地質選線在贛龍鐵路擴能改造工程選線中的應用

黃三強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 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,經過江西的贛南和福建的閩西地區,橫穿閩贛邊界的武夷山脈,兩側地勢差異較大,地面高程在50～1 200 m,地形地貌、地質條件十分復雜,為典型的復雜山區鐵路。

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、地質條件的嚴重制約。因此,在初測階段,開展工程地質選線對穩定線位方案，降低工程造價，控制建設成本，盡量消除地質災害的影響，減少后期維修養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域斷層地段,以及采空區、崩塌、落石等不良地質地段的地質選線,可供山區鐵路勘察設計參考。

2 地形地質概況

贛龍鐵路擴能改造工程沿線地層巖性復雜多變,從古老的震旦系硅質頁巖、板巖到白堊系紅層均有出露。白堊系地層易坍塌而失去穩定,局部地段巖層傾向線路,存在順層等不良地質現象；侏羅系地層巖體破碎,小型溜坍極發育,水土流失嚴重邊坡開挖后易失去穩定；石炭系及二疊系灰巖地層中均巖溶發育,局部存在煤層、錳礦采空區,影響地基穩定；寒武系、前寒武系地層及震旦系地層因形成時代古老、變質作用程度不一，受礦物成分、地質構造因素的綜合影響,巖體破碎,邊坡開挖后易失去穩定。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域地質構造綱要

測區內地質構造發育,構造運動引起的深大斷裂在區內形成相互交匯、復合、遷就、改造等復合形式,斷裂大小交織,對區內巖體工程地質條件影響較大,采空區、崩塌、巖溶等不良地質現象非常嚴重。贛龍鐵路擴能改造工程區域地質構造綱要見圖1。

3 幾處典型地段的地質選線

3.1 梓山隧道煤層采空區方案的確定

梓山隧道位于江西省贛州市于都縣境內,進口位于梓山鎮石人排村,出口位于梓山鎮大陂村附近,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,采空區范圍地表植被不發育。

一般認為,對于煤層采空區,原則上以繞避為主,但是,通過區域地質資料分析,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,是線位穩定的關鍵因素。

從測繪、調查訪問的資料分析,隧道采空區附近無大型道路、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。

在上述分析的基礎上,研究局部調整線位的方案。考慮新建線位右側為既有線,存在跨越既有線等問題,主要的優化方位為線位左側,對線位左側2～10 km范圍內進行了大面積測繪,測繪發現左側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,開采的規模較大,大范圍的優化可行性較小。

在小范圍的優化過程中,綜合分析測繪、調查訪問結果,原線位在2號采空區附近,而該采空區規模較大,線位向左移了100 m左右,避開了該采空區的范圍,最大限度的降低了煤層采空區的影響。

綜合以上分析,認為梓山隧道出口段采空區為手工開采,開采范圍較窄,深度較淺,無規劃,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,其他鉆孔未發現采空區。因此,認為該段局部小范圍存在小規模的采空區，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0～86 m范圍內為黃安錳礦開采區,該礦區位于瑞金市云石山鄉。黃安錳礦于1958～1960年大煉鋼時期初次發現,1976～1989年地礦部江西省909地質大隊在該礦區附近布置鉆孔勘察,1990～2009年礦區范圍內通過淺表層開挖、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向巷道。

3號平洞設計長度為110 m,設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向巷道。在平洞的左、右側及上部，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頁巖,穩定性差,且基巖內地下水發育,該平洞在停工后不久洞內就開始坍塌,無法再繼續往前掘進。

礦區3號平洞終點離線路中線僅14.47 m,洞內采空區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計高程為199.135 m,3號平洞位于蓮豐面隧道洞身左側的中部位置；隧道洞身的巖性主要為P2L黑色厚層狀炭質粉砂巖、炭質頁巖,屬于極軟巖,強度低、穩定性差。礦區內地下水較發育,且3號平洞靠近隧道附近洞內已經坍塌,對隧道較大的影響。

經多次現場踏勘、調查和比選,對該段線路的平面進行局部優化,建議線位向左偏移約170 m,繞避了該不良地質體,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并行,穿越石炭、二疊、泥盆系灰巖地層,巖溶較發育。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。工程地質條件較差,路基需要進行巖溶加固處理,石門圩站兩側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、泥盆系灰巖地層,巖溶較發育。石門圩站南面為一相對高差約100 m的灰巖地層山嶺,丘陵在谷地一側約有2 km長的陡峭山崖,存在崩塌、落石現象,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,線路主要以橋梁形式通過。

以上兩方案同屬巖溶發育區,且石門圩站山后南繞方案存在崩塌、落石及并行斷裂帶,工程地質條件相比較差,不良地質、地質構造影響較大,路基處理難度大,橋梁基礎工程較大。因此,既有線并行方案工程地質條件明顯優于南繞比較方案,從工程地質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,構造相對不發育,局部巖性變化接觸帶,可能發育有裂隙破碎帶。巖質較堅硬,初步估計長隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖約占82%,工程地質條件較好。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、三疊系軟質巖及燕山期花崗巖等地層,巖性復雜,以軟質巖為主。

在地形地貌和地質條件復雜的山區鐵路,開展遙感工程地質選線是必須的[1],借助遙感解譯,進行大范圍的工程地質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左右發育多條大的平行斷層,為賴坊-廟前區域大斷層之次級斷層,斷層北起賴坊,南經蔣坊、莒溪直抵廟前,走向NE20°,傾向NW,傾角50～60°。較多的斷層構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分布眾多礦區,一般為連城縣大型企業和本地鄉鎮企業,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號礦區中間通過,線路最近與礦區相距僅50 m,存在大型采空,對線路的穩定影響極大。

因此,北線方案工程地質條件明顯優于南線比較方案,從工程地質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泥質巖系,巖質較軟、巖體破碎,施工過程中出現山體開裂、滑動的現象,采用了隧道左右側設置錨索抗滑樁進行加固處理,右側樁底最低高程592.12 m,樁距既有線中心水平距離18 m,且樁頂設有預應力錨索,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、舊建線位關系示意見圖3。

圖3 既有線和新建線位關系示意

原線位位于既有線右側,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,基巖地基系數降低,懸臂端變形過大,產生新的滑動。

根據區域地質資料,分析在沿河既有線的北側,基巖地層為泥盆系的石英砂巖,為硬質巖,巖體相對較完整,因此,從地質的角度,建議線位改為既有線的北側,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,與初測的預測一致。

(2)新天心山隧道工程地質CK248+000～CK248+500方案確定

新天心山隧道工程地質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,局部下伏石炭系灰巖地層,巖溶發育,既有隧道施工期間出現較大涌水突泥及地面下沉病害,工程地質條件差。在初測時,現場測繪發現,灰巖地段地形較低洼,在地貌上的特征較明顯,在地質選線時,建議線位避開該低洼地段。

在臨近既有線灰巖地層地段,經過定測、補充定測布置的的6個鉆孔驗證,均為花崗巖,未發現灰巖,降低新建隧道工程的施工風險。

4 結論

贛龍擴能地處閩贛交界山區,地形地質條件十分復雜,應充分發揮地質選線的作用,盡量繞避性質復雜、難以查明的嚴重地質不良地段。

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

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

在地形地貌和地質條件復雜的山區鐵路,開展遙感工程地質選線是必須的,借助遙感解譯,進行大范圍的工程地質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的經驗,對新建線位的確定具有重要的參考價值。

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