鐵路穿越鹽巖采空區(qū)地面沉降預(yù)測及工程處理措施研究

李水平

(中鐵第四勘察設(shè)計研究院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

廣州樞紐東北貨車外繞線始于京廣鐵路江村編組站北端，終于廣深鐵路石灘站，設(shè)計時速120 km，用為雙線貨運鐵路。線路DIK14～DIK18段經(jīng)廣州市龍歸硝鹽礦區(qū)，龍歸硝鹽礦區(qū)自1994年建成采水溶法開采埋藏深度500 m的硝鹽礦。截止到2015年初，礦區(qū)地表累計沉降量最大達1 m，且礦區(qū)仍在開采，沉降未出現(xiàn)收斂跡象。

鐵路穿越如此大規(guī)模的鹽巖采空區(qū)較為少見[1-3]，采空區(qū)穩(wěn)定性、地質(zhì)選線原則、工程處置措施等一系列問題亟需解決。外繞線鐵路項目經(jīng)過可行性研究，基本明確龍歸硝鹽礦采空區(qū)具備建設(shè)鐵路的可行性，并確定了合理線位。本文主要基于礦區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析龍歸硝鹽礦地面沉降現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測龍歸硝鹽礦的地面沉降最終狀態(tài)，并基于此提出采空區(qū)工程處理措施和鐵路構(gòu)筑物處理措施，為采空區(qū)鐵路設(shè)計、施工提供指導。

2 工程地質(zhì)與開采狀況

2.1 工程地質(zhì)條件

龍歸硝鹽礦區(qū)位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)，地貌上屬流溪河一級階地，地勢平坦，地面高程7～50 m。流溪河支流沙坑河流經(jīng)礦區(qū)。第四系覆蓋層以砂層、粉質(zhì)黏土為主，厚度最大30 m。下伏下第三系泥巖、砂巖，局部見泥灰?guī)r、白云巖、泥礫巖等，巖質(zhì)軟，裂隙發(fā)育。

鹽層賦存于高程480～640 m左右，具有5個可開采鹽層，開采鹽層之間間隔3～10 m厚非可溶泥巖夾層。主開采層為3號鹽層，厚度17～24 m，其他均薄于該層。區(qū)域地質(zhì)上礦區(qū)位于龍歸凹陷盆地，盆地呈“碟”形分布，鹽巖層在白堊系蒸發(fā)成礦，盆地內(nèi)斷層不發(fā)育。

2.2 礦井開采狀況

鹽井布置分為三個采區(qū)，分三期建設(shè)。Ⅰ采區(qū)建設(shè)21口采鹽井，1994年開始，2005年全面停采。Ⅱ采區(qū)共20口鹽井，1998年投產(chǎn)，至2015年初仍在開采。Ⅲ采區(qū)分布在礦區(qū)北部較薄礦塊，處于建井中。

礦井采用水溶法開采，多采用雙井連通開采(見圖1)，部分采用單井對流開采。二期后期鹽井與三期礦井由于頂板垮塌，溶腔與砂巖含水層連通，造成井內(nèi)失壓，無法實現(xiàn)水力驅(qū)替，采用潛鹵泵抽采。礦井設(shè)計階段，采空區(qū)溶蝕半徑設(shè)計40 m，井間距最大350 m，設(shè)計采空區(qū)如圖2所示。

圖1 雙井連通開采示意(根據(jù)文獻[4]修改)

圖2 龍歸硝鹽礦設(shè)計采空區(qū)

3 地面沉降現(xiàn)狀

礦井自1994年投產(chǎn)就在開采范圍內(nèi)及附近設(shè)置地面變形監(jiān)測點。1994年1月份，在I采區(qū)設(shè)置28個地面變形監(jiān)測點。Ⅱ采區(qū)在各井口和附近地面布設(shè)17個監(jiān)測點，于2006年開始監(jiān)測。Ⅲ采區(qū)投產(chǎn)后，2012年后陸續(xù)增加監(jiān)測點，組成礦區(qū)內(nèi)63個監(jiān)測點。

根據(jù)監(jiān)測部門提供的地面變形數(shù)據(jù)，采用自然鄰域法插值獲取礦區(qū)地面沉降等值線。截止2015年3月外繞線鐵路可行性研究階段，礦區(qū)累計地面沉降等值線如圖3所示。

圖3 礦區(qū)2015年3月沉降等值線圖(單位:mm)

從圖3中可以看出，礦區(qū)已經(jīng)發(fā)展出兩個地面沉降漏斗中心，分別分布在Ⅰ、Ⅱ采區(qū)。Ⅰ采區(qū)沉降中心沉降累計1 009 mm，Ⅱ采區(qū)沉降中心已達1 052 mm。地面沉降中心主要出現(xiàn)在鹽巖采空區(qū)密集處，尤其Ⅱ采區(qū)沉降中心下部采空區(qū)已出現(xiàn)連通。截止到2015年3月，兩個沉降中心都在發(fā)展中，沒有收斂跡象。

擬建外繞線鐵路沿線經(jīng)過多個采空區(qū)，但由于開采時間較短，且部分尚在開采中，地面沉降相對較小，鐵路沿線累計地面沉降一般小于400 mm。其中DIK16＋200鄰近區(qū)域受Ⅱ采區(qū)沉降中心的牽連影響，最大沉降達400 mm。類比Ⅰ、Ⅱ采區(qū)的地面沉降不斷發(fā)展的趨勢，鐵路沿線地面沉降也存在進一步發(fā)展的態(tài)勢。

4 地面沉降預(yù)測

由于礦區(qū)部分鹽井正在開采中，另部分鹽井尚在建井(見圖2)，隨著開采的推進，采空區(qū)還會繼續(xù)擴大，地面沉降也會進一步發(fā)展。鐵路通過該區(qū)域工程措施的制定，不僅需要基于地面沉降現(xiàn)狀，還需要預(yù)測完全開采后地面沉降。

鹽巖采空區(qū)地面沉降預(yù)測方法主要有理論計算和數(shù)值模擬方法。理論方法有隨機介質(zhì)理論、新概率積分三維預(yù)測模型、Mogi模型與地面高斯曲線沉降模型相結(jié)合的模型[5-7]等；數(shù)值方法則采用基于有限差分或有限元方法的數(shù)值計算方法。為研究礦區(qū)最終沉降情況，借助于有限元計算軟件Plaxis進行模擬預(yù)測。

4.1 計算模型

首先需要根據(jù)溶腔形狀建立模型。水溶開采形成的溶腔形態(tài)具有很強的不確定性，目前只有聲吶測腔才能測得溶腔形態(tài)[8]，但龍歸硝鹽礦含鹽為層狀巖體，開采時夾層、頂板垮塌會形成大量沉渣，聲吶測腔也難以獲取溶腔形態(tài)。考慮到此，溶腔形態(tài)采用圖1所示的設(shè)計采空區(qū)。停采井、生產(chǎn)井和在建井均按采空區(qū)考慮。

模型長度2 500 m，寬度2 000 m，深度600 m，如圖4所示。對于模型邊界條件，水平X、Y方向均采用簡支約束，模型底部采用簡支約束，地面自由約束。

圖4 網(wǎng)格劃分

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)開采階段鉆井取芯巖石力學試驗結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗確定地層參數(shù)如表1所示。各地層變形均采用虎克彈性本構(gòu)模型，除第四系外，破壞準則均采用摩爾庫倫模型。

表1 巖土力學參數(shù)

4.3 終沉預(yù)測

計算得到的地面沉降以等值線形式插值繪制后如圖5所示。礦區(qū)全面開采結(jié)束后，形成的最終地面沉降最大值達2.4 m，地面沉降中心基本位于整個礦區(qū)的中心，沉降中心到沉降邊界的范圍接近1 km。由于待開采區(qū)主要位于礦區(qū)北部，這部分采空區(qū)形成后，地面沉降中心會向北部移動，而且整個礦區(qū)的沉降會趨于均勻。

圖5 數(shù)值計算方法預(yù)測礦區(qū)最終地表沉降等值線圖

鐵路沿線的沉降曲線如圖6所示。圖中可以看出，鐵路沿線沉降中心基本為位于DIK16＋000附近，沉降最大值接近2.2 m。研究區(qū)線路大部分段落是垂直沉降等值線行走，差異沉降問題主要存在于沿線路方向的沉降差。沿線路方向差異沉降最大約3.6 mm/m，出現(xiàn)在DIK15＋400和DIK16＋300附近。

圖6 鐵路沿線預(yù)測沉降量

5 工程處理措施研究

下面基于現(xiàn)狀地面沉降和數(shù)值分析得到的最終地面沉降，從鐵路和礦區(qū)兩方面考慮研究區(qū)的工程處理措施。

5.1 鐵路處理措施

礦區(qū)鐵路構(gòu)筑物形式主要為路基工程，在兩側(cè)分布跨高速公路(DIK15)和跨沙坑河的橋梁工程(DIK17)，可考慮采用以下方式進行處理。

(1)路基沉陷加寬

礦區(qū)段地面沉降仍在發(fā)展，由于這種沉降的主控因素是采空區(qū)覆巖下沉所造成，人為阻止這種沉降的繼續(xù)發(fā)展在技術(shù)和經(jīng)濟角度均存在巨大難度。而運營期間可通過填筑道砟抬高軌道，使軌道維持正常通行標高更為可行且經(jīng)濟合理。這就需要根據(jù)鐵路沿線的預(yù)測地面沉降，對路基預(yù)留沉陷加寬量。

路基沉陷加寬采用漸變的形式，在下沉量最大的地方兩側(cè)各加寬1.75 m，滿足最終沉降軌道抬高要求。形成的路基設(shè)計斷面如圖7所示。

圖7 沉陷加寬路基橫斷面

(2)橋梁采用簡支梁形式或可調(diào)式支座

根據(jù)現(xiàn)狀地面沉降(見圖3)和預(yù)測地面沉降(見圖5)，DIK15跨北二環(huán)高速公路大橋和DIK17沙坑河1號大橋均位于地面沉降影響范圍內(nèi)，橋梁需要采用合理的結(jié)構(gòu)形式來應(yīng)對這種地面變形。

較于連續(xù)梁，簡支梁靈活性比較好，當橋墩出現(xiàn)微量位移時，簡支橋跨結(jié)構(gòu)具有一定的自適應(yīng)性，尤其出現(xiàn)比較均勻變化的差異沉降時。同時，采用可調(diào)式支座也能調(diào)整一定范圍內(nèi)的差異沉降[9]。因此，沉降影響區(qū)域內(nèi)的橋梁采用簡支梁，避免采用適應(yīng)性比較差的連續(xù)梁，配合以可調(diào)式支座，可以減輕采空區(qū)橋梁損害程度。

(3)沙坑河改溝

預(yù)測地面沉降(見圖5)顯示，DIK15跨北二環(huán)高速公路大橋和DIK17沙坑河1號大橋均位于沉降的邊緣區(qū)，沿線路方向存在一定差異沉降。而現(xiàn)狀地面沉降(見圖3)顯示，大里程跨沙坑河橋梁除沿線路防線存在不均勻沉降外，橫向也存在不均勻變形。當采用簡支梁或可調(diào)式支座仍無法使橋梁完全適應(yīng)這種地面不均與變形時，為保證該地段構(gòu)筑物安全，規(guī)避不均勻沉降引起的橋式結(jié)構(gòu)開裂風險，該段沙坑河可采用截彎取直，經(jīng)過該段鐵路工程可避免采用橋式結(jié)構(gòu)，采用柔性路基形式通過可降低安全風險。

(4)涵洞避開差異沉降最大區(qū)

根據(jù)預(yù)測地面沉降圖，沿線路方向沉降差最大約3.6 mm/m，出現(xiàn)在 DIK15＋400和 DIK16＋300附近，采空區(qū)段涵洞設(shè)置時應(yīng)盡量避開不均勻沉降差過大區(qū)域，選擇沉降相對均勻地區(qū)，如DIK600～800附近，無論從現(xiàn)狀地面沉降和預(yù)測地面沉降來看，沉降均相對均勻，有利于構(gòu)筑物安全。

(5)鐵路沿線鹽井口第四系土層注漿加固

水溶開采開采管樁極易銹蝕破壞，第四系砂土顆粒從銹蝕處漏失至采空區(qū)，在鹽井口處形成“土洞”或飽水軟弱體[10]，停采后失壓會引發(fā)二次塌陷，對路基及橋梁安全威脅大。根據(jù)圖2、圖3，線路經(jīng)過多個設(shè)計采空區(qū)頂部，路基工程壓覆鹽井口。如果鹽井口第四系存在漏失帶，則會引起路基塌陷。沿線鹽井口有必要進行注漿加固，消除地面塌陷風險。加固位置宜從基巖面向地面延伸，封閉可能的土洞，保證井口附近區(qū)域的穩(wěn)定性。

5.2 礦區(qū)處理措施

(1)礦山停采

現(xiàn)狀開采情況下，礦區(qū)地面沉降最大已經(jīng)達到1.2 m，表明礦區(qū)上覆巖層破壞嚴重。如果繼續(xù)開采，不僅地面沉降會繼續(xù)發(fā)展，地面突然發(fā)生塌陷風險會加大，威脅鐵路安全，也嚴重影響礦區(qū)各類型地表建筑物安全。長此以往，礦區(qū)土地再利用的價值降低，造成大面積土地資源浪費。

水溶采空區(qū)礦山停采后，采空區(qū)不會進一步發(fā)展，地面沉降會變慢，所以硝鹽礦區(qū)停采可以提高場地穩(wěn)定性，降低鐵路工程安全風險。考慮到已有采鹵井和擬建采鹵井均在擬建鐵路沿線1 000 m范圍內(nèi)，整個礦區(qū)均有必要停止開采。

(2)鹽井閉井

鹽巖具有滲透率非常低的特征，能達到10-21m/s量級，工程上，鹽巖溶腔可用來儲存天然氣。溶腔封閉后，鹽巖流變收縮會引起鹵水壓力上升，可以有效抵制覆巖下沉[11]。所以，龍歸硝鹽礦采空區(qū)可以充分利用鹽巖良好的流變性和低滲透性，在礦山停采后，對鹽井進行封井處理。封井后，鹵水被封閉在密閉的空間內(nèi)，鹽巖流變作用下，溶腔收縮，鹵水壓力上升，可一定程度上抵抗上覆巖層的下沉，從而抑制地面沉降發(fā)展。

(3)井身軟弱破碎帶注漿

水溶開采的鹽井長期開采過程中，管柱在注抽鹵水引起的振動作用下與周圍巖體脫空，井身周邊巖體形成破碎帶，導致第四系含水層與采空區(qū)鹵水貫通。這種破碎帶往往引起第四系漏失，是水溶采空區(qū)地面塌陷的主要誘因[12]。

為消除井身破碎帶漏失隱患，比較有效的方法就是加固井身軟弱破碎帶，堵塞流失通道。這種方法還有助于提高鹵水采空區(qū)的密封性，利用鹽巖的低滲性，形成封閉承壓鹵水泡來支撐上覆巖層，達到控制沉降的目的。

6 結(jié)論

外繞線鐵路擬通過水溶開采20余年的鹽礦區(qū)，通過采用自然鄰域法對龍歸硝鹽礦現(xiàn)狀地面監(jiān)測數(shù)據(jù)插值獲取礦區(qū)地面沉降等值線、采用有限元原理的數(shù)值計算軟件模擬礦區(qū)最終沉降等值線，基于現(xiàn)狀和預(yù)測地面沉降和水溶采空區(qū)特點，研究礦區(qū)和穿礦區(qū)鐵路工程處理措施，主要結(jié)論如下:

(1)龍歸硝鹽礦在1994年開采，截止到2015年地面已形成兩個沉降中心，沉降中心累計沉降分別為1 009 mm和1 052 mm，擬建鐵路沿線最大沉降量約400 mm。

(2)基于有限元原理的數(shù)值軟件計算得到礦山停采井、開采井和在建井全部開采完畢后的礦區(qū)最大地面沉降量約2.25 m，擬建鐵路沿線最大沉降接近2.2 m，沿線路方向差異沉降最大約3.6 mm/m。

(3)水溶采空區(qū)鐵路工程的主要措施有路基沉陷加寬、橋梁采用簡支梁和可調(diào)式支座、河道截彎取直、涵洞選擇沉降均勻處設(shè)置以及鐵路沿線鹽井口第四系土層注漿加固等工程處理措施，礦山主要措施為停采，鹽井封閉、井身軟弱破碎帶注漿等措施。