大面積采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線原則探討★

徐彩風

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

鐵路線路選線時對于采空區(qū)路段一般采取繞避措施，但隨著礦石的大量開采，采空區(qū)的面積不斷擴大，同時新建鐵路造價高，半徑要求標準高，單純繞避已無法適應工程需求。我國已開通運營的合福鐵路、寧安客專、武廣客專、沈丹客專等鐵路干線，勘測階段均面臨著采空區(qū)段工程地質(zhì)選線的技術(shù)難題，鐵路勘察設計人員積累了一定的工程經(jīng)驗[1-5]。但我國礦產(chǎn)資源豐富，各類采空區(qū)分布廣泛，隨著交通強國戰(zhàn)略的扎實推進，將來會有更多的鐵路項目遇到同類問題，因此對穿越大面積采空區(qū)的鐵路進行工程地質(zhì)選線原則的探討十分必要。

1 大面積采空區(qū)巖移角概念

大面積采空區(qū)地下礦體采空后，引起地面下沉變形。地表變形開始時表現(xiàn)為凹地，隨著采空區(qū)的不斷擴大，凹地不斷發(fā)展形成凹陷盆地。地表變形范圍內(nèi)的區(qū)域統(tǒng)稱為采空區(qū)移動盆地，示意圖見圖1。

依據(jù)地表變形值的大小與變形特征，自移動盆地中心向邊緣將移動盆地分為如下3個區(qū)。

1)均勻下沉區(qū)(中間區(qū))：為盆地中心的平底部分。區(qū)內(nèi)地表下沉均勻，地面平坦，一般無明顯裂縫。

2)移動區(qū)(危險變形區(qū))：區(qū)內(nèi)地表下沉不均勻，并常有裂縫伴生，對線路及建筑物破壞作用較大。結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，移動區(qū)邊緣地表變形控制標準為地表傾斜不超過3 mm/m，地表曲率不大于0.2 mm/m2或地表水平變形不超過2 mm/m。但對下沉變形標準未明確規(guī)定。結(jié)合我國各地采空區(qū)變形監(jiān)測成果，其臨界變形值處的下沉量往往為數(shù)厘米。

3)輕微變形區(qū)：地表變形值較小，其外圍邊界一般以地表下沉值10 mm來作為劃分標準。

在采空區(qū)研究中，最常用的巖移角有3種，分別為裂縫角、移動角與邊界角，其分別對應采空區(qū)邊界與中間區(qū)、危險變形區(qū)、輕微變形區(qū)的外邊界點連線和水平線在采空區(qū)外側(cè)的夾角。

2 大面積采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線安全距離

2.1 安全距離計算

自采空區(qū)邊界至地表變形邊界之間的投影距離稱為影響帶寬度。在鐵路選線設計中，影響帶寬度一般以巖移角進行估算，并增設一定寬度的圍護帶，將線路選擇在采空區(qū)邊緣一定距離以外通過，以確保鐵路的安全。此時，圍護帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離，如圖2中M所示。

安全距離計算公式為：

M=L+H1cotφ+H2cotδ

(1)

其中，L為圍護帶寬度，m；H1為松散層厚度，m；H2為頂板以上基巖厚度，m；φ為松散層塌陷擴散角，(°)；δ為巖體巖移角，(°)。

2.2 圍護帶寬度確定

圍護帶寬度由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》確定。根據(jù)保護的鐵路等級不同，劃分為五個保護等級，其圍護帶寬度見表1。

表1 鐵路保護等級劃分

式(1)中松散層厚度、頂板以上基巖厚度為采空區(qū)幾何條件，可通過礦區(qū)資料或地質(zhì)勘察手段獲得；松散層塌陷擴散角為巖土體力學參數(shù)，可由室內(nèi)試驗或經(jīng)驗獲取。圍護帶寬度由表1確定。因此，巖體巖移角是控制采空區(qū)工程地質(zhì)選線原則的關(guān)鍵參數(shù)。

3 巖體巖移角的選擇

根據(jù)慣例，巖體巖移角一般根據(jù)采空區(qū)觀測資料或地方經(jīng)驗取值，由于多數(shù)采空區(qū)未進行長期有效的變形監(jiān)測而缺少數(shù)量，地方經(jīng)驗又相對籠統(tǒng)，往往安全距離過于保守，已經(jīng)開通的多條高鐵因采空區(qū)的影響，進行了較大范圍的平面展線繞避，投資增加較大，且影響運營時分。傳統(tǒng)的巖移角選取方法已難以適應狹窄通道條件下高速鐵路精準選線的需求。隨著InSar技術(shù)的引入和“空天地”一體化勘測技術(shù)的日新月異，采空區(qū)地表變形的精準測量、形變速率分析、殘余變形預測已經(jīng)成為現(xiàn)實，結(jié)合鐵路等級開展精準化工程地質(zhì)選線意義重大。

通過系統(tǒng)研究現(xiàn)行鐵路設計規(guī)范，從曲率、傾斜、沉降三個標準出發(fā)探討鐵路工程地質(zhì)選線巖移角的選取原則[6-10]。

3.1 曲率控制

根據(jù)《Ⅲ，Ⅳ級鐵路設計規(guī)范》，時速100 km/h～120 km/h，相鄰坡段坡度差大于3‰時，豎曲線半徑應采用10 000 m，即控制曲率為0.1 mm/m2；時速不超過80 km/h時，豎曲線半徑可采用3 000 m～5 000 m，即控制曲率為0.2 mm/m2～0.33 mm/m2。

根據(jù)《鐵路線路設計規(guī)范》，Ⅰ級、Ⅱ級鐵路設計時速小于160 km/h，相鄰坡段的坡度差大于3‰時，豎曲線半徑不得小于10 000 m，其控制曲率為0.1 mm/m2。

根據(jù)《鐵路線路設計規(guī)范》，設計時速不小于160 km/h時，相鄰坡段的坡度差大于1‰時，豎曲線半徑不得小于15 000 m，即控制曲率為0.067 mm/m2。

根據(jù)《重載鐵路設計規(guī)范》，相鄰坡段的坡度差大于3‰時，應以圓曲線形豎曲線連接，豎曲線半徑應采用10 000 m，其控制曲率為0.1 mm/m2。

根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》，最小豎曲線半徑采用標準為20 000 m～25 000 m，其控制曲率為0.04 mm/m2～0.05 mm/m2。曲率控制時不同等級鐵路巖移角選擇原則見表2。

表2 曲率控制時不同等級鐵路巖移角選擇原則

由表2可知，移動角對應的地表曲率變形標準為0.2 mm/m2。綜上可見，設計時速不超過80 km/h的Ⅲ級、Ⅳ級鐵路控制曲率為0.2 mm/m2～0.33 mm/m2，采用移動角計算安全距離安全；重載鐵路、Ⅰ級、Ⅱ級鐵路(<160 km/h)及設計時速100 km/h～120 km/h的Ⅲ級、Ⅳ級鐵路，控制曲率略小于移動角地表曲率變形標準的0.2 mm/m2，采用移動角計算安全距離基本可行；更高等級鐵路采用移動角計算安全距離是不安全的。

3.2 傾斜控制

《鐵路橋涵設計規(guī)范》《重載鐵路設計規(guī)范》《Ⅲ,Ⅳ級鐵路設計規(guī)范》規(guī)定：重載鐵路、設計時速不大于160 km/h的Ⅰ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅳ級鐵路，對于靜定結(jié)構(gòu)，墩臺工后沉降控制標準為80 mm，相鄰墩臺均勻沉降差不得超過40 mm；200 km/h客貨共線鐵路，對于靜定結(jié)構(gòu)，墩臺工后沉降控制標準為50 mm，相鄰墩臺均勻沉降差不得超過20 mm。按常規(guī)32 m簡支梁計算，相鄰墩臺沉降差控制標準40 mm，20 mm對應的傾斜分別為1.25 mm/m和0.625 mm/m，均小于移動角對應3 mm/m的傾斜值。對于200 km/h客貨共線鐵路，采用移動角計算安全距離是不安全的；而對于重載鐵路、設計時速不大于160 km/h的Ⅰ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅳ級鐵路基本可行。

高速鐵路橋梁墩臺基礎工后沉降變形控制標準為有砟軌道相鄰墩臺沉降差為15 mm，無砟軌道相鄰墩臺沉降差為5 mm。按常規(guī)32 m簡支梁計算，其傾斜分別為0.469 mm/m和0.156 mm/m，遠小于移動角對應3 mm/m的傾斜值。因此對于高速鐵路，在移動區(qū)邊緣采用橋梁通過時無法滿足相鄰墩臺沉降差控制要求。故高速鐵路采用移動角計算安全距離是不可行的。

傾斜控制時不同等級鐵路巖移角選擇見表3。

綜上，僅從傾斜控制標準來判斷，重載鐵路、設計時速不大于160 km/h的鐵路傾斜控制值與移動角處于同一量級，基本可行；200 km/h客貨共線及以上標準鐵路采用移動角計算安全距離是不安全的。

表3 傾斜控制時不同等級鐵路巖移角選擇

3.3 沉降控制

路基的工后沉降量控制標準為：重載及Ⅰ級鐵路不應大于20 cm， 路橋過渡段不應大于10 cm，沉降速率不應大于5 cm/a；Ⅱ級鐵路不應大于30 cm；Ⅲ級鐵路不應大于30 cm；Ⅳ級鐵路不應大于40 cm；200 km/h客貨共線鐵路不應大于15 cm，沉降速率小于4 cm/a；高速鐵路無砟軌道控制標準為15 mm，有砟軌道控制標準為5 cm～10 cm。

橋梁墩臺工后沉降，高速鐵路無砟軌道橋梁墩臺基礎工后沉降限值為20 mm，有砟工后沉降控制標準為30 mm，其他等級鐵路墩臺工后沉降限值為80 mm。

可見，高速鐵路無砟軌道路基15 mm、橋梁墩臺基礎20 mm～30 mm的工后沉降控制標準，略大于邊界角10 mm的沉降標準。高速鐵路走行于輕微變形區(qū)以外是滿足工后沉降控制要求的，應采用邊界角計算安全距離。沉降控制時不同等級鐵路巖移角選擇見表4。

表4 沉降控制時不同等級鐵路巖移角選擇

由表4可知：國鐵及客貨共線鐵路路基工后沉降量控制標準為15 cm～40 cm，橋梁墩臺工后沉降控制標準為5 cm～8 cm，與我國采空區(qū)移動區(qū)邊緣的下沉量在同一量級。移動區(qū)邊緣外側(cè)(即輕微變形區(qū)內(nèi))移動盆地沉降量基本滿足重載鐵路、國鐵及客貨共線鐵路對于工后沉降的要求，可根據(jù)地表變形觀測資料和沉降控制標準進行局部線位優(yōu)化。高速鐵路應采用邊界角進行工程地質(zhì)選線。

3.4 臨界巖移角的引入

結(jié)合上述，對鐵路工程地質(zhì)選線的原則總結(jié)如下：

1)高速鐵路應采用邊界角計算安全距離，線位應走行于移動盆地之外。

2)客貨共線(200 km/h)走行于采空區(qū)移動盆地輕微變形區(qū)時，應滿足以下條件：地表沉降不超過5 cm、傾斜不超過0.625 mm/m、曲率不大于0.067 mm/m2。

3)客貨共線(160 km/h)走行于采空區(qū)移動盆地輕微變形區(qū)時，應滿足以下條件：地表沉降不超過8 cm、傾斜不超過1.25 mm/m、曲率不大于0.067 mm/m2。

4)Ⅰ級、Ⅱ級(<160km/h)鐵路走行于采空區(qū)移動盆地輕微變形區(qū)時，應滿足以下條件：地表沉降不超過8 cm、傾斜不超過1.25 mm/m、地表曲率不大于0.1 mm/m2。

5)國鐵Ⅲ級、Ⅳ級鐵路走行于采空區(qū)移動盆地輕微變形區(qū)時，應滿足以下條件：設計時速超過80 km/h時，地表沉降不超過8 cm、傾斜不超過1.25 mm/m、曲率不大于0.1 mm/m2。設計時速不超過80 km/h時，地表沉降不超過8 cm、傾斜不超過1.25 mm/m、曲率不大于0.2 mm/m2。

在此引入臨界巖移角概念，以滿足上述地表變形條件外邊界點連線與水平線在采空區(qū)外側(cè)的交角作為相應等級鐵路的臨界巖移角。臨界巖移角大于移動角，且不大于邊界角。

不同等級鐵路工程地質(zhì)選線安全距離計算時，巖移角選擇情況詳見表5。

表5 不同等級鐵路巖移角選擇

4 結(jié)論

大面積采空區(qū)是鐵路工程地質(zhì)選線的重點和難點。根據(jù)采空區(qū)移動盆地地表變形判據(jù)，結(jié)合不同等級鐵路的豎曲線、傾斜及工后沉降控制標準，對采空區(qū)工程地質(zhì)選線原則進行了深入探討。對于大面積采空區(qū)段鐵路工程地質(zhì)選線的原則，得出的主要結(jié)論如下：

1)對于高速鐵路(含有砟軌道、無砟軌道)，工程地質(zhì)選線時應采用邊界角，其對應的外邊界地表變形小于10 mm。

2)提出了適用于200 km/h客貨共線鐵路、重載鐵路與國家Ⅰ級～Ⅳ級鐵路工程地質(zhì)選線的臨界巖移角概念，臨界巖移角介于移動角與邊界角之間。采空區(qū)臨界巖移角外邊界地表變形參數(shù)應滿足以下條件：對于國鐵Ⅰ級、Ⅱ級鐵路：地表傾斜不大于1.25 mm/m，地表曲率不大于0.067 mm/m2；對于國鐵Ⅲ級、Ⅳ級鐵路：設計時速大于80 km/h時，地表傾斜不大于0.625 mm/m，地表曲率不大于0.1 mm/m2；設計時速不大于80 km/h時，地表傾斜不大于0.625 mm/m，地表曲率不大于0.2 mm/m2。

值得一提的是，采用本文所述的工程地質(zhì)選線原則，需建立在詳細勘察基礎之上，成本較高。一般適用于勘察設計費用充足的國鐵Ⅰ級及以上等級鐵路。