淘金洞的勘察及其路基加固设计

陆 群

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北武汉 430063)

铁路修建所遇淘金洞不良地质问题並不多见,但在湖南省北部并不稀奇。路基修建在淘金洞上,会造成洞穴坍塌,直接影响路基的稳定和路基填土的质量,铁路运营过程会出现安全事故,甚至颠覆列车造成重大伤亡等社会影响极坏的事件。为杜绝类似问题产生,应在勘察阶段查明,并在设计中加固处理,确保线路的稳定和安全。

淘金洞是人工在地下含金砂层中掏洞取砂搬运至地表,利用水进行重力分选提取砂金而成的洞穴。因此，在含金砂层的区域地下可能隐藏着条带状,甚至网格状的巷道,这是人为造成的不良地质问题。由于年代久远,民间开采又无巷道的详细记录,给地质勘察造成较大的困难。

1 含金砂层的生成条件

没有砂金层,就不会掏砂取金,也不会存在淘金洞,因此淘金必然有其独特的地质背景。

1.1 砂金形成的地质背景

湘北地区在元古界的古老地层中有燕山期花岗岩的侵入体,在其接触带附近往往有后期石英热液的岩脉切割。石英岩脉中含有贵金属,这些贵金属分布不集中,含量较小,不具整体开采条件。虽没有规模开采的价值,但确是砂金形成的必备因素。

1.2 含金砂层的来源

石英岩脉经过后期的物理化学风化作用形成石英砂,贵金属不易风化而剥离。周边岩石强风化-全风化近于土状,受到面状水流剥蚀顺坡面移至山脚,再受水的侵蚀而运移较远的地方。由于金的比重比较大,而和砂混合在一起易沉淀于其下部,富集程度较高，组成了含金砂层。

河流不同时期流向不同,物质来源不同,因此侵蚀堆积物质成分不同。含金砂层的存在有其特定的背景,不同时代和水流特征,构成了砂金的特定层位，湘北地区的含金砂层就有其独特的层位。

湘北的资江下游益阳以及汨罗江下游汨罗附近沿江两岸高阶地的中更新统(Q2)棕红、棕黄色的砂层,砂层中含有黏土,相对密度较大,有一定的强度和自稳能力；砂层厚度不大,一般2～3 m；上部覆盖着棕红色或网纹状黏土。其上游有元古界的板岩及燕山期花岗岩侵入体,并有石英岩脉穿插,有水流条件。砂金的物质来源,为含金砂层的生成具备了良好的地质背景。

2 淘金的古老生产方式及时空条件

2.1 淘金的古老方式

淘金的生产方式是古老的,由人工垂直(或倾斜)向下挖探洞,当到达含金砂层时再水平方向挖掘,顺砂金层方向前行,将砂背至地表进行水流重力分选来淘取砂金。所以挖掘采用巷道型,由于土层自稳和支撑条件差,巷道不宜过宽过高,不宜大面积采空,预留保安土柱,以免巷道坍塌造成人身伤亡。

一般含金量较大的层位和地段淘金洞就密集,间距不小于5 m,局部有交叉。淘金洞静空最高不应大于2 m,当顶部存在棕红色黏土时,能形成自然拱,不会短期产生坍塌。

2.2 含金砂层淘金的时空条件

(1)含金砂层在靠近地表的浅层,一般在地下水位以上。

在地下水位以下的砂层,挖砂、运砂十分困难,洞穴稳定性差,自拱能力差,安全得不到保障,所以淘金洞位于地表浅层,一般在地下水位以上。

(2)淘金洞的挖掘时间一般在旱季进行。

砂层为含水层,因此雨季地下水位上涨,挖掘巷道易坍塌,不具备起码的安全生产条件。当每年9月～次年3月旱季,地下水位下降,地层较稳定,才具备一定开采条件。另外,淘金洞形成后,经多年雨季，有坍塌和淤塞的可能。

3 淘金洞不良地质及铁路工程地质选线

3.1 淘金洞的不良地质问题

(1)淘金洞在掘进和开采过程中一般不进行支撑,完成后也不进行回填,因距地表浅而易于塌陷。未塌陷的空洞,在地表路堤填土重力及机车荷载振动的压力下,也会使洞穴坍塌,路基下沉,直接威胁铁路运输的安全。

(2)淘金洞长期放置引起坍塌、淤塞及沉陷,该地段路基基底土层失去原有的密实程度,造成地基松散,孔隙比增大。同时，上部填筑土也改变了原有的碾压密实度,造成路基后期沉降大幅度增加,使高等级铁路的标准下降。

3.2 铁路工程地质选线原则和工程方案的选择

(1)地质选线原则

①从含金砂层的生成机理、分布范围,选择线路的基本走向。

②尽量绕避淘金洞地带,以保路基的稳定与安全。

③线路无法绕避采空区时,应从淘金洞数量少的地区通过。

(2)工程方案的选则

①桥梁方案：线路以桥梁方案通过淘金洞地区,可彻底解决地表坍陷对线路安全的威胁并提高铁路运营的质量。高速客运专线对路基基底要求高,桥梁方案可一步到位。

②路基方案：线路以路基方案通过淘金洞地区,需要对淘金洞的不良地质进行整治。

淘金洞一般埋深浅(<15 m),位于土层中,路基在其上部基底均需整治,最基本的思路是将路基范围内地层中的淘金洞填充塞满,恢复至原始状态,以避免洞体坍塌。

当淘金洞埋深小于3 m(或地表已坍塌),地表可利用强夯处理。

对于高标准的客运专线,地基沉降控制不能达标时(地表土层σ0<180 kPa),地表上部土层仍应进行加固处理。

4 淘金洞不良地质的查明及区段划分原则

4.1 地质勘察手段

(1)砂金层成因及生成地质背景

了解砂金矿的生成原理及地质背景,可以对铁路选线方案的走向,从地质条件上提出合理的建议,对压矿进行正确地评价,对地质灾害的严重危害有比较准确的评估。

(2)野外地质调查与测绘

通过现场地质测绘与调查访问,具体了解如下内容：

①砂金层的地层年代、层位及分布范围,划分淘金洞可能存在的地段。

②淘金洞的生成年代、采矿方式、开采深度及生产季节。

淘金洞多为近代,但时间较远的洞穴容易坍塌或淤塞,难以完整存在；近期洞穴保存较好,突发危害性最大。通过调查访问可以了解可挖深度、生产季节、开采规模及方式。

一般民间开采均较为落后,不会成片连采,只采用巷道式掘进以保证安全；另外,地下水不能过于发育,造成抽水成本过高和遭受水害的威胁。

③淘金洞的分布范围、规模和密度。

调查淘金洞口的分布位置、巷道的走向和完好程度；巷道一般的形状及尺寸大小,平面密度及分布规律。同时观察地表变形和坍塌情况,为设计提供必要的参数。

(3)物探工作的开展

通过物探的手段,圈定采空的不良地质范围或可疑的不良区段,并进行必要的钻探核实。

(4)钻探核查及验证

布置必要的勘探孔,勘探孔的布置原则如下：

①勘探孔布置在淘金洞口分布较密集的地段。

②布置在地表已经变形、坍陷或分析可能存在巷道的地段。

③物探手段结论可能存在巷道采空的地段进行核实。

通过钻探核实及验证,达到确定淘金洞存在的位置、范围以及淘金洞的埋深和高度的目的；并和地质测绘资料结合,提供砂金层开采的空洞率这一重要的工程数量计算参数。

4.2 不良区段划分原则

划分区段用以决定整治的重点。不同区段的划分、整治的范围、投放的力度、工程数量的大小等均应有相应的差别。

(1)淘金洞严重地段

①有含金砂层分布且地表淘金洞口大量存在地段。

②地表多处因淘金坍塌或明显下沉地段。

③调查访问或物探证明严重掏空,并被钻探核实地段。

(2)淘金洞较严重地段

①有含金砂层分布且地表淘金洞明显存在。

②根据调查访问曾经开采过砂金的地段。

③物探手段证明存在淘金洞,并被钻探部分证实。

(3)淘金洞存在不严重地段

根据调查访问和现场测绘淘金洞零星出现,或未发现淘金洞口,但物探成果证明淘金洞存在的地段。

(4)淘金洞不发育地段

不具备采金的条件,或含金砂层不存在,即使掏金的探洞口出现,终因无砂金而不能延伸成淘金洞。

5 淘金洞整治设计原则

5.1 整体设计思路

(1)地基整治应遵循“技术可行、经济合理”的原则。

(2)对客运专线等高等级铁路,地基受沉降控制超过规定标准,应按规范另行处理。

(3)以填充淘金洞,恢复到原始状态为原则。

(4)填充物应有一定的抗压强度及承载能力,不应松散、流动及有后期沉降。

5.2 路堤基底加固原则

以注浆钻孔为先导,再砂浆回填为主及注浆为辅的原则。

(1)基底加固范围

①基底加固宽度：整治宽度与基底宽度和淘金洞埋深有关,其整治总宽度应为基底宽度并向两侧坡脚外各延伸3～5 m。

②基底加固深度：整治深度应在含金砂层之下1～2 m。(即勘探深度)

(2)基底加固方法

①采用钻孔回填的方法：从套管中回填砂浆或混凝土,凝固后具有较大的强度和不可压缩性。其上部未回填空间用水泥砂浆灌注,直至填满,减少施工和后期沉降。

②钻孔布置：凡地面留有探洞,通过勘测了解地下淘金洞保存较为完好,巷道走向清楚,按巷道位置采用较为精确布孔回填；凡无法了解淘金洞具体位置的,应按等边三角形密布钻孔,孔距一般5 m,平面交错布置；在怀疑遗漏部位钻孔应适当加密,进行补钻补灌；注浆结束后应有验证孔检查注浆效果。

③施工顺序：应先外侧,后内侧。封闭外侧,在内侧(路基范围)形成较闭塞的环境,防止浆液外溢造成浪费。

(3)注浆压力

由于淘金洞多为空洞,即使坍塌空隙仍较大,所以注浆压力近于零,可属于自重回填灌浆。当钻孔中空洞灌满之后再实施注浆,注浆压力0.1～0.3MP(注浆管路直径应≥50 mm)。淘金洞整治以回填充满为原则,其基本不具有对土体挤密压实的作用。

(4)淘金洞回填注浆材料

淘金洞整治的主要原理为回填灌注,因此回填材料应既经济又实用,且具有一定的强度和承载能力。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钻孔回填以惰性材料和石骨料为主：砂或碎石骨料尽量就地取材,以节省造价。但骨料不应松散存在,否则易流动变形并产生沉降。

②骨料中搅拌掺加少量水泥：水灰比要小,流动性不宜过大,要能将骨料黏合成一体,形成不流动、具有一定承载力的实体。水泥应搅拌均匀,不应水泥和骨料分离；也不应先投放骨料,后注浆充填,靠注浆混合效果将大打折扣。

③钻孔注浆材料：钻孔回填完成之后,其顶部往往仍存在较大空间未被充满,需要注浆填充。浆液可以用水泥粉煤灰浆液(或水泥砂浆),惰性材料不少于30%，为控制注浆可考虑少量水玻璃。

5.3 路堑基底的设计原则

(1)淘金洞在路肩高程之上时,开挖后应用黏性土夯填密实或浆砌片石回填,必要时地表钻探灌浆回填至路堑顶外侧5 m。

(2)淘金洞在路肩高程之下不足2 m时,开挖路堑应清除洞顶土层、洞中淤塞堆积松软土,换填并夯实黏性土或回填浆砌片石,路堑两侧应地表钻孔灌浆回填至路堑外侧5 m。

(3)淘金洞在路肩高程之下大于2 m时,应按路基基底加固设计原则执行,在路堑开挖之前进行基底加固。

5.4 探金洞的整治

路基及外侧5 m范围内的所有探金洞,均应抽干积水,回填夯实黏性土或浆砌片石至地表以上0.2 m,防止表水或降雨灌入探洞中。

6 结束语

淘金洞是铁路工程不良地质问题,对路基稳定和沉降会造成严重后果,因此在铁路勘察过程必须给予充分的重视。设计是否合理,很大程度取决于野外的调查与测绘。

淘金洞的整治要技术可行、经济合理。根据空洞存在的现状,要尽量多采用砂、碎石等惰性材料,与水泥搅拌均匀,使灌注的浆体在洞内凝固后不位移、不压缩,从而严格控制后期沉降。客运专线沉降量要求极高,在淘金洞充填后,其基底其他松散土层仍应按规范要求进行处理。

整治措施不能完全拘泥上述方法,在保证质量的前提下,可根据具体的地质条件,选择更为成熟、高效、简便、节俭的合理方案,以丰富和充实地基加固内容。

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