南京锶矿开采对高速铁路安全影响分析

2012-11-29罗喜元李时亮

铁道勘察 2012年5期

罗喜元李时亮

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

宁(南京)杭(杭州)客运专线为设计速度目标值350 km/h的高速铁路，轨道类型为无砟，对地基变形要求严格［1］。线路 DK37+100～DK38+100段从南京锶矿东侧经过，距探明矿体边界590～850m。采矿形成的采空区可引起地表塌陷变形，开采过程中矿坑抽排地下水及采矿爆破作业等也有可能对周边建筑产生不利影响。为保证宁杭客运专线铁路工程及运营安全，有必要对南京锶矿开采对铁路安全影响进行全面分析和评价。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 宁杭客运专线

(1)工程地质

宁杭客运专线DK37+100～DK38+100段地处河流一级阶地区，地势平坦，地面高程7.0～9.0m，地层从上而下为分别为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂等，第四系地层厚约15m，下伏基岩为侏罗系龙王山组安山岩。

(2)水文地质

该区域由二干河河堤与爱景山低丘区形成一个封闭洼地，为内涝区，地表水系发育，二干河百年水位控制高程为10.57m;地下水主要为第四系孔隙潜水，埋深约1～4m，不发育。

2.2 南京锶矿

(1)工程地质

矿山位于爱景山剥蚀残丘区，矿区揭露的地层，由新到老分述如下:①第四系冲坡积层，以粉质黏土为主，层厚2～10m，分布于矿区四周。②白垩系砾岩，分布于矿区南西部，厚度大于59.0m。③侏罗系上统熔结凝灰岩，厚度43.4m，分布于矿区的北东部。④侏罗系上统龙王山组火山碎屑岩，主要为凝灰岩，分布于矿区南东部，总厚度262.2m，是锶矿矿体的直接围岩。⑤侏罗系下、中统象山群石英砂岩，长石石英砂岩等，分布于矿区中部和西部，厚度大于318.0m。

矿区内构造体系，以断裂构造为主，褶皱不发育。其中F2正断层呈北北西—南南东向贯穿全矿区，走向320°～340°，倾向50°～70°，倾角47°～85°，局部直立，该断层对矿体分布起控制作用。

(2)水文地质

根据岩性特征、岩石节理(裂隙)发育程度及专门水文孔抽水资料，矿区主要含(隔)水层为:①F2断层裂隙含水带，该含水带与矿体大致平行，发育裂隙水，属含水贫乏—弱富水含水带。②天青石矿体裂隙水含水层，含(透)水性差，与F2断层含水带几乎无水力联系，顶底板围岩主要为高岭土化晶屑凝灰岩，含(透)水性差，多属隔水层。③白垩系砾岩弱含水层，位于矿区西部，浅部多为第四系覆盖，岩石普遍遭受强烈风化裂隙不明显，含(透)水性差，属弱含水层。④火山碎屑岩岩体隔水层，主要有晶屑凝灰岩、凝灰岩、角砾凝灰岩及熔结凝灰岩，岩石风化强度相对较弱，一般完整性较好，含透水性均差，属隔水岩层。

矿区内地下水主要靠大气降水补给，但因地表坡度大，地层渗水性不良，降雨大部分流失，只有少部分补给地下水。矿区基岩地下水的流向以爱景山山脊线为分水岭向低处径流，以河流、水渠为最终排泄区［2］。

3 工程概况

3.1 宁杭客运专线

DK37+100～DK37+965.18为桥梁，梁跨为32m，基础全部采用桩基，桩端持力层为弱风化安山岩;DK37+965.18～DK38+100为路基，填高6～7m，地基采用预应力管桩进行处理，桩端持力层为强风化安山岩。

3.2 南京锶矿

南京锶矿1958年被发现，1980完成1号～9号线详勘报告，1990年完成10号～43号线详勘报告，其勘探深度一般在－155m高程以上，局部矿层厚而富地段可延伸到－205m高程，最大控制深度高程达－308.1m。

南京锶矿自上世纪70年代就开始人工挖矿露天开采，到2002年露天开采结束，露天开采底部高程实际为+11m。2001年，为了满足矿山持续生产的需要，露天转地下开采，开采深度从+11～－205m，目前－70m及－110m中段已开采完毕，矿床开采现已下降到－150m高程。

宁杭客运专线南京锶矿段平面见图1。

图1 宁杭客运专线南京锶矿段平面

4 矿山开采对铁路安全影响分析

矿山开采对铁路安全影响包括采空区塌陷地表变形影响、矿床开采爆破振动影响、矿山开采地下排水的影响、地表炸药库意外爆炸影响等方面。

4.1 采空区塌陷地表变形影响分析

南京山锶矿采空区附近线路与矿体走向近于平行，矿体上盘围岩为凝灰岩、安山岩等硬质岩，矿体倾向线路，倾角约为60°～75°，计算取平均值为67.5°。

根据矿体赋存特征、矿区工程地质条件和采用的采矿方法，参照类似矿山实际经资料及工程经验，按照类比法，取矿体顶板围岩开采地表移动角为60°，第四系岩土移动角为40°。岩体边界角计算公式根据文献［3］规定

β0=β－15°(1－0.01α)，计算得 β0为55°。

宁杭客运专线地表高程按8.0m考虑，地表松散地层层厚约20m(含全风化基岩)。考虑南京锶矿仍在进行开采，不同勘探线采空区高程按已探明上表矿底部考虑，采空区地表移动边界计算示意见图2。

图2 南京锶矿采空区地表移动边界计算示意

不同勘探线上表矿矿体底部高程、上表矿边界距铁路中线最近水平距离及采空区地表移动边界距矿体水平距离、地表移动边界距铁路中心距离的计算结果见表1。

根据文献［4］相关规定，宁杭客运专线的保护等级为Ⅰ级，其围护带宽度可取20m，考虑到无砟轨道对变形要求控制严格，评价中按用地界线外扩50m作为围护带范围，围护带距离宁杭客专铁路中线75m。

从表1计算结果可看出，采空区塌陷地表变形移动边界距铁路中心最小距离为393.1m，远大于宁杭客运专线75m的围护带范围，因此，对已探明的上表矿采矿形成的采空区塌陷地表变形不影响宁杭客专铁路的安全。

4.2 矿床开采爆破振动影响分析

爆破是采矿工艺必须作业过程，爆破振动对建构筑物的振动影响最终是通过地层基础传递的能量来实现的，爆炸能量引起地层的地震波向外传播造成相关质点振动，导致地表地下建构筑物产生振动。

表1 南京锶矿采空区地面移动边界距铁路距离m

目前针对铁路工程没有明确的爆破振动安全允许标准，考虑到宁杭客专技术标准较高，为保证建设及运营安全，参照类似工程经验和文献［5］中运行水电站及发电厂中心控制室设备爆破振动安全允许标准，取安全允许质点振动速度控制标准值为0.5 cm/s。

根据南京锶矿与宁杭客运专线平面关系及场地地质条件等资料，可采用文献［5］规定公式估算矿区开采爆破引起铁路处质点振动速度:

式中v为质点振动速度，单位cm/s;k、α为相关参数，与地形及地质条件有关，分别取250及1.8;R为平面距离，取采矿区距铁路最近水平距离592.5m;Q为炸药量，单位为kg，取采矿落矿班末爆破炸药用量，约为35 kg。

计算结果表明，对应南京锶矿与宁杭客运专线平面关系、场地地质条件及爆破用药量，采矿爆破造成铁路处质点振速为0.02 cm/s，远低于控制值0.5 cm/s。如按爆破振动速度0.5 cm/s控制值反算，距邻近宁杭客运专线铁路的安全距离可按150m考虑，也远小于目前实际距离。故南京锶矿开采时的爆破振动不会对邻近宁杭客运专线铁路安全造成影响。

4.3 矿山开采地下排水的影响分析

矿区水文地质条件简单，地下水主要为碎屑岩类裂隙水及断裂构造裂隙水，富水性为贫乏—弱富水，地下水补给主要为大气降水及部分表水入渗，裂隙渗透性较差，矿区开采不会产生大量涌水。

矿区开采排水，其地下水主要来源于F2断层裂隙含水带、天青石矿体裂隙水含水层和象山群碎屑岩裂隙水含水组，与龙王山组碎屑岩裂隙水存在间接的水力联系，且联系较弱。F2断层裂隙含水带走向与毗邻的宁杭客专铁路近似平行，且相距600m以上，且矿体围岩及锶矿与宁杭客专铁路之间基岩为侏罗系上统龙王山组凝灰岩及安山岩，岩石较完整，裂隙含(透)水性差，属隔水岩层或含水贫乏。

综上所述，矿区地下水与铁路沿线地下水属于不同的水文地质单元，二者水力联系较弱，矿坑排水对铁路影响很小，甚至没有影响，可以忽略不计。

4.4 地表炸药库意外爆炸影响分析

南京锶矿爆破器材库设置在矿区西偏北山脚，距宁杭客运专线最近点距离约1 280m，两者间相隔爱景山山体，硐库最大硝铵炸药储存量为2 t，仓库类型为缓坡地形软质岩石硐库，硐库断面为三心拱断面，装药高度1.5m，宽度1.4m，装药等效直径约2.32m。

按照文献［6］规定，该类型炸药库外部安全允许距离按照爆破飞石、爆炸空气冲击波、爆炸地震波三种安全允许距离的最大值确定。宁杭客运专线偏离洞轴线90°以上，爆破飞石外部安全允许距离按规范可不考虑;爆炸空气冲击波外部安全允许距离该种情况规范未规定，取最大值为310m;爆炸地震波外部安全允许距离按照爆破振动安全允许振速0.5 cm/s计算，安全允许距离398m。由于宁杭客运专线与爆破器材硐库之间有山体相隔且相距约1 280m，根据以上分析结果，爆破器材硐库意外爆炸不会对宁杭客运专线安全造成影响。