蕉岭地区石灰岩采空区铁路工程地质选线

李东亮 施红艺 杨 哲

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

多年来，采空区一直是影响铁路选线的重要因素，如京沪线、石太线、太焦线、瓦日铁路等都遇到了不同程度的采空区问题。在众多采空问题中，以煤炭采空区居多，也有少量盐矿、铜矿等形成的采空区[1-2]。赵文[3]在银西线彬长矿区铁路选线中，通过调查和系统地分析采空区地表移动和变形规律，确定了线路选线的原则。杨英[4]通过对成贵客运专线采空区地质选线实践的研究，总结了采空区影响因素等问题。孙宝忠[5]在包西铁路毛乌素沙地大面积煤矿采空区选线时，通过工程地质条件、线路压煤情况、工程建设难度、工程投资等综合比选，得出推荐方案。邓睿[6]对影响玉磨铁路线路方案的铜矿和盐矿采空区段进行地质选线研究，探究合理的方案。上述工作的基本思路：在搜集资料的基础上进行大范围地质比选，寻找可能绕避采空区的通道，对控制方案的采空区(必须经过的走廊)采用物探、钻探等进行验证，并通过计算确定采空边界及影响范围。

以往的研究多基于煤炭采空区，而对石灰石采空区的铁路选线研究少有论述。在闽粤地区蕉岭县境内某铁路初测过程中，调查发现存在大量石灰石采石场，形成了众多的石灰岩采空区。此类采空区不同于煤矿、金属矿等其他采空区，加之此地特有的地质条件，所形成的采空区具有一定的特殊性。需对此地的石灰岩采空区进行专项调查并对其特征进行深入分析，从工程地质的角度提出选线建议。

1 地质概况

1.1 地形地貌

蕉岭县属低山丘陵地貌，山地、丘陵占全县总面积的81%，盆地占19%。地势总体上北高南低，山地主要分布在县境的中部、东南部、西北部，高程在500 m以上。丘陵主要分布在测区的东、西两翼，高程100～500 m。盆地分布在测区中部长潭至三圳、新埔以南一带，高程在100 m以下。

1.2 地层岩性

该区出露的地层从老到新有震旦系(Z)、寒武系(∈)、泥盆系(D)、石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、第四系(Q)。研究区内主要为条带状分布于盆地两翼的石炭系、二叠系地层。石炭系地层上部为灰—灰黑色、厚层—块状灰岩，夹白云质灰岩、白云岩，下部为杂色泥岩、页岩、粉砂岩、石英砂岩、砂砾岩。二叠系地层主要为灰岩、砂岩、含砾砂岩、粉砂岩、页岩、硅质页岩、炭质页岩及煤层。

1.3 地质构造

测区位于华夏陆台中部，即南岭准地槽的东南边缘，由一系列隆起带、凹陷带、断裂带和部分褶皱组成，经历了多次构造运动的改造，构造形迹以北东向为主，南北向、东西向、北西向为辅，有明显的规律性。控制性构造主要是北西向构造的蕉岭向斜。该向斜是广东的重要构造骨架，属梅县-蕉岭山字形构造的脊柱部分，延伸约35 km，宽约5～8 km，岩层倾角核部平缓，翼部陡。地层岩性及向斜构造见图1，剖面见图2。

图1 向斜构造及方案示意

图2 剖面

2 石灰岩采空区分布及特征

2.1 采空区分布

蕉岭境内石灰岩开采业发达。在蕉岭盆地两侧分布有规模不一的近二十余个采石场，其中约19个正在开采，8个因开采权到期废弃。本区域灰岩分布于向斜两翼，石场位置多呈南北向分布于盆地两侧，盆地中部为城区及农田，两侧多为水泥厂、采石场(见图1)。

2.2 采空区特征

本地石灰岩采空区具如下特征。

(1)多层性：石灰岩矿井一般为分层房柱式开采，采用汽车斜坡道开拓，一般分3～4层采掘，形成多个房厅，整体形似蜂窝。图3为某采石场地下转露天开采后所揭露出的开采形态。

(2)跨度大、采高大：采用房柱法采矿，形成面积达100～1 000 m2的房厅，采高10～30 m不等，地下采空规模颇为壮观，见图4。

图3 多层性

图4 大跨度、大采高

(3)采深小，埋深浅：采深最大约为150 m，多从山坡坡脚逐渐往山体内部开采，具有近边坡处采深浅，近山体内部采深较大的特征。调查显示，8个废弃采石场中有4个塌陷区都发生于山体边缘，即山体与盆地的过渡地带。在长时间水、土的共同作用下，石场附近常形成地表塌陷(见图5)。

图5 废弃矿井的地表塌陷

3 采空区对线路影响分析

3.1 龙腾石场概况

龙腾石场地处蕉岭县南部，矿区总体地貌为西南高、北东低的丘陵地带，西南部最高山顶高程为262 m，北部为山间冲积平原，最低高程为109.41 m，相对高差153 m，一般高差为40～60 m。区内地表水体少，仅在矿区北部边缘有一常年性小水沟，水量随季节变化，受大气降雨控制。

矿区原址曾有两个地下开采的石场，西侧为将军坑石场，东侧为盐东岌石场。采用汽车斜坡道开拓，房柱法分层开采。各井形成的采空区已有不同程度的贯通，井下积水在停止地下开采后已上升至+95 m左右。收集资料显示，原龙腾石场地下开采石灰岩的采空面积约8 000～10 000 m3。

该采石场分布地层主要为二叠系下统栖霞组灰岩，孤峰组泥岩、砂岩，第四系残坡积层。构造简单，岩层走向北西，倾向南东，倾角较缓。

3.2 物探布置及成果

龙腾石场采空区形态分布复杂，底部积水严重。为进一步查明采空区的分布，布置了三条物探测线，采用高密度电法[10]进行探测。高密度电法近年应用较广，对采空深度150 m内，尤其在采空内部充水的情况下，仍可以取得很好的效果，满足本次勘察的需求[11]。

物探布置示意如图6，CC′测线沿线路方向，AA′、BB′垂直线位。物探解译结果与现场调查、收集资料基本一致，该矿区存在大面积不规则采空。其中AA′、CC′测线下方采空问题突出，且采空位置多有重叠，处理难度大。BB′测线反映出矿界外侧同样有部分采空，推测为原矿越界开采所致。采空埋深约28 m，基岩顶板有一定厚度，可进行绕避或处理后通过。BB′物探成果如图7。

图6 物探测线示意

图7 BB′物探测线示意

3.3 安全边界确定

采空区地表可能产生连续性或非连续性的位移变形，对高速铁路的危害主要有如下几个方式：采空区的失稳冒落，地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等[8]。稳定性分析方法包括预计法、解析法以及数值模拟方法。工程应用中，多依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》及《铁路工程地质手册》进行计算。

大型采空区一般在地表形成沉陷盆地，线路应尽可能绕避沉陷盆地及边缘影响带。自采空区边界至地表塌陷变形边界之间的投影距离被称为影响带宽度，围护带宽度与影响带宽度之和为安全距离。按构筑物保护等级和铁路保护等级划分标准，高速铁路、客运专线属Ⅰ级，围护带宽度范围应为20 m。考虑高速铁路的变形要求，在勘察设计中选取边界角进行计算[14]。对于铁路路基、桥梁工程，安全距离可用(1)式进行计算

M=L+H1·cotφ+H2·cotδ

(1)

式中：L为维护带宽度；H1为松散层厚度；H2为顶板以上基岩厚度；φ为松散层扩散角；δ为岩移角，无地方经验时，可按δ=k(45°+φ/2)计算(φ为岩石内摩擦角，高速铁路k取0.8)。

在计算安全边界前，可根据岩溶顶板安全厚度评价法[2]初步判定顶板的稳定性。当顶板岩层完整时，对于水平洞顶可采用“厚跨比”控制。通过工程类比，一般完整顶板安全厚度的厚跨比最小值为0.5～0.87，当某溶洞的顶板厚度与其跨度之比大于此值时，即认为安全。

BB′测线计算结果如下：场地地层主要为二叠系石灰岩，覆盖层为坡残积土，厚度约10 m。围岩顶板厚度为26 m，采空范围宽度按100 m计，厚跨比=26/100=0.26<0.5，判定为顶板欠稳定。按石灰岩边界角70°(坡残积土取45°)计算采空影响范围，东侧安全边界为采空以东地表水平距离15 m范围内。因此，线位距采空的安全距离为采空以东地表水平距离35 m。采空洞穴与安全边界位置关系见图8。

图8 安全边界计算示意(单位：m)

综上，铁路线路宜从东西两侧保留足够安全距离通过，AA′，CC′区域存在大面积不规则采空，铁路线路在该区域通过有较大安全隐患。

4 线路方案评价

该线路走向除受采空、滑坡等不良地质控制外，还受大型水泥厂、站位选择、桥隧比等制约因素控制。蕉岭地区的拟选方案分为东侧设站方案和西侧设站方案(见图1)。西侧设站方案站位较好，不受周边建筑限制，但受采空区制约，线形不顺直，所采用的桥梁形式造价过高，压覆的矿产资源也较多。东侧设站方案虽然车站位置稍差，但绕避了众多采空区、城区密集带及向斜核部位置。经综合分析，认为东侧设站方案(A1k)较优。

5 结语和建议

(1)本地区石灰岩采空区具有多层性、跨度大、采高大，采深小，埋深浅等特点。铁路选线时通过采空区的主要原则是绕避，在无绕避条件时应选择安全廊道通过。

(2)在安全边界确定时，可根据岩溶顶板安全厚度评价法初步判定顶板的稳定性，然后依据“三下”规范计算安全边界。