南京鍶礦開采對高速鐵路安全影響分析

羅喜元 李時亮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

寧(南京)杭(杭州)客運專線為設(shè)計速度目標值350 km/h的高速鐵路，軌道類型為無砟，對地基變形要求嚴格［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)等也有可能對周邊建筑產(chǎn)生不利影響。為保證寧杭客運專線鐵路工程及運營安全，有必要對南京鍶礦開采對鐵路安全影響進行全面分析和評價。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 寧杭客運專線

(1)工程地質(zhì)

寧杭客運專線DK37+100～DK38+100段地處河流一級階地區(qū)，地勢平坦，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，巖石普遍遭受強烈風化裂隙不明顯，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，巖石風化強度相對較弱，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)力管樁進行處理，樁端持力層為強風化安山巖。

3.2 南京鍶礦

南京鍶礦1958年被發(fā)現(xiàn)，1980完成1號～9號線詳勘報告，1990年完成10號～43號線詳勘報告，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－308.1m。

南京鍶礦自上世紀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。

寧杭客運專線南京鍶礦段平面見圖1。

圖1 寧杭客運專線南京鍶礦段平面

4 礦山開采對鐵路安全影響分析

礦山開采對鐵路安全影響包括采空區(qū)塌陷地表變形影響、礦床開采爆破振動影響、礦山開采地下排水的影響、地表炸藥庫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，參照類似礦山實際經(jīng)資料及工程經(jīng)驗，按照類比法，取礦體頂板圍巖開采地表移動角為60°，第四系巖土移動角為40°。巖體邊界角計算公式根據(jù)文獻［3］規(guī)定

β0=β－15°(1－0.01α)，計算得 β0為55°。

寧杭客運專線地表高程按8.0m考慮，地表松散地層層厚約20m(含全風化基巖)。考慮南京鍶礦仍在進行開采，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)地表移動邊界計算示意見圖2。

圖2 南京鍶礦采空區(qū)地表移動邊界計算示意

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)地表移動邊界距礦體水平距離、地表移動邊界距鐵路中心距離的計算結(jié)果見表1。

根據(jù)文獻［4］相關(guān)規(guī)定，寧杭客運專線的保護等級為Ⅰ級，其圍護帶寬度可取20m，考慮到無砟軌道對變形要求控制嚴格，評價中按用地界線外擴50m作為圍護帶范圍，圍護帶距離寧杭客專鐵路中線75m。

從表1計算結(jié)果可看出，采空區(qū)塌陷地表變形移動邊界距鐵路中心最小距離為393.1m，遠大于寧杭客運專線75m的圍護帶范圍，因此，對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 礦床開采爆破振動影響分析

爆破是采礦工藝必須作業(yè)過程，爆破振動對建構(gòu)筑物的振動影響最終是通過地層基礎(chǔ)傳遞的能量來實現(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)點振動，導(dǎo)致地表地下建構(gòu)筑物產(chǎn)生振動。

表1 南京鍶礦采空區(qū)地面移動邊界距鐵路距離m

目前針對鐵路工程沒有明確的爆破振動安全允許標準，考慮到寧杭客專技術(shù)標準較高，為保證建設(shè)及運營安全，參照類似工程經(jīng)驗和文獻［5］中運行水電站及發(fā)電廠中心控制室設(shè)備爆破振動安全允許標準，取安全允許質(zhì)點振動速度控制標準值為0.5 cm/s。

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

式中v為質(zhì)點振動速度，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。

計算結(jié)果表明，對應(yīng)南京鍶礦與寧杭客運專線平面關(guān)系、場地地質(zhì)條件及爆破用藥量，采礦爆破造成鐵路處質(zhì)點振速為0.02 cm/s，遠低于控制值0.5 cm/s。如按爆破振動速度0.5 cm/s控制值反算，距鄰近寧杭客運專線鐵路的安全距離可按150m考慮，也遠小于目前實際距離。故南京鍶礦開采時的爆破振動不會對鄰近寧杭客運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，礦坑排水對鐵路影響很小，甚至沒有影響，可以忽略不計。

4.4 地表炸藥庫意外爆炸影響分析

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

按照文獻［6］規(guī)定，該類型炸藥庫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安全允許振速0.5 cm/s計算，安全允許距離398m。由于寧杭客運專線與爆破器材硐庫之間有山體相隔且相距約1 280m，根據(jù)以上分析結(jié)果，爆破器材硐庫意外爆炸不會對寧杭客運專線安全造成影響。

4.5 寧杭客專鐵路距南京鍶礦安全保護距離評價

按已探明上表礦最大埋深－308.1m的最不利條件考慮，計算得到的地表變形邊界距鐵路水平距離為231.2m，考慮鐵路圍護帶距線路中心距離為75m，故可按307m考慮鐵路的保護帶，該距離同時也滿足采礦爆破振動安全距離及鐵路周邊環(huán)境振動標準［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)相對于鐵路位于307m的保護帶之外。若按307m控制鐵路的保護帶，寧杭客運專線的建設(shè)及運營不影響南京鍶礦對已探明的上表礦進行開采。

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帶距線路中心距離按75m取值，壓礦評估時工程安全保護距離可按307m考慮。

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

［2］李時亮，汪繼鋒，潘志剛，等．寧杭客運專線鐵路南京愛景山鍶礦段安全保護距離評價報告［R］．武漢，中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2011

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

［4］煤行管字［2000］第81號 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庫設(shè)計安全規(guī)范［S］

［7］GB10070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動標準［S］