鐵路穿越鹽巖采空區地面沉降預測及工程處理措施研究

李水平

(中鐵第四勘察設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，設計時速120 km，用為雙線貨運鐵路。線路DIK14～DIK18段經廣州市龍歸硝鹽礦區，龍歸硝鹽礦區自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，礦區地表累計沉降量最大達1 m，且礦區仍在開采，沉降未出現收斂跡象。

鐵路穿越如此大規模的鹽巖采空區較為少見[1-3]，采空區穩定性、地質選線原則、工程處置措施等一系列問題亟需解決。外繞線鐵路項目經過可行性研究，基本明確龍歸硝鹽礦采空區具備建設鐵路的可行性，并確定了合理線位。本文主要基于礦區監測數據分析龍歸硝鹽礦地面沉降現狀，采用數值模擬方法預測龍歸硝鹽礦的地面沉降最終狀態，并基于此提出采空區工程處理措施和鐵路構筑物處理措施，為采空區鐵路設計、施工提供指導。

2 工程地質與開采狀況

2.1 工程地質條件

龍歸硝鹽礦區位于廣州市白云區太和鎮，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礦區。第四系覆蓋層以砂層、粉質黏土為主，厚度最大30 m。下伏下第三系泥巖、砂巖，局部見泥灰巖、白云巖、泥礫巖等，巖質軟，裂隙發育。

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。區域地質上礦區位于龍歸凹陷盆地，盆地呈“碟”形分布，鹽巖層在白堊系蒸發成礦，盆地內斷層不發育。

2.2 礦井開采狀況

鹽井布置分為三個采區，分三期建設。Ⅰ采區建設21口采鹽井，1994年開始，2005年全面停采。Ⅱ采區共20口鹽井，1998年投產，至2015年初仍在開采。Ⅲ采區分布在礦區北部較薄礦塊，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，造成井內失壓，無法實現水力驅替，采用潛鹵泵抽采。礦井設計階段，采空區溶蝕半徑設計40 m，井間距最大350 m，設計采空區如圖2所示。

圖1 雙井連通開采示意(根據文獻[4]修改)

圖2 龍歸硝鹽礦設計采空區

3 地面沉降現狀

礦井自1994年投產就在開采范圍內及附近設置地面變形監測點。1994年1月份，在I采區設置28個地面變形監測點。Ⅱ采區在各井口和附近地面布設17個監測點，于2006年開始監測。Ⅲ采區投產后，2012年后陸續增加監測點，組成礦區內63個監測點。

根據監測部門提供的地面變形數據，采用自然鄰域法插值獲取礦區地面沉降等值線。截止2015年3月外繞線鐵路可行性研究階段，礦區累計地面沉降等值線如圖3所示。

圖3 礦區2015年3月沉降等值線圖(單位:mm)

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

擬建外繞線鐵路沿線經過多個采空區，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鄰近區域受Ⅱ采區沉降中心的牽連影響，最大沉降達400 mm。類比Ⅰ、Ⅱ采區的地面沉降不斷發展的趨勢，鐵路沿線地面沉降也存在進一步發展的態勢。

4 地面沉降預測

由于礦區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，采空區還會繼續擴大，地面沉降也會進一步發展。鐵路通過該區域工程措施的制定，不僅需要基于地面沉降現狀，還需要預測完全開采后地面沉降。

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

4.1 計算模型

首先需要根據溶腔形狀建立模型。水溶開采形成的溶腔形態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[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。考慮到此，溶腔形態采用圖1所示的設計采空區。停采井、生產井和在建井均按采空區考慮。

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 網格劃分

4.2 計算參數

根據礦區開采階段鉆井取芯巖石力學試驗結果，結合經驗確定地層參數如表1所示。各地層變形均采用虎克彈性本構模型，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

4.3 終沉預測

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。礦區全面開采結束后，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。由于待開采區主要位于礦區北部，這部分采空區形成后，地面沉降中心會向北部移動，而且整個礦區的沉降會趨于均勻。

圖5 數值計算方法預測礦區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，出現在DIK15＋400和DIK16＋300附近。

圖6 鐵路沿線預測沉降量

5 工程處理措施研究

下面基于現狀地面沉降和數值分析得到的最終地面沉降，從鐵路和礦區兩方面考慮研究區的工程處理措施。

5.1 鐵路處理措施

礦區鐵路構筑物形式主要為路基工程，在兩側分布跨高速公路(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

礦區段地面沉降仍在發展，由于這種沉降的主控因素是采空區覆巖下沉所造成，人為阻止這種沉降的繼續發展在技術和經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濟合理。這就需要根據鐵路沿線的預測地面沉降，對路基預留沉陷加寬量。

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

根據現狀地面沉降(見圖3)和預測地面沉降(見圖5)，DIK15跨北二環高速公路大橋和DIK17沙坑河1號大橋均位于地面沉降影響范圍內，橋梁需要采用合理的結構形式來應對這種地面變形。

較于連續梁，簡支梁靈活性比較好，當橋墩出現微量位移時，簡支橋跨結構具有一定的自適應性，尤其出現比較均勻變化的差異沉降時。同時，采用可調式支座也能調整一定范圍內的差異沉降[9]。因此，沉降影響區域內的橋梁采用簡支梁，避免采用適應性比較差的連續梁，配合以可調式支座，可以減輕采空區橋梁損害程度。

(3)沙坑河改溝

預測地面沉降(見圖5)顯示，DIK15跨北二環高速公路大橋和DIK17沙坑河1號大橋均位于沉降的邊緣區，沿線路方向存在一定差異沉降。而現狀地面沉降(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式支座仍無法使橋梁完全適應這種地面不均與變形時，為保證該地段構筑物安全，規避不均勻沉降引起的橋式結構開裂風險，該段沙坑河可采用截彎取直，經過該段鐵路工程可避免采用橋式結構，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

根據預測地面沉降圖，沿線路方向沉降差最大約3.6 mm/m，出現在 DIK15＋400和 DIK16＋300附近，采空區段涵洞設置時應盡量避開不均勻沉降差過大區域，選擇沉降相對均勻地區，如DIK600～800附近，無論從現狀地面沉降和預測地面沉降來看，沉降均相對均勻，有利于構筑物安全。

(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，在鹽井口處形成“土洞”或飽水軟弱體[10]，停采后失壓會引發二次塌陷，對路基及橋梁安全威脅大。根據圖2、圖3，線路經過多個設計采空區頂部，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，保證井口附近區域的穩定性。

5.2 礦區處理措施

(1)礦山停采

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

水溶采空區礦山停采后，采空區不會進一步發展，地面沉降會變慢，所以硝鹽礦區停采可以提高場地穩定性，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，整個礦區均有必要停止開采。

(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，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鹵水貫通。這種破碎帶往往引起第四系漏失，是水溶采空區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 結論

外繞線鐵路擬通過水溶開采20余年的鹽礦區，通過采用自然鄰域法對龍歸硝鹽礦現狀地面監測數據插值獲取礦區地面沉降等值線、采用有限元原理的數值計算軟件模擬礦區最終沉降等值線，基于現狀和預測地面沉降和水溶采空區特點，研究礦區和穿礦區鐵路工程處理措施，主要結論如下:

(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式支座、河道截彎取直、涵洞選擇沉降均勻處設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。