(qū)的東、西兩翼，高程100～500 m。盆地分布在測區(qū)中部長潭至三圳、新埔以南一帶，高程在100 m以下。

1.2 地層巖性

該區(qū)出露的地層從老到新有震旦系(Z)、寒武系(∈)、泥盆系(D)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、第四系(Q)。研究區(qū)內(nèi)主要為條帶狀分布于盆地兩翼的石炭系、二疊系地層。石炭系地層上部為灰—灰黑色、厚層—塊狀灰?guī)r，夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，下部為雜色泥巖、頁巖、粉砂巖、石英砂巖、砂礫巖。二疊系地層主要為灰?guī)r、砂巖、含礫砂巖、粉砂巖、頁巖、硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及煤層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)位于華夏陸臺中部，即南嶺準(zhǔn)地槽的東南邊緣，由一系列隆起帶、凹陷帶、斷裂帶和部分褶皺組成，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動的改造，構(gòu)造形跡以北東向為主，南北向、東西向、北西向為輔，有明顯的規(guī)律性。控制性構(gòu)造主要是北西向構(gòu)造的蕉嶺向斜。該向斜是廣東的重要構(gòu)造骨架，屬梅縣-蕉嶺山字形構(gòu)造的脊柱部分，延伸約35 km，寬約5～8 km，巖層傾角核部平緩，翼部陡。地層巖性及向斜構(gòu)造見圖1，剖面見圖2。

圖1 向斜構(gòu)造及方案示意

圖2 剖面

2 石灰?guī)r采空區(qū)分布及特征

2.1 采空區(qū)分布

蕉嶺境內(nèi)石灰?guī)r開采業(yè)發(fā)達。在蕉嶺盆地兩側(cè)分布有規(guī)模不一的近二十余個采石場，其中約19個正在開采，8個因開采權(quán)到期廢棄。本區(qū)域灰?guī)r分布于向斜兩翼，石場位置多呈南北向分布于盆地兩側(cè)，盆地中部為城區(qū)及農(nóng)田，兩側(cè)多為水泥廠、采石場(見圖1)。

2.2 采空區(qū)特征

本地石灰?guī)r采空區(qū)具如下特征。

(1)多層性：石灰?guī)r礦井一般為分層房柱式開采，采用汽車斜坡道開拓，一般分3～4層采掘，形成多個房廳，整體形似蜂窩。圖3為某采石場地下轉(zhuǎn)露天開采后所揭露出的開采形態(tài)。

(2)跨度大、采高大：采用房柱法采礦，形成面積達100～1 000 m2的房廳，采高10～30 m不等，地下采空規(guī)模頗為壯觀，見圖4。

圖3 多層性

圖4 大跨度、大采高

(3)采深小，埋深淺：采深最大約為150 m，多從山坡坡腳逐漸往山體內(nèi)部開采，具有近邊坡處采深淺，近山體內(nèi)部采深較大的特征。調(diào)查顯示，8個廢棄采石場中有4個塌陷區(qū)都發(fā)生于山體邊緣，即山體與盆地的過渡地帶。在長時間水、土的共同作用下，石場附近常形成地表塌陷(見圖5)。

圖5 廢棄礦井的地表塌陷

3 采空區(qū)對線路影響分析

3.1 龍騰石場概況

龍騰石場地處蕉嶺縣南部，礦區(qū)總體地貌為西南高、北東低的丘陵地帶，西南部最高山頂高程為262 m，北部為山間沖積平原，最低高程為109.41 m，相對高差153 m，一般高差為40～60 m。區(qū)內(nèi)地表水體少，僅在礦區(qū)北部邊緣有一常年性小水溝，水量隨季節(jié)變化，受大氣降雨控制。

礦區(qū)原址曾有兩個地下開采的石場，西側(cè)為將軍坑石場，東側(cè)為鹽東岌石場。采用汽車斜坡道開拓，房柱法分層開采。各井形成的采空區(qū)已有不同程度的貫通，井下積水在停止地下開采后已上升至+95 m左右。收集資料顯示，原龍騰石場地下開采石灰?guī)r的采空面積約8 000～10 000 m3。

該采石場分布地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，孤峰組泥巖、砂巖，第四系殘坡積層。構(gòu)造簡單，巖層走向北西，傾向南東，傾角較緩。

3.2 物探布置及成果

龍騰石場采空區(qū)形態(tài)分布復(fù)雜，底部積水嚴(yán)重。為進一步查明采空區(qū)的分布，布置了三條物探測線，采用高密度電法[10]進行探測。高密度電法近年應(yīng)用較廣，對采空深度150 m內(nèi)，尤其在采空內(nèi)部充水的情況下，仍可以取得很好的效果，滿足本次勘察的需求[11]。

物探布置示意如圖6，CC′測線沿線路方向，AA′、BB′垂直線位。物探解譯結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查、收集資料基本一致，該礦區(qū)存在大面積不規(guī)則采空。其中AA′、CC′測線下方采空問題突出，且采空位置多有重疊，處理難度大。BB′測線反映出礦界外側(cè)同樣有部分采空，推測為原礦越界開采所致。采空埋深約28 m，基巖頂板有一定厚度，可進行繞避或處理后通過。BB′物探成果如圖7。

圖6 物探測線示意

圖7 BB′物探測線示意

3.3 安全邊界確定

采空區(qū)地表可能產(chǎn)生連續(xù)性或非連續(xù)性的位移變形，對高速鐵路的危害主要有如下幾個方式：采空區(qū)的失穩(wěn)冒落，地表劇烈變形，產(chǎn)生陷坑、臺階等[8]。穩(wěn)定性分析方法包括預(yù)計法、解析法以及數(shù)值模擬方法。工程應(yīng)用中，多依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》及《鐵路工程地質(zhì)手冊》進行計算。

大型采空區(qū)一般在地表形成沉陷盆地，線路應(yīng)盡可能繞避沉陷盆地及邊緣影響帶。自采空區(qū)邊界至地表塌陷變形邊界之間的投影距離被稱為影響帶寬度，圍護帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離。按構(gòu)筑物保護等級和鐵路保護等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路、客運專線屬Ⅰ級，圍護帶寬度范圍應(yīng)為20 m?？紤]高速鐵路的變形要求，在勘察設(shè)計中選取邊界角進行計算[14]。對于鐵路路基、橋梁工程，安全距離可用(1)式進行計算

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

(1)

式中：L為維護帶寬度；H1為松散層厚度；H2為頂板以上基巖厚度；φ為松散層擴散角；δ為巖移角，無地方經(jīng)驗時，可按δ=k(45°+φ/2)計算(φ為巖石內(nèi)摩擦角，高速鐵路k取0.8)。

在計算安全邊界前，可根據(jù)巖溶頂板安全厚度評價法[2]初步判定頂板的穩(wěn)定性。當(dāng)頂板巖層完整時，對于水平洞頂可采用“厚跨比”控制。通過工程類比，一般完整頂板安全厚度的厚跨比最小值為0.5～0.87，當(dāng)某溶洞的頂板厚度與其跨度之比大于此值時，即認為安全。

BB′測線計算結(jié)果如下：場地地層主要為二疊系石灰?guī)r，覆蓋層為坡殘積土，厚度約10 m。圍巖頂板厚度為26 m，采空范圍寬度按100 m計，厚跨比=26/100=0.26<0.5，判定為頂板欠穩(wěn)定。按石灰?guī)r邊界角70°(坡殘積土取45°)計算采空影響范圍，東側(cè)安全邊界為采空以東地表水平距離15 m范圍內(nèi)。因此，線位距采空的安全距離為采空以東地表水平距離35 m。采空洞穴與安全邊界位置關(guān)系見圖8。

圖8 安全邊界計算示意(單位：m)

綜上，鐵路線路宜從東西兩側(cè)保留足夠安全距離通過，AA′，CC′區(qū)域存在大面積不規(guī)則采空，鐵路線路在該區(qū)域通過有較大安全隱患。

4 線路方案評價

該線路走向除受采空、滑坡等不良地質(zhì)控制外，還受大型水泥廠、站位選擇、橋隧比等制約因素控制。蕉嶺地區(qū)的擬選方案分為東側(cè)設(shè)站方案和西側(cè)設(shè)站方案(見圖1)。西側(cè)設(shè)站方案站位較好，不受周邊建筑限制，但受采空區(qū)制約，線形不順直，所采用的橋梁形式造價過高，壓覆的礦產(chǎn)資源也較多。東側(cè)設(shè)站方案雖然車站位置稍差，但繞避了眾多采空區(qū)、城區(qū)密集帶及向斜核部位置。經(jīng)綜合分析，認為東側(cè)設(shè)站方案(A1k)較優(yōu)。

5 結(jié)語和建議

(1)本地區(qū)石灰?guī)r采空區(qū)具有多層性、跨度大、采高大，采深小，埋深淺等特點。鐵路選線時通過采空區(qū)的主要原則是繞避，在無繞避條件時應(yīng)選擇安全廊道通過。

(2)在安全邊界確定時，可根據(jù)巖溶頂板安全厚度評價法初步判定頂板的穩(wěn)定性，然后依據(jù)“三下”規(guī)范計算安全邊界。