蕉嶺地區石灰巖采空區鐵路工程地質選線

李東亮 施紅藝 楊 哲

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

多年來，采空區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問題。在眾多采空問題中，以煤炭采空區居多，也有少量鹽礦、銅礦等形成的采空區[1-2]。趙文[3]在銀西線彬長礦區鐵路選線中，通過調查和系統地分析采空區地表移動和變形規律，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地質選線實踐的研究，總結了采空區影響因素等問題。孫寶忠[5]在包西鐵路毛烏素沙地大面積煤礦采空區選線時，通過工程地質條件、線路壓煤情況、工程建設難度、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段進行地質選線研究，探究合理的方案。上述工作的基本思路：在搜集資料的基礎上進行大范圍地質比選，尋找可能繞避采空區的通道，對控制方案的采空區(必須經過的走廊)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，而對石灰石采空區的鐵路選線研究少有論述。在閩粵地區蕉嶺縣境內某鐵路初測過程中，調查發現存在大量石灰石采石場，形成了眾多的石灰巖采空區。此類采空區不同于煤礦、金屬礦等其他采空區，加之此地特有的地質條件，所形成的采空區具有一定的特殊性。需對此地的石灰巖采空區進行專項調查并對其特征進行深入分析，從工程地質的角度提出選線建議。

1 地質概況

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的東、西兩翼，高程100～500 m。盆地分布在測區中部長潭至三圳、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)。研究區內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—塊狀灰巖，夾白云質灰巖、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巖、砂巖、含礫砂巖、粉砂巖、頁巖、硅質頁巖、炭質頁巖及煤層。

1.3 地質構造

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

圖1 向斜構造及方案示意

圖2 剖面

2 石灰巖采空區分布及特征

2.1 采空區分布

蕉嶺境內石灰巖開采業發達。在蕉嶺盆地兩側分布有規模不一的近二十余個采石場，其中約19個正在開采，8個因開采權到期廢棄。本區域灰巖分布于向斜兩翼，石場位置多呈南北向分布于盆地兩側，盆地中部為城區及農田，兩側多為水泥廠、采石場(見圖1)。

2.2 采空區特征

本地石灰巖采空區具如下特征。

(1)多層性：石灰巖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為某采石場地下轉露天開采后所揭露出的開采形態。

(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部開采，具有近邊坡處采深淺，近山體內部采深較大的特征。調查顯示，8個廢棄采石場中有4個塌陷區都發生于山體邊緣，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。區內地表水體少，僅在礦區北部邊緣有一常年性小水溝，水量隨季節變化，受大氣降雨控制。

礦區原址曾有兩個地下開采的石場，西側為將軍坑石場，東側為鹽東岌石場。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巖的采空面積約8 000～10 000 m3。

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

3.2 物探布置及成果

龍騰石場采空區形態分布復雜，底部積水嚴重。為進一步查明采空區的分布，布置了三條物探測線，采用高密度電法[10]進行探測。高密度電法近年應用較廣，對采空深度150 m內，尤其在采空內部充水的情況下，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。物探解譯結果與現場調查、收集資料基本一致，該礦區存在大面積不規則采空。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

采空區地表可能產生連續性或非連續性的位移變形，對高速鐵路的危害主要有如下幾個方式：采空區的失穩冒落，地表劇烈變形，產生陷坑、臺階等[8]。穩定性分析方法包括預計法、解析法以及數值模擬方法。工程應用中，多依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》及《鐵路工程地質手冊》進行計算。

大型采空區一般在地表形成沉陷盆地，線路應盡可能繞避沉陷盆地及邊緣影響帶。自采空區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。按構筑物保護等級和鐵路保護等級劃分標準，高速鐵路、客運專線屬Ⅰ級，圍護帶寬度范圍應為20 m?？紤]高速鐵路的變形要求，在勘察設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，無地方經驗時，可按δ=k(45°+φ/2)計算(φ為巖石內摩擦角，高速鐵路k取0.8)。

在計算安全邊界前，可根據巖溶頂板安全厚度評價法[2]初步判定頂板的穩定性。當頂板巖層完整時，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′測線計算結果如下：場地地層主要為二疊系石灰巖，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，判定為頂板欠穩定。按石灰巖邊界角70°(坡殘積土取45°)計算采空影響范圍，東側安全邊界為采空以東地表水平距離15 m范圍內。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保留足夠安全距離通過，AA′，CC′區域存在大面積不規則采空，鐵路線路在該區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。蕉嶺地區的擬選方案分為東側設站方案和西側設站方案(見圖1)。西側設站方案站位較好，不受周邊建筑限制，但受采空區制約，線形不順直，所采用的橋梁形式造價過高，壓覆的礦產資源也較多。東側設站方案雖然車站位置稍差，但繞避了眾多采空區、城區密集帶及向斜核部位置。經綜合分析，認為東側設站方案(A1k)較優。

5 結語和建議

(1)本地區石灰巖采空區具有多層性、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的主要原則是繞避，在無繞避條件時應選擇安全廊道通過。

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