淘金洞的勘察及其路基加固設計

陸 群

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北武漢 430063)

鐵路修建所遇淘金洞不良地質問題並不多見,但在湖南省北部并不稀奇。路基修建在淘金洞上,會造成洞穴坍塌,直接影響路基的穩定和路基填土的質量,鐵路運營過程會出現安全事故,甚至顛覆列車造成重大傷亡等社會影響極壞的事件。為杜絕類似問題產生,應在勘察階段查明,并在設計中加固處理,確保線路的穩定和安全。

淘金洞是人工在地下含金砂層中掏洞取砂搬運至地表,利用水進行重力分選提取砂金而成的洞穴。因此，在含金砂層的區域地下可能隱藏著條帶狀,甚至網格狀的巷道,這是人為造成的不良地質問題。由于年代久遠,民間開采又無巷道的詳細記錄,給地質勘察造成較大的困難。

1 含金砂層的生成條件

沒有砂金層,就不會掏砂取金,也不會存在淘金洞,因此淘金必然有其獨特的地質背景。

1.1 砂金形成的地質背景

湘北地區在元古界的古老地層中有燕山期花崗巖的侵入體,在其接觸帶附近往往有后期石英熱液的巖脈切割。石英巖脈中含有貴金屬,這些貴金屬分布不集中,含量較小,不具整體開采條件。雖沒有規模開采的價值,但確是砂金形成的必備因素。

1.2 含金砂層的來源

石英巖脈經過后期的物理化學風化作用形成石英砂,貴金屬不易風化而剝離。周邊巖石強風化-全風化近于土狀,受到面狀水流剝蝕順坡面移至山腳,再受水的侵蝕而運移較遠的地方。由于金的比重比較大,而和砂混合在一起易沉淀于其下部,富集程度較高，組成了含金砂層。

河流不同時期流向不同,物質來源不同,因此侵蝕堆積物質成分不同。含金砂層的存在有其特定的背景,不同時代和水流特征,構成了砂金的特定層位，湘北地區的含金砂層就有其獨特的層位。

湘北的資江下游益陽以及汨羅江下游汨羅附近沿江兩岸高階地的中更新統(Q2)棕紅、棕黃色的砂層,砂層中含有黏土,相對密度較大,有一定的強度和自穩能力；砂層厚度不大,一般2～3 m；上部覆蓋著棕紅色或網紋狀黏土。其上游有元古界的板巖及燕山期花崗巖侵入體,并有石英巖脈穿插,有水流條件。砂金的物質來源,為含金砂層的生成具備了良好的地質背景。

2 淘金的古老生產方式及時空條件

2.1 淘金的古老方式

淘金的生產方式是古老的,由人工垂直(或傾斜)向下挖探洞,當到達含金砂層時再水平方向挖掘,順砂金層方向前行,將砂背至地表進行水流重力分選來淘取砂金。所以挖掘采用巷道型,由于土層自穩和支撐條件差,巷道不宜過寬過高,不宜大面積采空,預留保安土柱,以免巷道坍塌造成人身傷亡。

一般含金量較大的層位和地段淘金洞就密集,間距不小于5 m,局部有交叉。淘金洞靜空最高不應大于2 m,當頂部存在棕紅色黏土時,能形成自然拱,不會短期產生坍塌。

2.2 含金砂層淘金的時空條件

(1)含金砂層在靠近地表的淺層,一般在地下水位以上。

在地下水位以下的砂層,挖砂、運砂十分困難,洞穴穩定性差,自拱能力差,安全得不到保障,所以淘金洞位于地表淺層,一般在地下水位以上。

(2)淘金洞的挖掘時間一般在旱季進行。

砂層為含水層,因此雨季地下水位上漲,挖掘巷道易坍塌,不具備起碼的安全生產條件。當每年9月～次年3月旱季,地下水位下降,地層較穩定,才具備一定開采條件。另外,淘金洞形成后,經多年雨季，有坍塌和淤塞的可能。

3 淘金洞不良地質及鐵路工程地質選線

3.1 淘金洞的不良地質問題

(1)淘金洞在掘進和開采過程中一般不進行支撐,完成后也不進行回填,因距地表淺而易于塌陷。未塌陷的空洞,在地表路堤填土重力及機車荷載振動的壓力下,也會使洞穴坍塌,路基下沉,直接威脅鐵路運輸的安全。

(2)淘金洞長期放置引起坍塌、淤塞及沉陷,該地段路基基底土層失去原有的密實程度,造成地基松散,孔隙比增大。同時，上部填筑土也改變了原有的碾壓密實度,造成路基后期沉降大幅度增加,使高等級鐵路的標準下降。

3.2 鐵路工程地質選線原則和工程方案的選擇

(1)地質選線原則

①從含金砂層的生成機理、分布范圍,選擇線路的基本走向。

②盡量繞避淘金洞地帶,以保路基的穩定與安全。

③線路無法繞避采空區時,應從淘金洞數量少的地區通過。

(2)工程方案的選則

①橋梁方案：線路以橋梁方案通過淘金洞地區,可徹底解決地表坍陷對線路安全的威脅并提高鐵路運營的質量。高速客運專線對路基基底要求高,橋梁方案可一步到位。

②路基方案：線路以路基方案通過淘金洞地區,需要對淘金洞的不良地質進行整治。

淘金洞一般埋深淺(<15 m),位于土層中,路基在其上部基底均需整治,最基本的思路是將路基范圍內地層中的淘金洞填充塞滿,恢復至原始狀態,以避免洞體坍塌。

當淘金洞埋深小于3 m(或地表已坍塌),地表可利用強夯處理。

對于高標準的客運專線,地基沉降控制不能達標時(地表土層σ0<180 kPa),地表上部土層仍應進行加固處理。

4 淘金洞不良地質的查明及區段劃分原則

4.1 地質勘察手段

(1)砂金層成因及生成地質背景

了解砂金礦的生成原理及地質背景,可以對鐵路選線方案的走向,從地質條件上提出合理的建議,對壓礦進行正確地評價,對地質災害的嚴重危害有比較準確的評估。

(2)野外地質調查與測繪

通過現場地質測繪與調查訪問,具體了解如下內容：

①砂金層的地層年代、層位及分布范圍,劃分淘金洞可能存在的地段。

②淘金洞的生成年代、采礦方式、開采深度及生產季節。

淘金洞多為近代,但時間較遠的洞穴容易坍塌或淤塞,難以完整存在；近期洞穴保存較好,突發危害性最大。通過調查訪問可以了解可挖深度、生產季節、開采規模及方式。

一般民間開采均較為落后,不會成片連采,只采用巷道式掘進以保證安全；另外,地下水不能過于發育,造成抽水成本過高和遭受水害的威脅。

③淘金洞的分布范圍、規模和密度。

調查淘金洞口的分布位置、巷道的走向和完好程度；巷道一般的形狀及尺寸大小,平面密度及分布規律。同時觀察地表變形和坍塌情況,為設計提供必要的參數。

(3)物探工作的開展

通過物探的手段,圈定采空的不良地質范圍或可疑的不良區段,并進行必要的鉆探核實。

(4)鉆探核查及驗證

布置必要的勘探孔,勘探孔的布置原則如下：

①勘探孔布置在淘金洞口分布較密集的地段。

②布置在地表已經變形、坍陷或分析可能存在巷道的地段。

③物探手段結論可能存在巷道采空的地段進行核實。

通過鉆探核實及驗證,達到確定淘金洞存在的位置、范圍以及淘金洞的埋深和高度的目的；并和地質測繪資料結合,提供砂金層開采的空洞率這一重要的工程數量計算參數。

4.2 不良區段劃分原則

劃分區段用以決定整治的重點。不同區段的劃分、整治的范圍、投放的力度、工程數量的大小等均應有相應的差別。

(1)淘金洞嚴重地段

①有含金砂層分布且地表淘金洞口大量存在地段。

②地表多處因淘金坍塌或明顯下沉地段。

③調查訪問或物探證明嚴重掏空,并被鉆探核實地段。

(2)淘金洞較嚴重地段

①有含金砂層分布且地表淘金洞明顯存在。

②根據調查訪問曾經開采過砂金的地段。

③物探手段證明存在淘金洞,并被鉆探部分證實。

(3)淘金洞存在不嚴重地段

根據調查訪問和現場測繪淘金洞零星出現,或未發現淘金洞口,但物探成果證明淘金洞存在的地段。

(4)淘金洞不發育地段

不具備采金的條件,或含金砂層不存在,即使掏金的探洞口出現,終因無砂金而不能延伸成淘金洞。

5 淘金洞整治設計原則

5.1 整體設計思路

(1)地基整治應遵循“技術可行、經濟合理”的原則。

(2)對客運專線等高等級鐵路,地基受沉降控制超過規定標準,應按規范另行處理。

(3)以填充淘金洞,恢復到原始狀態為原則。

(4)填充物應有一定的抗壓強度及承載能力,不應松散、流動及有后期沉降。

5.2 路堤基底加固原則

以注漿鉆孔為先導,再砂漿回填為主及注漿為輔的原則。

(1)基底加固范圍

①基底加固寬度：整治寬度與基底寬度和淘金洞埋深有關,其整治總寬度應為基底寬度并向兩側坡腳外各延伸3～5 m。

②基底加固深度：整治深度應在含金砂層之下1～2 m。(即勘探深度)

(2)基底加固方法

①采用鉆孔回填的方法：從套管中回填砂漿或混凝土,凝固后具有較大的強度和不可壓縮性。其上部未回填空間用水泥砂漿灌注,直至填滿,減少施工和后期沉降。

②鉆孔布置：凡地面留有探洞,通過勘測了解地下淘金洞保存較為完好,巷道走向清楚,按巷道位置采用較為精確布孔回填；凡無法了解淘金洞具體位置的,應按等邊三角形密布鉆孔,孔距一般5 m,平面交錯布置；在懷疑遺漏部位鉆孔應適當加密,進行補鉆補灌；注漿結束后應有驗證孔檢查注漿效果。

③施工順序：應先外側,后內側。封閉外側,在內側(路基范圍)形成較閉塞的環境,防止漿液外溢造成浪費。

(3)注漿壓力

由于淘金洞多為空洞,即使坍塌空隙仍較大,所以注漿壓力近于零,可屬于自重回填灌漿。當鉆孔中空洞灌滿之后再實施注漿,注漿壓力0.1～0.3MP(注漿管路直徑應≥50 mm)。淘金洞整治以回填充滿為原則,其基本不具有對土體擠密壓實的作用。

(4)淘金洞回填注漿材料

淘金洞整治的主要原理為回填灌注,因此回填材料應既經濟又實用,且具有一定的強度和承載能力。所用材料主要有：水泥、石骨料、惰性材料(砂、粉煤灰、黏土、碎石)等。

①鉆孔回填以惰性材料和石骨料為主：砂或碎石骨料盡量就地取材,以節省造價。但骨料不應松散存在,否則易流動變形并產生沉降。

②骨料中攪拌摻加少量水泥：水灰比要小,流動性不宜過大,要能將骨料黏合成一體,形成不流動、具有一定承載力的實體。水泥應攪拌均勻,不應水泥和骨料分離；也不應先投放骨料,后注漿充填,靠注漿混合效果將大打折扣。

③鉆孔注漿材料：鉆孔回填完成之后,其頂部往往仍存在較大空間未被充滿,需要注漿填充。漿液可以用水泥粉煤灰漿液(或水泥砂漿),惰性材料不少于30%，為控制注漿可考慮少量水玻璃。

5.3 路塹基底的設計原則

(1)淘金洞在路肩高程之上時,開挖后應用黏性土夯填密實或漿砌片石回填,必要時地表鉆探灌漿回填至路塹頂外側5 m。

(2)淘金洞在路肩高程之下不足2 m時,開挖路塹應清除洞頂土層、洞中淤塞堆積松軟土,換填并夯實黏性土或回填漿砌片石,路塹兩側應地表鉆孔灌漿回填至路塹外側5 m。

(3)淘金洞在路肩高程之下大于2 m時,應按路基基底加固設計原則執行,在路塹開挖之前進行基底加固。

5.4 探金洞的整治

路基及外側5 m范圍內的所有探金洞,均應抽干積水,回填夯實黏性土或漿砌片石至地表以上0.2 m,防止表水或降雨灌入探洞中。

6 結束語

淘金洞是鐵路工程不良地質問題,對路基穩定和沉降會造成嚴重后果,因此在鐵路勘察過程必須給予充分的重視。設計是否合理,很大程度取決于野外的調查與測繪。

淘金洞的整治要技術可行、經濟合理。根據空洞存在的現狀,要盡量多采用砂、碎石等惰性材料,與水泥攪拌均勻,使灌注的漿體在洞內凝固后不位移、不壓縮,從而嚴格控制后期沉降。客運專線沉降量要求極高,在淘金洞充填后,其基底其他松散土層仍應按規范要求進行處理。

整治措施不能完全拘泥上述方法,在保證質量的前提下,可根據具體的地質條件,選擇更為成熟、高效、簡便、節儉的合理方案,以豐富和充實地基加固內容。

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