武　濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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某鐵路采空區(qū)地質(zhì)選線研究

武濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

摘要某鐵路穿越平莊煤田礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)分布有大量采空區(qū)。研究了東端引入方案、中穿方案及西端引入方案，其中中穿方案地質(zhì)條件復(fù)雜，存在采空、地面沉降(塌陷)、邊坡穩(wěn)定性等多種工程地質(zhì)問題。對中穿方案的可行性進(jìn)行重點(diǎn)研究，針對不同地質(zhì)問題進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查、物探測試、鉆探驗(yàn)證、InSAR沉降分析、沉降盆地計(jì)算及邊坡穩(wěn)定性分析等專項(xiàng)研究。根據(jù)研究結(jié)論，推薦中穿方案，并提出措施意見。

關(guān)鍵詞中穿方案采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性InSAR沉降分析

本項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部和遼寧省西部地區(qū)，沿線經(jīng)過喀左縣、建平縣、寧城縣、喀喇沁旗、元寶山區(qū)、紅山區(qū)、松山區(qū)七個(gè)縣級及以上行政區(qū)。鐵路等級為雙線客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km，正線線路長度166.078 km，橋隧長100 km，占比為60.2%。

1方案概況

線路于寧城縣穿越平莊煤田，線下分布采空區(qū)。在綜合考慮地形、采空區(qū)分布、平莊站位的選擇等方面，研究了三個(gè)方案，分別為東端引入方案、西端引入方案、中穿方案，見圖1。

圖1　方案位置

2方案比選

2.1方案評價(jià)

各方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

從表1可以看出，東端引入方案隨線路長度及投資最具優(yōu)勢，為推薦方案，但投資較大，線路長度大，且與地方規(guī)劃發(fā)展相悖，為此研究中穿方案的可行性。

2.2中穿方案存在的問題

中穿方案于露天煤礦夾縫及平莊煤田礦區(qū)內(nèi)穿過，見圖2。兩側(cè)露天礦相距約1.8 km，西側(cè)露天礦開挖最大深度約200 m。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃圖，中穿方案于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)夾縫內(nèi)穿過，兩側(cè)危險(xiǎn)區(qū)邊界間距約800 m，調(diào)查期間，局部地段可見裂縫。

表1　方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖2　評價(jià)線路位置

中穿方案對線路影響主要有三個(gè)方面：(1)線下采空情況；(2)采空沉降情況；(3)兩側(cè)露天礦邊坡穩(wěn)定性及其失穩(wěn)后影響范圍。因此，對中穿方案進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3中穿方案可行性分析

針對中穿方案存在的地質(zhì)問題，采用了地質(zhì)調(diào)繪、物探測試、鉆探驗(yàn)證等不同勘察手段，以及InSAR沉降監(jiān)測分析、沉降計(jì)算及邊坡穩(wěn)定性分析等方法分別進(jìn)行研究。

3.1采空分析

(1)地層巖性

平莊煤盆地基底為前震旦系變質(zhì)巖，在盆地內(nèi)沉積了中生界和新生界地層。特別是盆地內(nèi)侏羅系上統(tǒng)碎屑沉積巖普遍發(fā)育，白堊系下統(tǒng)孫家灣組、第三系在盆地內(nèi)呈不整合于下伏地層之上，并有多種巖漿活動(dòng)。區(qū)域地層厚度、巖性特征及接觸見表2。

表2　綜合地質(zhì)柱狀

(2)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

平莊煤田位于受乃林—平莊—元寶山—橋頭等雁行斜列的聚煤盆地內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造、斷層發(fā)育。線位行于背斜核部，同時(shí)受溫泉斷裂帶控制，西側(cè)煤層斷出地表，核部及東側(cè)煤層出露地表，煤層已被剝蝕，見圖3。

圖3　平莊煤田地質(zhì)圖

(3)物探及鉆探情況

為進(jìn)行方案驗(yàn)證，進(jìn)行了大量的物探及鉆探工作，共完成淺層地震反射測線20條，長度14 452 m；共完成鉆孔18孔/3 984 m。

物探驗(yàn)證：

物探勘察采用以淺層地震反射法為主，天然源大地電磁為輔的技術(shù)方案。設(shè)備包括S-land地震勘探系統(tǒng)、MTU5電磁采集系統(tǒng)MTK。

在CVK113+500～CVK116+000工區(qū)，通過淺層地震反射物探工作，共解釋推斷了11處松散塌陷區(qū)或松散巖層區(qū)及3處主要斷裂帶，未發(fā)現(xiàn)采空空洞。

鉆探驗(yàn)證：

本區(qū)鉆孔中僅少量鉆孔遇煤線，最厚煤層僅0.9 m，鉆探過程中未發(fā)現(xiàn)任何掉鉆現(xiàn)象。

驗(yàn)證區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)活躍，斷層發(fā)育，存在一小型背斜，受構(gòu)造及斷層影響，線路附近含煤地層出露，已被剝蝕。通過物探測試、鉆探驗(yàn)證，線路附近無可開采煤層，且線下不存在采空區(qū)及巷道。但受西側(cè)露天礦及東側(cè)永興、古山煤礦煤層開采的影響加之地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，地下巖體受擾動(dòng)較大，巖體破碎，裂隙發(fā)育。

3.2采空沉降分析

考慮到線路兩側(cè)分布數(shù)個(gè)煤礦，采用調(diào)查、InSAR沉降監(jiān)測分析、沉降計(jì)算等方法對線路附近煤礦采空沉降進(jìn)行分析。

(1)采空地面塌陷調(diào)查

線位兩側(cè)分布有山前村煤礦、盛隆煤礦、興安煤礦大小煤礦數(shù)十個(gè)，開采歷史可追溯到解放前，20世紀(jì)90年代煤礦整合為永興煤礦、太平地煤礦、大黑山煤礦、西露天煤礦、全盛炭質(zhì)泥巖礦等，其中永興煤礦對線路影響大。該礦范圍內(nèi)賦存4、5、6三個(gè)富煤層，其中6組煤為主要可采煤層，平均可采厚33.63 m，采用立井單水平開拓方式，開采高程為+535～250 m，回采率高達(dá)63.9%。

勘測期間，對線路方案經(jīng)過的地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場地面塌陷情況調(diào)查，地面塌陷主要發(fā)生在西露天街道、全盛炭質(zhì)泥巖礦周圍及永興煤礦西北。

根據(jù)分析，線路附近房屋裂縫、地表裂縫主要為露天礦放坡導(dǎo)致，裂縫范圍擴(kuò)展至其礦界外，且目前仍在發(fā)展。

(2)InSAR沉降監(jiān)測分析

本次勘察將InSAR監(jiān)測系統(tǒng)性用于區(qū)域地面沉降監(jiān)測，主要解譯了2009-2014年該地區(qū)的SAR圖像及數(shù)據(jù)。

通過自由組合構(gòu)建得到19個(gè)符合條件的干涉對，進(jìn)行InSAR數(shù)據(jù)預(yù)處理，SVD分解后，得到最終的沉降反演結(jié)果(如圖4所示)。

圖4　2009～2011年累計(jì)沉降量

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理，在監(jiān)測區(qū)域共發(fā)現(xiàn)8個(gè)區(qū)域沉降漏斗，三個(gè)設(shè)計(jì)方案都有效閉繞了沉降區(qū)域。其中F區(qū)的累積沉降量較大，距離中穿方案東側(cè)約1.2 km。

(3)采空沉降分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，G1-G6點(diǎn)為現(xiàn)場調(diào)查明顯沉陷點(diǎn)，位置坐標(biāo)及計(jì)算參數(shù)見表3、表4。

表3　計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)

表4　采空區(qū)移動(dòng)參數(shù)

塌陷邊界：

塌陷邊界距線位的最短距離為608 m(見表5)。

表5　塌陷邊界

移動(dòng)盆地計(jì)算結(jié)果：

計(jì)算沉降等值線變形量10 mm的等值線離線位最短距離約566 m(見圖5)。

圖5　沉降等值線

3.3露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場地形地貌、地層條件、煤礦開采情況結(jié)合線路位置選取了5個(gè)代表性斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見表6。

表6　邊坡穩(wěn)定性分析主要巖層參數(shù)取值

(1)1-1剖面和2-2剖面采用Slide軟件中Bishop法進(jìn)行計(jì)算，邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.07和1.03，邊坡發(fā)生潛在整體滑動(dòng)的影響范圍為650 m和240 m。

(2)3-3剖面采用FLAC軟件進(jìn)行分析，經(jīng)過強(qiáng)度折減法計(jì)算，邊坡整體上處于臨界狀態(tài)，局部穩(wěn)定安全系數(shù)為0.91，存在垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，但水平影響范圍相對較??；4-4剖面采用Bishop法進(jìn)行分析，邊坡同樣處于臨界狀態(tài)，局部沿軟弱層穩(wěn)定安全系數(shù)為0.968，也存在局部垮塌的可能(見圖6、圖7)。

圖6　3-3剖面計(jì)算結(jié)果

圖7　3-3剖面破壞示意

(3)由于坡度相對較陡，5-5剖面采用Slide軟件中Bishop法和摩根斯頓-price法分別進(jìn)行計(jì)算，考慮最不利軟弱層參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等外部不利因素影響下容易發(fā)生整體性滑動(dòng)或崩塌，水平影響距離最大達(dá)到400 m。

4結(jié)論及建議

采用地質(zhì)調(diào)繪、物探測試、鉆探驗(yàn)證等不同勘察手段，以及InSAR沉降監(jiān)測分析、沉降計(jì)算及邊坡穩(wěn)定性分析等方法對中線方案進(jìn)行驗(yàn)證分析，具體結(jié)論如下。

4.1結(jié)論

(1)中穿方案線路通過區(qū)為小型背斜構(gòu)造近核部位，受斷層及地質(zhì)構(gòu)造控制，線路通過區(qū)含煤地層被剝蝕，下方主要為侏羅系上統(tǒng)杏園組地層，夾少量煤線，不具開采價(jià)值。通過物探測試及鉆探驗(yàn)證，線路附近無可開采煤層，無采空區(qū)及巷道。

(2)基于InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)，共發(fā)現(xiàn)8個(gè)區(qū)域沉降漏斗，最大累計(jì)沉降量為0.9 m，最大沉降速率0.6 m/年，目前的設(shè)計(jì)方案有效避開了上述沉降區(qū)域，但E、F沉降漏斗區(qū)距離線路方案較近，其中E區(qū)位于中穿方案東側(cè)，西距線位510 m，監(jiān)測期間累積最大沉降量為0.3 m，F(xiàn)區(qū)位于中穿方案西側(cè)1.2 km，監(jiān)測期間累積最大沉降量為0.9 m。

(3)基于概率積分法對線路東側(cè)地下開采沉降總變形量進(jìn)行了計(jì)算，總變形量為10 mm的等值線西距線位566 m；基于巖移參數(shù)對線路東側(cè)地下開采移動(dòng)盆地塌陷邊界進(jìn)行了計(jì)算，塌陷邊界西距線位608 m。塌陷變形區(qū)范圍和InSAR監(jiān)測的E沉降區(qū)范圍比較吻合，塌陷變形區(qū)邊界更加接近線位。

(4)采用Slide軟件進(jìn)行穩(wěn)定性分析：西露天礦整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1左右，安全儲(chǔ)備不高，存在垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，邊坡發(fā)生潛在整體滑動(dòng)的影響范圍東距線位1.6 km，和地表開裂位置及InSAR監(jiān)測的F沉降區(qū)范圍比較吻合，F(xiàn)沉降區(qū)邊界更加接近線位。東側(cè)碳質(zhì)泥巖礦露天邊坡剖面坡度相對較陡，局部沿軟弱層穩(wěn)定安全系數(shù)為0.968，整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等外部不利因素影響下容易發(fā)生整體性滑動(dòng)或崩塌，邊坡發(fā)生潛在整體滑動(dòng)的影響范圍西距線位850 m(見圖8)。

圖8　中穿方案評價(jià)成果

4.2建議和措施

(1)線路方案推薦建議

綜上所述，中穿方案線路走行于兩個(gè)礦區(qū)的中間地帶，兩側(cè)采礦活動(dòng)活躍，露天及地下并存，但中間存在寬度約600 m的安全寬度線路可通行。

因此推薦中穿方案。

(2)綜合措施建議

隨著線路兩側(cè)煤礦的接續(xù)開采會(huì)造成變形影響范圍逐漸擴(kuò)展，因此未來中穿方案存在安全隱患，需采取以下措施。

監(jiān)測措施：

對線路兩側(cè)由于露天開采引起的邊坡變形、地面裂縫和地下開采引起的地表移動(dòng)進(jìn)行長期變形監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握地表變形發(fā)展趨勢，確保采礦巖移及地表變形開裂不危及線路安全。

地表變形防治措施：

對線路兩側(cè)安全范圍內(nèi)露天礦開采及時(shí)劃定禁采范圍，必要時(shí)進(jìn)行閉坑停采。對影響線路安全的露天礦邊坡采取抗滑樁及地裂縫注漿等方法進(jìn)行治理。

工程措施：

方案線路盡量以路基形式通過，適當(dāng)加寬路基，并采用滿鋪高強(qiáng)度土工格柵或樁筏結(jié)構(gòu)路基本體進(jìn)行加固。

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收稿日期：2016-03-01

作者簡介：武濤(1982—)，男，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)巖土工程專業(yè)，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0046-05

中圖分類號：U212.32； P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on the Geological Selection of one Railway in goaf

WU Tao