羅喜元 李時(shí)亮

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

寧(南京)杭(杭州)客運(yùn)專線為設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h的高速鐵路，軌道類型為無砟，對(duì)地基變形要求嚴(yán)格［1］。線路 DK37+100～DK38+100段從南京鍶礦東側(cè)經(jīng)過，距探明礦體邊界590～850m。采礦形成的采空區(qū)可引起地表塌陷變形，開采過程中礦坑抽排地下水及采礦爆破作業(yè)等也有可能對(duì)周邊建筑產(chǎn)生不利影響。為保證寧杭客運(yùn)專線鐵路工程及運(yùn)營(yíng)安全，有必要對(duì)南京鍶礦開采對(duì)鐵路安全影響進(jìn)行全面分析和評(píng)價(jià)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 寧杭客運(yùn)專線

(1)工程地質(zhì)

寧杭客運(yùn)專線DK37+100～DK38+100段地處河流一級(jí)階地區(qū)，地勢(shì)平坦，地面高程7.0～9.0m，地層從上而下為分別為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等，第四系地層厚約15m，下伏基巖為侏羅系龍王山組安山巖。

(2)水文地質(zhì)

該區(qū)域由二干河河堤與愛景山低丘區(qū)形成一個(gè)封閉洼地，為內(nèi)澇區(qū)，地表水系發(fā)育，二干河百年水位控制高程為10.57m;地下水主要為第四系孔隙潛水，埋深約1～4m，不發(fā)育。

2.2 南京鍶礦

(1)工程地質(zhì)

礦山位于愛景山剝蝕殘丘區(qū)，礦區(qū)揭露的地層，由新到老分述如下:①第四系沖坡積層，以粉質(zhì)黏土為主，層厚2～10m，分布于礦區(qū)四周。②白堊系礫巖，分布于礦區(qū)南西部，厚度大于59.0m。③侏羅系上統(tǒng)熔結(jié)凝灰?guī)r，厚度43.4m，分布于礦區(qū)的北東部。④侏羅系上統(tǒng)龍王山組火山碎屑巖，主要為凝灰?guī)r，分布于礦區(qū)南東部，總厚度262.2m，是鍶礦礦體的直接圍巖。⑤侏羅系下、中統(tǒng)象山群石英砂巖，長(zhǎng)石石英砂巖等，分布于礦區(qū)中部和西部，厚度大于318.0m。

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺不發(fā)育。其中F2正斷層呈北北西—南南東向貫穿全礦區(qū)，走向320°～340°，傾向50°～70°，傾角47°～85°，局部直立，該斷層對(duì)礦體分布起控制作用。

(2)水文地質(zhì)

根據(jù)巖性特征、巖石節(jié)理(裂隙)發(fā)育程度及專門水文孔抽水資料，礦區(qū)主要含(隔)水層為:①F2斷層裂隙含水帶，該含水帶與礦體大致平行，發(fā)育裂隙水，屬含水貧乏—弱富水含水帶。②天青石礦體裂隙水含水層，含(透)水性差，與F2斷層含水帶幾乎無水力聯(lián)系，頂?shù)装鍑鷰r主要為高嶺土化晶屑凝灰?guī)r，含(透)水性差，多屬隔水層。③白堊系礫巖弱含水層，位于礦區(qū)西部，淺部多為第四系覆蓋，巖石普遍遭受強(qiáng)烈風(fēng)化裂隙不明顯，含(透)水性差，屬弱含水層。④火山碎屑巖巖體隔水層，主要有晶屑凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r及熔結(jié)凝灰?guī)r，巖石風(fēng)化強(qiáng)度相對(duì)較弱，一般完整性較好，含透水性均差，屬隔水巖層。

礦區(qū)內(nèi)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，但因地表坡度大，地層滲水性不良，降雨大部分流失，只有少部分補(bǔ)給地下水。礦區(qū)基巖地下水的流向以愛景山山脊線為分水嶺向低處徑流，以河流、水渠為最終排泄區(qū)［2］。

3 工程概況

3.1 寧杭客運(yùn)專線

DK37+100～DK37+965.18為橋梁，梁跨為32m，基礎(chǔ)全部采用樁基，樁端持力層為弱風(fēng)化安山巖;DK37+965.18～DK38+100為路基，填高6～7m，地基采用預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行處理，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化安山巖。

3.2 南京鍶礦

南京鍶礦1958年被發(fā)現(xiàn)，1980完成1號(hào)～9號(hào)線詳勘報(bào)告，1990年完成10號(hào)～43號(hào)線詳勘報(bào)告，其勘探深度一般在－155m高程以上，局部礦層厚而富地段可延伸到－205m高程，最大控制深度高程達(dá)－308.1m。

南京鍶礦自上世紀(jì)70年代就開始人工挖礦露天開采，到2002年露天開采結(jié)束，露天開采底部高程實(shí)際為+11m。2001年，為了滿足礦山持續(xù)生產(chǎn)的需要，露天轉(zhuǎn)地下開采，開采深度從+11～－205m，目前－70m及－110m中段已開采完畢，礦床開采現(xiàn)已下降到－150m高程。

寧杭客運(yùn)專線南京鍶礦段平面見圖1。

圖1 寧杭客運(yùn)專線南京鍶礦段平面

4 礦山開采對(duì)鐵路安全影響分析

礦山開采對(duì)鐵路安全影響包括采空區(qū)塌陷地表變形影響、礦床開采爆破振動(dòng)影響、礦山開采地下排水的影響、地表炸藥庫(kù)意外爆炸影響等方面。

4.1 采空區(qū)塌陷地表變形影響分析

南京山鍶礦采空區(qū)附近線路與礦體走向近于平行，礦體上盤圍巖為凝灰?guī)r、安山巖等硬質(zhì)巖，礦體傾向線路，傾角約為60°～75°，計(jì)算取平均值為67.5°。

根據(jù)礦體賦存特征、礦區(qū)工程地質(zhì)條件和采用的采礦方法，參照類似礦山實(shí)際經(jīng)資料及工程經(jīng)驗(yàn)，按照類比法，取礦體頂板圍巖開采地表移動(dòng)角為60°，第四系巖土移動(dòng)角為40°。巖體邊界角計(jì)算公式根據(jù)文獻(xiàn)［3］規(guī)定

β0=β－15°(1－0.01α)，計(jì)算得 β0為55°。

寧杭客運(yùn)專線地表高程按8.0m考慮，地表松散地層層厚約20m(含全風(fēng)化基巖)?？紤]南京鍶礦仍在進(jìn)行開采，不同勘探線采空區(qū)高程按已探明上表礦底部考慮，采空區(qū)地表移動(dòng)邊界計(jì)算示意見圖2。

圖2 南京鍶礦采空區(qū)地表移動(dòng)邊界計(jì)算示意

不同勘探線上表礦礦體底部高程、上表礦邊界距鐵路中線最近水平距離及采空區(qū)地表移動(dòng)邊界距礦體水平距離、地表移動(dòng)邊界距鐵路中心距離的計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］相關(guān)規(guī)定，寧杭客運(yùn)專線的保護(hù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，其圍護(hù)帶寬度可取20m，考慮到無砟軌道對(duì)變形要求控制嚴(yán)格，評(píng)價(jià)中按用地界線外擴(kuò)50m作為圍護(hù)帶范圍，圍護(hù)帶距離寧杭客專鐵路中線75m。

從表1計(jì)算結(jié)果可看出，采空區(qū)塌陷地表變形移動(dòng)邊界距鐵路中心最小距離為393.1m，遠(yuǎn)大于寧杭客運(yùn)專線75m的圍護(hù)帶范圍，因此，對(duì)已探明的上表礦采礦形成的采空區(qū)塌陷地表變形不影響寧杭客專鐵路的安全。

4.2 礦床開采爆破振動(dòng)影響分析

爆破是采礦工藝必須作業(yè)過程，爆破振動(dòng)對(duì)建構(gòu)筑物的振動(dòng)影響最終是通過地層基礎(chǔ)傳遞的能量來實(shí)現(xiàn)的，爆炸能量引起地層的地震波向外傳播造成相關(guān)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，導(dǎo)致地表地下建構(gòu)筑物產(chǎn)生振動(dòng)。

表1 南京鍶礦采空區(qū)地面移動(dòng)邊界距鐵路距離m

目前針對(duì)鐵路工程沒有明確的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，考慮到寧杭客專技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較高，為保證建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)［5］中運(yùn)行水電站及發(fā)電廠中心控制室設(shè)備爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，取安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)值為0.5 cm/s。

根據(jù)南京鍶礦與寧杭客運(yùn)專線平面關(guān)系及場(chǎng)地地質(zhì)條件等資料，可采用文獻(xiàn)［5］規(guī)定公式估算礦區(qū)開采爆破引起鐵路處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度:

式中v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，單位cm/s;k、α為相關(guān)參數(shù)，與地形及地質(zhì)條件有關(guān)，分別取250及1.8;R為平面距離，取采礦區(qū)距鐵路最近水平距離592.5m;Q為炸藥量，單位為kg，取采礦落礦班末爆破炸藥用量，約為35 kg。

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)南京鍶礦與寧杭客運(yùn)專線平面關(guān)系、場(chǎng)地地質(zhì)條件及爆破用藥量，采礦爆破造成鐵路處質(zhì)點(diǎn)振速為0.02 cm/s，遠(yuǎn)低于控制值0.5 cm/s。如按爆破振動(dòng)速度0.5 cm/s控制值反算，距鄰近寧杭客運(yùn)專線鐵路的安全距離可按150m考慮，也遠(yuǎn)小于目前實(shí)際距離。故南京鍶礦開采時(shí)的爆破振動(dòng)不會(huì)對(duì)鄰近寧杭客運(yùn)專線鐵路安全造成影響。

4.3 礦山開采地下排水的影響分析

礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水主要為碎屑巖類裂隙水及斷裂構(gòu)造裂隙水，富水性為貧乏—弱富水，地下水補(bǔ)給主要為大氣降水及部分表水入滲，裂隙滲透性較差，礦區(qū)開采不會(huì)產(chǎn)生大量涌水。

礦區(qū)開采排水，其地下水主要來源于F2斷層裂隙含水帶、天青石礦體裂隙水含水層和象山群碎屑巖裂隙水含水組，與龍王山組碎屑巖裂隙水存在間接的水力聯(lián)系，且聯(lián)系較弱。F2斷層裂隙含水帶走向與毗鄰的寧杭客專鐵路近似平行，且相距600m以上，且礦體圍巖及鍶礦與寧杭客專鐵路之間基巖為侏羅系上統(tǒng)龍王山組凝灰?guī)r及安山巖，巖石較完整，裂隙含(透)水性差，屬隔水巖層或含水貧乏。

綜上所述，礦區(qū)地下水與鐵路沿線地下水屬于不同的水文地質(zhì)單元，二者水力聯(lián)系較弱，礦坑排水對(duì)鐵路影響很小，甚至沒有影響，可以忽略不計(jì)。

4.4 地表炸藥庫(kù)意外爆炸影響分析

南京鍶礦爆破器材庫(kù)設(shè)置在礦區(qū)西偏北山腳，距寧杭客運(yùn)專線最近點(diǎn)距離約1 280m，兩者間相隔愛景山山體，硐庫(kù)最大硝銨炸藥儲(chǔ)存量為2 t，倉(cāng)庫(kù)類型為緩坡地形軟質(zhì)巖石硐庫(kù)，硐庫(kù)斷面為三心拱斷面，裝藥高度1.5m，寬度1.4m，裝藥等效直徑約2.32m。

按照文獻(xiàn)［6］規(guī)定，該類型炸藥庫(kù)外部安全允許距離按照爆破飛石、爆炸空氣沖擊波、爆炸地震波三種安全允許距離的最大值確定。寧杭客運(yùn)專線偏離洞軸線90°以上，爆破飛石外部安全允許距離按規(guī)范可不考慮;爆炸空氣沖擊波外部安全允許距離該種情況規(guī)范未規(guī)定，取最大值為310m;爆炸地震波外部安全允許距離按照爆破振動(dòng)安全允許振速0.5 cm/s計(jì)算，安全允許距離398m。由于寧杭客運(yùn)專線與爆破器材硐庫(kù)之間有山體相隔且相距約1 280m，根據(jù)以上分析結(jié)果，爆破器材硐庫(kù)意外爆炸不會(huì)對(duì)寧杭客運(yùn)專線安全造成影響。

4.5 寧杭客專鐵路距南京鍶礦安全保護(hù)距離評(píng)價(jià)

按已探明上表礦最大埋深－308.1m的最不利條件考慮，計(jì)算得到的地表變形邊界距鐵路水平距離為231.2m，考慮鐵路圍護(hù)帶距線路中心距離為75m，故可按307m考慮鐵路的保護(hù)帶，該距離同時(shí)也滿足采礦爆破振動(dòng)安全距離及鐵路周邊環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［7］等要求。

由于南京鍶礦已探明上表礦邊界距寧杭客專最小平面距離大于590m，礦區(qū)相對(duì)于鐵路位于307m的保護(hù)帶之外。若按307m控制鐵路的保護(hù)帶，寧杭客運(yùn)專線的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)不影響南京鍶礦對(duì)已探明的上表礦進(jìn)行開采。

5 結(jié)論

(1)南京鍶礦已查明的上表礦礦體邊界距寧杭客專中線最小平面距離大于590m，若按目前已探明的上表礦范圍進(jìn)行采礦，采礦不影響寧杭客專鐵路的安全。

(2)寧杭客專鐵路南京鍶礦段圍護(hù)帶距線路中心距離按75m取值，壓礦評(píng)估時(shí)工程安全保護(hù)距離可按307m考慮。

［1］TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］

［2］李時(shí)亮，汪繼鋒，潘志剛，等．寧杭客運(yùn)專線鐵路南京愛景山鍶礦段安全保護(hù)距離評(píng)價(jià)報(bào)告［R］．武漢，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011

［3］鐵道部工務(wù)局．鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)·路基［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1993

［4］煤行管字［2000］第81號(hào) 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S］

［5］GB6722—2011 爆破安全規(guī)程［S］

［6］GB 50154－92 地下及覆土火藥炸藥倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)安全規(guī)范［S］

［7］GB10070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［S］