大面積采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線原則探討★

徐彩風(fēng)

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

0 引言

鐵路線路選線時(shí)對(duì)于采空區(qū)路段一般采取繞避措施，但隨著礦石的大量開(kāi)采，采空區(qū)的面積不斷擴(kuò)大，同時(shí)新建鐵路造價(jià)高，半徑要求標(biāo)準(zhǔn)高，單純繞避已無(wú)法適應(yīng)工程需求。我國(guó)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的合福鐵路、寧安客專(zhuān)、武廣客專(zhuān)、沈丹客專(zhuān)等鐵路干線，勘測(cè)階段均面臨著采空區(qū)段工程地質(zhì)選線的技術(shù)難題，鐵路勘察設(shè)計(jì)人員積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)[1-5]。但我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，各類(lèi)采空區(qū)分布廣泛，隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的扎實(shí)推進(jìn)，將來(lái)會(huì)有更多的鐵路項(xiàng)目遇到同類(lèi)問(wèn)題，因此對(duì)穿越大面積采空區(qū)的鐵路進(jìn)行工程地質(zhì)選線原則的探討十分必要。

1 大面積采空區(qū)巖移角概念

大面積采空區(qū)地下礦體采空后，引起地面下沉變形。地表變形開(kāi)始時(shí)表現(xiàn)為凹地，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，凹地不斷發(fā)展形成凹陷盆地。地表變形范圍內(nèi)的區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為采空區(qū)移動(dòng)盆地，示意圖見(jiàn)圖1。

依據(jù)地表變形值的大小與變形特征，自移動(dòng)盆地中心向邊緣將移動(dòng)盆地分為如下3個(gè)區(qū)。

1)均勻下沉區(qū)(中間區(qū))：為盆地中心的平底部分。區(qū)內(nèi)地表下沉均勻，地面平坦，一般無(wú)明顯裂縫。

2)移動(dòng)區(qū)(危險(xiǎn)變形區(qū))：區(qū)內(nèi)地表下沉不均勻，并常有裂縫伴生，對(duì)線路及建筑物破壞作用較大。結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，移動(dòng)區(qū)邊緣地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)為地表傾斜不超過(guò)3 mm/m，地表曲率不大于0.2 mm/m2或地表水平變形不超過(guò)2 mm/m。但對(duì)下沉變形標(biāo)準(zhǔn)未明確規(guī)定。結(jié)合我國(guó)各地采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)成果，其臨界變形值處的下沉量往往為數(shù)厘米。

3)輕微變形區(qū)：地表變形值較小，其外圍邊界一般以地表下沉值10 mm來(lái)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。

在采空區(qū)研究中，最常用的巖移角有3種，分別為裂縫角、移動(dòng)角與邊界角，其分別對(duì)應(yīng)采空區(qū)邊界與中間區(qū)、危險(xiǎn)變形區(qū)、輕微變形區(qū)的外邊界點(diǎn)連線和水平線在采空區(qū)外側(cè)的夾角。

2 大面積采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線安全距離

2.1 安全距離計(jì)算

自采空區(qū)邊界至地表變形邊界之間的投影距離稱(chēng)為影響帶寬度。在鐵路選線設(shè)計(jì)中，影響帶寬度一般以巖移角進(jìn)行估算，并增設(shè)一定寬度的圍護(hù)帶，將線路選擇在采空區(qū)邊緣一定距離以外通過(guò)，以確保鐵路的安全。此時(shí)，圍護(hù)帶寬度與影響帶寬度之和為安全距離，如圖2中M所示。

安全距離計(jì)算公式為：

M=L+H1cotφ+H2cotδ

(1)

其中，L為圍護(hù)帶寬度，m；H1為松散層厚度，m；H2為頂板以上基巖厚度，m；φ為松散層塌陷擴(kuò)散角，(°)；δ為巖體巖移角，(°)。

2.2 圍護(hù)帶寬度確定

圍護(hù)帶寬度由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》確定。根據(jù)保護(hù)的鐵路等級(jí)不同，劃分為五個(gè)保護(hù)等級(jí)，其圍護(hù)帶寬度見(jiàn)表1。

表1 鐵路保護(hù)等級(jí)劃分

式(1)中松散層厚度、頂板以上基巖厚度為采空區(qū)幾何條件，可通過(guò)礦區(qū)資料或地質(zhì)勘察手段獲得；松散層塌陷擴(kuò)散角為巖土體力學(xué)參數(shù)，可由室內(nèi)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)獲取。圍護(hù)帶寬度由表1確定。因此，巖體巖移角是控制采空區(qū)工程地質(zhì)選線原則的關(guān)鍵參數(shù)。

3 巖體巖移角的選擇

根據(jù)慣例，巖體巖移角一般根據(jù)采空區(qū)觀測(cè)資料或地方經(jīng)驗(yàn)取值，由于多數(shù)采空區(qū)未進(jìn)行長(zhǎng)期有效的變形監(jiān)測(cè)而缺少數(shù)量，地方經(jīng)驗(yàn)又相對(duì)籠統(tǒng)，往往安全距離過(guò)于保守，已經(jīng)開(kāi)通的多條高鐵因采空區(qū)的影響，進(jìn)行了較大范圍的平面展線繞避，投資增加較大，且影響運(yùn)營(yíng)時(shí)分。傳統(tǒng)的巖移角選取方法已難以適應(yīng)狹窄通道條件下高速鐵路精準(zhǔn)選線的需求。隨著InSar技術(shù)的引入和“空天地”一體化勘測(cè)技術(shù)的日新月異，采空區(qū)地表變形的精準(zhǔn)測(cè)量、形變速率分析、殘余變形預(yù)測(cè)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，結(jié)合鐵路等級(jí)開(kāi)展精準(zhǔn)化工程地質(zhì)選線意義重大。

通過(guò)系統(tǒng)研究現(xiàn)行鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，從曲率、傾斜、沉降三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)探討鐵路工程地質(zhì)選線巖移角的選取原則[6-10]。

3.1 曲率控制

根據(jù)《Ⅲ，Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，時(shí)速100 km/h～120 km/h，相鄰坡段坡度差大于3‰時(shí)，豎曲線半徑應(yīng)采用10 000 m，即控制曲率為0.1 mm/m2；時(shí)速不超過(guò)80 km/h時(shí)，豎曲線半徑可采用3 000 m～5 000 m，即控制曲率為0.2 mm/m2～0.33 mm/m2。

根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速小于160 km/h，相鄰坡段的坡度差大于3‰時(shí)，豎曲線半徑不得小于10 000 m，其控制曲率為0.1 mm/m2。

根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)時(shí)速不小于160 km/h時(shí)，相鄰坡段的坡度差大于1‰時(shí)，豎曲線半徑不得小于15 000 m，即控制曲率為0.067 mm/m2。

根據(jù)《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，相鄰坡段的坡度差大于3‰時(shí)，應(yīng)以圓曲線形豎曲線連接，豎曲線半徑應(yīng)采用10 000 m，其控制曲率為0.1 mm/m2。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，最小豎曲線半徑采用標(biāo)準(zhǔn)為20 000 m～25 000 m，其控制曲率為0.04 mm/m2～0.05 mm/m2。曲率控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇原則見(jiàn)表2。

表2 曲率控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇原則

由表2可知，移動(dòng)角對(duì)應(yīng)的地表曲率變形標(biāo)準(zhǔn)為0.2 mm/m2。綜上可見(jiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)速不超過(guò)80 km/h的Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路控制曲率為0.2 mm/m2～0.33 mm/m2，采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離安全；重載鐵路、Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)鐵路(<160 km/h)及設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h～120 km/h的Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路，控制曲率略小于移動(dòng)角地表曲率變形標(biāo)準(zhǔn)的0.2 mm/m2，采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離基本可行；更高等級(jí)鐵路采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離是不安全的。

3.2 傾斜控制

《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》《Ⅲ,Ⅳ級(jí)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：重載鐵路、設(shè)計(jì)時(shí)速不大于160 km/h的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路，對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為80 mm，相鄰墩臺(tái)均勻沉降差不得超過(guò)40 mm；200 km/h客貨共線鐵路，對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為50 mm，相鄰墩臺(tái)均勻沉降差不得超過(guò)20 mm。按常規(guī)32 m簡(jiǎn)支梁計(jì)算，相鄰墩臺(tái)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)40 mm，20 mm對(duì)應(yīng)的傾斜分別為1.25 mm/m和0.625 mm/m，均小于移動(dòng)角對(duì)應(yīng)3 mm/m的傾斜值。對(duì)于200 km/h客貨共線鐵路，采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離是不安全的；而對(duì)于重載鐵路、設(shè)計(jì)時(shí)速不大于160 km/h的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路基本可行。

高速鐵路橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)為有砟軌道相鄰墩臺(tái)沉降差為15 mm，無(wú)砟軌道相鄰墩臺(tái)沉降差為5 mm。按常規(guī)32 m簡(jiǎn)支梁計(jì)算，其傾斜分別為0.469 mm/m和0.156 mm/m，遠(yuǎn)小于移動(dòng)角對(duì)應(yīng)3 mm/m的傾斜值。因此對(duì)于高速鐵路，在移動(dòng)區(qū)邊緣采用橋梁通過(guò)時(shí)無(wú)法滿足相鄰墩臺(tái)沉降差控制要求。故高速鐵路采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離是不可行的。

傾斜控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇見(jiàn)表3。

綜上，僅從傾斜控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷，重載鐵路、設(shè)計(jì)時(shí)速不大于160 km/h的鐵路傾斜控制值與移動(dòng)角處于同一量級(jí)，基本可行；200 km/h客貨共線及以上標(biāo)準(zhǔn)鐵路采用移動(dòng)角計(jì)算安全距離是不安全的。

表3 傾斜控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇

3.3 沉降控制

路基的工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)為：重載及Ⅰ級(jí)鐵路不應(yīng)大于20 cm， 路橋過(guò)渡段不應(yīng)大于10 cm，沉降速率不應(yīng)大于5 cm/a；Ⅱ級(jí)鐵路不應(yīng)大于30 cm；Ⅲ級(jí)鐵路不應(yīng)大于30 cm；Ⅳ級(jí)鐵路不應(yīng)大于40 cm；200 km/h客貨共線鐵路不應(yīng)大于15 cm，沉降速率小于4 cm/a；高速鐵路無(wú)砟軌道控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm，有砟軌道控制標(biāo)準(zhǔn)為5 cm～10 cm。

橋梁墩臺(tái)工后沉降，高速鐵路無(wú)砟軌道橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)工后沉降限值為20 mm，有砟工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm，其他等級(jí)鐵路墩臺(tái)工后沉降限值為80 mm。

可見(jiàn)，高速鐵路無(wú)砟軌道路基15 mm、橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)20 mm～30 mm的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，略大于邊界角10 mm的沉降標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路走行于輕微變形區(qū)以外是滿足工后沉降控制要求的，應(yīng)采用邊界角計(jì)算安全距離。沉降控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇見(jiàn)表4。

表4 沉降控制時(shí)不同等級(jí)鐵路巖移角選擇

由表4可知：國(guó)鐵及客貨共線鐵路路基工后沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)為15 cm～40 cm，橋梁墩臺(tái)工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為5 cm～8 cm，與我國(guó)采空區(qū)移動(dòng)區(qū)邊緣的下沉量在同一量級(jí)。移動(dòng)區(qū)邊緣外側(cè)(即輕微變形區(qū)內(nèi))移動(dòng)盆地沉降量基本滿足重載鐵路、國(guó)鐵及客貨共線鐵路對(duì)于工后沉降的要求，可根據(jù)地表變形觀測(cè)資料和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行局部線位優(yōu)化。高速鐵路應(yīng)采用邊界角進(jìn)行工程地質(zhì)選線。

3.4 臨界巖移角的引入

結(jié)合上述，對(duì)鐵路工程地質(zhì)選線的原則總結(jié)如下：

1)高速鐵路應(yīng)采用邊界角計(jì)算安全距離，線位應(yīng)走行于移動(dòng)盆地之外。

2)客貨共線(200 km/h)走行于采空區(qū)移動(dòng)盆地輕微變形區(qū)時(shí)，應(yīng)滿足以下條件：地表沉降不超過(guò)5 cm、傾斜不超過(guò)0.625 mm/m、曲率不大于0.067 mm/m2。

3)客貨共線(160 km/h)走行于采空區(qū)移動(dòng)盆地輕微變形區(qū)時(shí)，應(yīng)滿足以下條件：地表沉降不超過(guò)8 cm、傾斜不超過(guò)1.25 mm/m、曲率不大于0.067 mm/m2。

4)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)(<160km/h)鐵路走行于采空區(qū)移動(dòng)盆地輕微變形區(qū)時(shí)，應(yīng)滿足以下條件：地表沉降不超過(guò)8 cm、傾斜不超過(guò)1.25 mm/m、地表曲率不大于0.1 mm/m2。

5)國(guó)鐵Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路走行于采空區(qū)移動(dòng)盆地輕微變形區(qū)時(shí)，應(yīng)滿足以下條件：設(shè)計(jì)時(shí)速超過(guò)80 km/h時(shí)，地表沉降不超過(guò)8 cm、傾斜不超過(guò)1.25 mm/m、曲率不大于0.1 mm/m2。設(shè)計(jì)時(shí)速不超過(guò)80 km/h時(shí)，地表沉降不超過(guò)8 cm、傾斜不超過(guò)1.25 mm/m、曲率不大于0.2 mm/m2。

在此引入臨界巖移角概念，以滿足上述地表變形條件外邊界點(diǎn)連線與水平線在采空區(qū)外側(cè)的交角作為相應(yīng)等級(jí)鐵路的臨界巖移角。臨界巖移角大于移動(dòng)角，且不大于邊界角。

不同等級(jí)鐵路工程地質(zhì)選線安全距離計(jì)算時(shí)，巖移角選擇情況詳見(jiàn)表5。

表5 不同等級(jí)鐵路巖移角選擇

4 結(jié)論

大面積采空區(qū)是鐵路工程地質(zhì)選線的重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)采空區(qū)移動(dòng)盆地地表變形判據(jù)，結(jié)合不同等級(jí)鐵路的豎曲線、傾斜及工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采空區(qū)工程地質(zhì)選線原則進(jìn)行了深入探討。對(duì)于大面積采空區(qū)段鐵路工程地質(zhì)選線的原則，得出的主要結(jié)論如下：

1)對(duì)于高速鐵路(含有砟軌道、無(wú)砟軌道)，工程地質(zhì)選線時(shí)應(yīng)采用邊界角，其對(duì)應(yīng)的外邊界地表變形小于10 mm。

2)提出了適用于200 km/h客貨共線鐵路、重載鐵路與國(guó)家Ⅰ級(jí)～Ⅳ級(jí)鐵路工程地質(zhì)選線的臨界巖移角概念，臨界巖移角介于移動(dòng)角與邊界角之間。采空區(qū)臨界巖移角外邊界地表變形參數(shù)應(yīng)滿足以下條件：對(duì)于國(guó)鐵Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)鐵路：地表傾斜不大于1.25 mm/m，地表曲率不大于0.067 mm/m2；對(duì)于國(guó)鐵Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)鐵路：設(shè)計(jì)時(shí)速大于80 km/h時(shí)，地表傾斜不大于0.625 mm/m，地表曲率不大于0.1 mm/m2；設(shè)計(jì)時(shí)速不大于80 km/h時(shí)，地表傾斜不大于0.625 mm/m，地表曲率不大于0.2 mm/m2。

值得一提的是，采用本文所述的工程地質(zhì)選線原則，需建立在詳細(xì)勘察基礎(chǔ)之上，成本較高。一般適用于勘察設(shè)計(jì)費(fèi)用充足的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)及以上等級(jí)鐵路。