地质选线在赣龙铁路扩能改造工程选线中的应用

黄三强

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

1 概述

赣龙铁路扩能改造工程位于江西省东南部、福建省西南部。西起江西省赣州市,东至福建省龙岩市,经过江西的赣南和福建的闽西地区,横穿闽赣边界的武夷山脉,两侧地势差异较大,地面高程在50～1 200 m,地形地貌、地质条件十分复杂,为典型的复杂山区铁路。

线路正线长度250 km,隧道90座/126 km,桥梁长度70 km,桥隧合计196 km,占线路总长度的78.4%。

线路方案受到地形地貌、地质条件的严重制约。因此,在初测阶段,开展工程地质选线对稳定线位方案，降低工程造价，控制建设成本，尽量消除地质灾害的影响，减少后期维修养护的工作量具有十分重要的意义。论述了赣龙扩能改造工程区域断层地段,以及采空区、崩塌、落石等不良地质地段的地质选线,可供山区铁路勘察设计参考。

2 地形地质概况

赣龙铁路扩能改造工程沿线地层岩性复杂多变,从古老的震旦系硅质页岩、板岩到白垩系红层均有出露。白垩系地层易坍塌而失去稳定,局部地段岩层倾向线路,存在顺层等不良地质现象；侏罗系地层岩体破碎,小型溜坍极发育,水土流失严重边坡开挖后易失去稳定；石炭系及二叠系灰岩地层中均岩溶发育,局部存在煤层、锰矿采空区,影响地基稳定；寒武系、前寒武系地层及震旦系地层因形成时代古老、变质作用程度不一，受矿物成分、地质构造因素的综合影响,岩体破碎,边坡开挖后易失去稳定。另外，沿线岩浆岩侵入作用强烈,印支期、加里东期及燕山早期各阶段侵入岩体分布广泛,侵入岩体受多期侵入及岩体自身矿物成分的影响,岩体风化深度大,大型冲沟发育,个别冲沟深达40余m,地表植被稀少,水土流失极为严重。

图1 赣龙铁路扩能改造工程区域地质构造纲要

测区内地质构造发育,构造运动引起的深大断裂在区内形成相互交汇、复合、迁就、改造等复合形式,断裂大小交织,对区内岩体工程地质条件影响较大,采空区、崩塌、岩溶等不良地质现象非常严重。赣龙铁路扩能改造工程区域地质构造纲要见图1。

3 几处典型地段的地质选线

3.1 梓山隧道煤层采空区方案的确定

梓山隧道位于江西省赣州市于都县境内,进口位于梓山镇石人排村,出口位于梓山镇大陂村附近,主要开采范围为CK60+700～CK60+950。分别采用平洞、竖井和斜井进行开采,多为浅层开采方式,存在私挖乱采情况,隧道出口附近局部存在煤洞和废弃煤渣,采空区范围地表植被不发育。

一般认为,对于煤层采空区,原则上以绕避为主,但是,通过区域地质资料分析,与本隧道煤系地层为同一套地层的石炭系梓山组,走向与线位呈大角度相交,范围在10 km以上,要完全绕避,与线位的总体走向不一致,工程代价太大。

那么,对该地段进行风险评估,是线位稳定的关键因素。

从测绘、调查访问的资料分析,隧道采空区附近无大型道路、无大型机械开采痕迹。这就决定了隧道附近不可能存在大型的煤层采空区。

在上述分析的基础上,研究局部调整线位的方案。考虑新建线位右侧为既有线,存在跨越既有线等问题,主要的优化方位为线位左侧,对线位左侧2～10 km范围内进行了大面积测绘,测绘发现左侧2～3 km的范围分布众多的煤矿,主要的煤矿为排上煤矿、铜锣坪煤矿、下西片煤矿1号～3号、上西片煤矿1号～5号、碰塘煤矿1号、坳上煤矿1号、大窝坑煤矿、新店煤矿、盆形煤矿等,其中排上煤矿、铜锣坪煤矿、下西片煤矿1号～3号矿、上西片煤矿1号～5号为大型煤矿,开采的规模较大,大范围的优化可行性较小。

在小范围的优化过程中,综合分析测绘、调查访问结果,原线位在2号采空区附近,而该采空区规模较大,线位向左移了100 m左右,避开了该采空区的范围,最大限度的降低了煤层采空区的影响。

综合以上分析,认为梓山隧道出口段采空区为手工开采,开采范围较窄,深度较浅,无规划,少支撑,局部小范围存在个别小型采空,对线位的影响很小。

目前,经过补充定测的物探、钻探验证,共布置了21个钻孔(钻孔间距15～30 m),仅有1个钻孔在高程159.4～155.3 m处揭示存在采空巷道,其他钻孔未发现采空区。因此,认为该段局部小范围存在小规模的采空区，验证了初测方案确定的正确性。

3.2 黄安锰矿方案确定

原线位CK98+650～CK98+806莲丰面隧道出口附近浅埋段左侧0～86 m范围内为黄安锰矿开采区,该矿区位于瑞金市云石山乡。黄安锰矿于1958～1960年大炼钢时期初次发现,1976～1989年地矿部江西省909地质大队在该矿区附近布置钻孔勘察,1990～2009年矿区范围内通过浅表层开挖、竖井开采和平洞开采三种方式开采锰矿石(见图2)。

图2 黄安锰矿与线位关系

浅表层挖掘主要位于山坡上部表层,多为简单的手工开采。这期间矿区共开挖有5口竖井：1号竖井Sj-1直径2.0 m、井深10～15 m,2号竖井Sj-2直径1.5 m、井深10～15 m，3号竖井Sj-3直径1.5 m、井深10～15 m,4号竖井Sj-4直径2.0 m、井深10～15 m,5号竖井Sj-5直径2.0 m、井深10～15 m。目前5口竖井均已用水泥封死,仅距井口有约0.3～1.0 m深度没有封闭。

1号平洞：洞口宽、高为1.3 m×1.5 m,洞身长约15 m,现场测量洞身轴线方位约为275°,开挖坡度为3‰,近于水平,平洞四周没有向外扩展开采。

2号平洞：洞口宽、高为1.2 m×1.7 m,洞身长约20 m,现场测量洞身轴线方位约为270°,坡度为3‰,近于水平开挖,平洞四周没有向外扩展开采,两处平洞均没有开挖侧向巷道。

3号平洞设计长度为110 m,设计的锰矿主矿体在距洞口90～110 m处。3号平洞洞口宽、高为1.5 m×1.9 m,现场测量洞身轴线自洞口呈225°方位向矿脉方向掘进约12 m后,再呈185°方位向矿脉方向开挖,掘进长约70 m,洞身向上坡度均为3‰,近于水平,该平洞洞身均没有开挖侧向巷道。在平洞的左、右侧及上部，开挖一个宽高约为3.0 m×3.0 m、长5～6 m的开采空间；在距洞口约70 m处遇到锰矿；在平洞的左、右侧及上部，开挖一个3.0 m×4.0 m、长约为7 m的开采空间。3号平洞穿过的岩性主要为黑色的炭质页岩,稳定性差,且基岩内地下水发育,该平洞在停工后不久洞内就开始坍塌,无法再继续往前掘进。

矿区3号平洞终点离线路中线仅14.47 m,洞内采空区最近处离线路中线也仅19.07 m,对莲丰面隧道有影响。3号平洞终点洞底高程为203.81 m,其离隧道最近处的轨面设计高程为199.135 m,3号平洞位于莲丰面隧道洞身左侧的中部位置；隧道洞身的岩性主要为P2L黑色厚层状炭质粉砂岩、炭质页岩,属于极软岩,强度低、稳定性差。矿区内地下水较发育,且3号平洞靠近隧道附近洞内已经坍塌,对隧道较大的影响。

经多次现场踏勘、调查和比选,对该段线路的平面进行局部优化,建议线位向左偏移约170 m,绕避了该不良地质体,消除了可能的工程隐患。

3.3 石门圩南外绕方案比较(CK95+500～CK106+700)

(1)既有线并行方案

该方案在既有线南侧并行,穿越石炭、二叠、泥盆系灰岩地层,岩溶较发育。该方案路基长约5 769 m,主要以低路堤及路堑形式通过；桥梁长3 264 m；隧道长约2 620 m。工程地质条件较差,路基需要进行岩溶加固处理,石门圩站两侧深路堑需要进行边坡加固防护。

(2)石门圩站山后南绕方案

该方案在石门圩站山后南绕,穿越石炭、二叠、泥盆系灰岩地层,岩溶较发育。石门圩站南面为一相对高差约100 m的灰岩地层山岭,丘陵在谷地一侧约有2 km长的陡峭山崖,存在崩塌、落石现象,坡脚已见多处岩堆。有一断裂带走向与基本并行,长度约1.5 km。该方案路基长约2 782 m,主要以低路堤及路堑形式通过；桥梁长7 007 m；隧道长约1 311 m。路基需要进行岩溶加固处理,深路堑需要进行边坡加固防护,陡峭山崖的崩塌、落石地段应绕避或采用拦截防护措施进行处理。该方案跨越大片居民区,线路主要以桥梁形式通过。

以上两方案同属岩溶发育区,且石门圩站山后南绕方案存在崩塌、落石及并行断裂带,工程地质条件相比较差,不良地质、地质构造影响较大,路基处理难度大,桥梁基础工程较大。因此,既有线并行方案工程地质条件明显优于南绕比较方案,从工程地质方面建议采用并行方案,得到了采纳。

3.4 冠豸山至上杭方案(CK214+000～CK252+500)比较

(1)北线方案

该方案远离既有线,主要以梅花山长隧道(13 497 m)通过。穿越石炭系、泥盆系、燕山期花岗岩地层,岩性以花岗岩、砂岩等为主,岩性比较单一,构造相对不发育,局部岩性变化接触带,可能发育有裂隙破碎带。岩质较坚硬,初步估计长隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩约占82%,工程地质条件较好。该方案路基长约2 613.82 m,桥梁长约4 689.18 m,隧道长约24 940 m。工程施工难度较小,工程造价相对较低。

(2)南线方案

该方案靠近既有线,穿越下第三系、石炭系、白垩系、侏儒系、二叠系、泥盆系、三叠系软质岩及燕山期花岗岩等地层,岩性复杂,以软质岩为主。

在地形地貌和地质条件复杂的山区铁路,开展遥感工程地质选线是必须的[1],借助遥感解译,进行大范围的工程地质选线具有非常重要的意义。本次初测遥感成果揭示,该方案在CK218+000～CK221+000段、CK232+000～CK236+000段,距线位100 m左右发育多条大的平行断层,为赖坊-庙前区域大断层之次级断层,断层北起赖坊,南经蒋坊、莒溪直抵庙前,走向NE20°,倾向NW,倾角50～60°。较多的断层构造带对隧道工程影响极大,存在较多的安全隐患。

另外,该方案通过的庙前镇分布众多矿区,一般为连城县大型企业和本地乡镇企业,同时存在较多的私人矿,矿道较乱。

南线方案在连城庙前司前庵大型锰矿1、2号矿区中间通过,线路最近与矿区相距仅50 m,存在大型采空,对线路的稳定影响极大。

因此,北线方案工程地质条件明显优于南线比较方案,从工程地质方面建议采用北线方案。

3.5 部分既有线施工病害地段方案的确定

(1)古田隧道滑坡地段方案

既有线K260+350～K260+500段,其地层为元古界板溪群古老的变质泥质岩系,岩质较软、岩体破碎,施工过程中出现山体开裂、滑动的现象,采用了隧道左右侧设置锚索抗滑桩进行加固处理,右侧桩底最低高程592.12 m,桩距既有线中心水平距离18 m,且桩顶设有预应力锚索,长30 m,锚索端水平距既有线中心44 m,距既有洞顶仅3.5 m。既有线和新、旧建线位关系示意见图3。

图3 既有线和新建线位关系示意

原线位位于既有线右侧,基本平行既有线,新建隧道的爆破震动、施工对既有线隧道影响很大,可能存在破坏既有线隧道边坡锚索附近的地层,造成锚索松动,锚固力降低,锚索失效；以及抗滑桩锚固段基岩地层松动,基岩地基系数降低,悬臂端变形过大,产生新的滑动。

根据区域地质资料,分析在沿河既有线的北侧,基岩地层为泥盆系的石英砂岩,为硬质岩,岩体相对较完整,因此,从地质的角度,建议线位改为既有线的北侧,既消除了新建隧道施工对既有线的影响,又在相对较好的地层中穿越。从目前补充定测的钻孔揭示来看,与初测的预测一致。

(2)新天心山隧道工程地质CK248+000～CK248+500方案确定

新天心山隧道工程地质CK248+000～CK248+500(既有线天心山隧道K271+500～K272+000)基岩以花岗岩、粉砂岩为主,局部下伏石炭系灰岩地层,岩溶发育,既有隧道施工期间出现较大涌水突泥及地面下沉病害,工程地质条件差。在初测时,现场测绘发现,灰岩地段地形较低洼,在地貌上的特征较明显,在地质选线时,建议线位避开该低洼地段。

在临近既有线灰岩地层地段,经过定测、补充定测布置的的6个钻孔验证,均为花岗岩,未发现灰岩,降低新建隧道工程的施工风险。

4 结论

赣龙扩能地处闽赣交界山区,地形地质条件十分复杂,应充分发挥地质选线的作用,尽量绕避性质复杂、难以查明的严重地质不良地段。

通过后续补充定测的验证,梓山煤层采空区、冠豸山至上杭北线等方案的确定是合理的。

山区铁路经过范围内,由于成矿条件较好,矿产资源非常丰富,如何尽量避免矿区、采空区对线路的影响,是山区铁路选线的重要工作之一。

在地形地貌和地质条件复杂的山区铁路,开展遥感工程地质选线是必须的,借助遥感解译,进行大范围的工程地质选线具有非常重要的意义。

对于临近既有线的扩能改造工程而言,充分吸取既有线施工地质的经验,对新建线位的确定具有重要的参考价值。

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