铁路穿越盐岩采空区地面沉降预测及工程处理措施研究

李水平

(中铁第四勘察设计研究院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 引言

广州枢纽东北货车外绕线始于京广铁路江村编组站北端，终于广深铁路石滩站，设计时速120 km，用为双线货运铁路。线路DIK14～DIK18段经广州市龙归硝盐矿区，龙归硝盐矿区自1994年建成采水溶法开采埋藏深度500 m的硝盐矿。截止到2015年初，矿区地表累计沉降量最大达1 m，且矿区仍在开采，沉降未出现收敛迹象。

铁路穿越如此大规模的盐岩采空区较为少见[1-3]，采空区稳定性、地质选线原则、工程处置措施等一系列问题亟需解决。外绕线铁路项目经过可行性研究，基本明确龙归硝盐矿采空区具备建设铁路的可行性，并确定了合理线位。本文主要基于矿区监测数据分析龙归硝盐矿地面沉降现状，采用数值模拟方法预测龙归硝盐矿的地面沉降最终状态，并基于此提出采空区工程处理措施和铁路构筑物处理措施，为采空区铁路设计、施工提供指导。

2 工程地质与开采状况

2.1 工程地质条件

龙归硝盐矿区位于广州市白云区太和镇，地貌上属流溪河一级阶地，地势平坦，地面高程7～50 m。流溪河支流沙坑河流经矿区。第四系覆盖层以砂层、粉质黏土为主，厚度最大30 m。下伏下第三系泥岩、砂岩，局部见泥灰岩、白云岩、泥砾岩等，岩质软，裂隙发育。

盐层赋存于高程480～640 m左右，具有5个可开采盐层，开采盐层之间间隔3～10 m厚非可溶泥岩夹层。主开采层为3号盐层，厚度17～24 m，其他均薄于该层。区域地质上矿区位于龙归凹陷盆地，盆地呈“碟”形分布，盐岩层在白垩系蒸发成矿，盆地内断层不发育。

2.2 矿井开采状况

盐井布置分为三个采区，分三期建设。Ⅰ采区建设21口采盐井，1994年开始，2005年全面停采。Ⅱ采区共20口盐井，1998年投产，至2015年初仍在开采。Ⅲ采区分布在矿区北部较薄矿块，处于建井中。

矿井采用水溶法开采，多采用双井连通开采(见图1)，部分采用单井对流开采。二期后期盐井与三期矿井由于顶板垮塌，溶腔与砂岩含水层连通，造成井内失压，无法实现水力驱替，采用潜卤泵抽采。矿井设计阶段，采空区溶蚀半径设计40 m，井间距最大350 m，设计采空区如图2所示。

图1 双井连通开采示意(根据文献[4]修改)

图2 龙归硝盐矿设计采空区

3 地面沉降现状

矿井自1994年投产就在开采范围内及附近设置地面变形监测点。1994年1月份，在I采区设置28个地面变形监测点。Ⅱ采区在各井口和附近地面布设17个监测点，于2006年开始监测。Ⅲ采区投产后，2012年后陆续增加监测点，组成矿区内63个监测点。

根据监测部门提供的地面变形数据，采用自然邻域法插值获取矿区地面沉降等值线。截止2015年3月外绕线铁路可行性研究阶段，矿区累计地面沉降等值线如图3所示。

图3 矿区2015年3月沉降等值线图(单位:mm)

从图3中可以看出，矿区已经发展出两个地面沉降漏斗中心，分别分布在Ⅰ、Ⅱ采区。Ⅰ采区沉降中心沉降累计1 009 mm，Ⅱ采区沉降中心已达1 052 mm。地面沉降中心主要出现在盐岩采空区密集处，尤其Ⅱ采区沉降中心下部采空区已出现连通。截止到2015年3月，两个沉降中心都在发展中，没有收敛迹象。

拟建外绕线铁路沿线经过多个采空区，但由于开采时间较短，且部分尚在开采中，地面沉降相对较小，铁路沿线累计地面沉降一般小于400 mm。其中DIK16＋200邻近区域受Ⅱ采区沉降中心的牵连影响，最大沉降达400 mm。类比Ⅰ、Ⅱ采区的地面沉降不断发展的趋势，铁路沿线地面沉降也存在进一步发展的态势。

4 地面沉降预测

由于矿区部分盐井正在开采中，另部分盐井尚在建井(见图2)，随着开采的推进，采空区还会继续扩大，地面沉降也会进一步发展。铁路通过该区域工程措施的制定，不仅需要基于地面沉降现状，还需要预测完全开采后地面沉降。

盐岩采空区地面沉降预测方法主要有理论计算和数值模拟方法。理论方法有随机介质理论、新概率积分三维预测模型、Mogi模型与地面高斯曲线沉降模型相结合的模型[5-7]等；数值方法则采用基于有限差分或有限元方法的数值计算方法。为研究矿区最终沉降情况，借助于有限元计算软件Plaxis进行模拟预测。

4.1 计算模型

首先需要根据溶腔形状建立模型。水溶开采形成的溶腔形态具有很强的不确定性，目前只有声呐测腔才能测得溶腔形态[8]，但龙归硝盐矿含盐为层状岩体，开采时夹层、顶板垮塌会形成大量沉渣，声呐测腔也难以获取溶腔形态。考虑到此，溶腔形态采用图1所示的设计采空区。停采井、生产井和在建井均按采空区考虑。

模型长度2 500 m，宽度2 000 m，深度600 m，如图4所示。对于模型边界条件，水平X、Y方向均采用简支约束，模型底部采用简支约束，地面自由约束。

图4 网格划分

4.2 计算参数

根据矿区开采阶段钻井取芯岩石力学试验结果，结合经验确定地层参数如表1所示。各地层变形均采用虎克弹性本构模型，除第四系外，破坏准则均采用摩尔库伦模型。

表1 岩土力学参数

4.3 终沉预测

计算得到的地面沉降以等值线形式插值绘制后如图5所示。矿区全面开采结束后，形成的最终地面沉降最大值达2.4 m，地面沉降中心基本位于整个矿区的中心，沉降中心到沉降边界的范围接近1 km。由于待开采区主要位于矿区北部，这部分采空区形成后，地面沉降中心会向北部移动，而且整个矿区的沉降会趋于均匀。

图5 数值计算方法预测矿区最终地表沉降等值线图

铁路沿线的沉降曲线如图6所示。图中可以看出，铁路沿线沉降中心基本为位于DIK16＋000附近，沉降最大值接近2.2 m。研究区线路大部分段落是垂直沉降等值线行走，差异沉降问题主要存在于沿线路方向的沉降差。沿线路方向差异沉降最大约3.6 mm/m，出现在DIK15＋400和DIK16＋300附近。

图6 铁路沿线预测沉降量

5 工程处理措施研究

下面基于现状地面沉降和数值分析得到的最终地面沉降，从铁路和矿区两方面考虑研究区的工程处理措施。

5.1 铁路处理措施

矿区铁路构筑物形式主要为路基工程，在两侧分布跨高速公路(DIK15)和跨沙坑河的桥梁工程(DIK17)，可考虑采用以下方式进行处理。

(1)路基沉陷加宽

矿区段地面沉降仍在发展，由于这种沉降的主控因素是采空区覆岩下沉所造成，人为阻止这种沉降的继续发展在技术和经济角度均存在巨大难度。而运营期间可通过填筑道砟抬高轨道，使轨道维持正常通行标高更为可行且经济合理。这就需要根据铁路沿线的预测地面沉降，对路基预留沉陷加宽量。

路基沉陷加宽采用渐变的形式，在下沉量最大的地方两侧各加宽1.75 m，满足最终沉降轨道抬高要求。形成的路基设计断面如图7所示。

图7 沉陷加宽路基横断面

(2)桥梁采用简支梁形式或可调式支座

根据现状地面沉降(见图3)和预测地面沉降(见图5)，DIK15跨北二环高速公路大桥和DIK17沙坑河1号大桥均位于地面沉降影响范围内，桥梁需要采用合理的结构形式来应对这种地面变形。

较于连续梁，简支梁灵活性比较好，当桥墩出现微量位移时，简支桥跨结构具有一定的自适应性，尤其出现比较均匀变化的差异沉降时。同时，采用可调式支座也能调整一定范围内的差异沉降[9]。因此，沉降影响区域内的桥梁采用简支梁，避免采用适应性比较差的连续梁，配合以可调式支座，可以减轻采空区桥梁损害程度。

(3)沙坑河改沟

预测地面沉降(见图5)显示，DIK15跨北二环高速公路大桥和DIK17沙坑河1号大桥均位于沉降的边缘区，沿线路方向存在一定差异沉降。而现状地面沉降(见图3)显示，大里程跨沙坑河桥梁除沿线路防线存在不均匀沉降外，横向也存在不均匀变形。当采用简支梁或可调式支座仍无法使桥梁完全适应这种地面不均与变形时，为保证该地段构筑物安全，规避不均匀沉降引起的桥式结构开裂风险，该段沙坑河可采用截弯取直，经过该段铁路工程可避免采用桥式结构，采用柔性路基形式通过可降低安全风险。

(4)涵洞避开差异沉降最大区

根据预测地面沉降图，沿线路方向沉降差最大约3.6 mm/m，出现在 DIK15＋400和 DIK16＋300附近，采空区段涵洞设置时应尽量避开不均匀沉降差过大区域，选择沉降相对均匀地区，如DIK600～800附近，无论从现状地面沉降和预测地面沉降来看，沉降均相对均匀，有利于构筑物安全。

(5)铁路沿线盐井口第四系土层注浆加固

水溶开采开采管桩极易锈蚀破坏，第四系砂土颗粒从锈蚀处漏失至采空区，在盐井口处形成“土洞”或饱水软弱体[10]，停采后失压会引发二次塌陷，对路基及桥梁安全威胁大。根据图2、图3，线路经过多个设计采空区顶部，路基工程压覆盐井口。如果盐井口第四系存在漏失带，则会引起路基塌陷。沿线盐井口有必要进行注浆加固，消除地面塌陷风险。加固位置宜从基岩面向地面延伸，封闭可能的土洞，保证井口附近区域的稳定性。

5.2 矿区处理措施

(1)矿山停采

现状开采情况下，矿区地面沉降最大已经达到1.2 m，表明矿区上覆岩层破坏严重。如果继续开采，不仅地面沉降会继续发展，地面突然发生塌陷风险会加大，威胁铁路安全，也严重影响矿区各类型地表建筑物安全。长此以往，矿区土地再利用的价值降低，造成大面积土地资源浪费。

水溶采空区矿山停采后，采空区不会进一步发展，地面沉降会变慢，所以硝盐矿区停采可以提高场地稳定性，降低铁路工程安全风险。考虑到已有采卤井和拟建采卤井均在拟建铁路沿线1 000 m范围内，整个矿区均有必要停止开采。

(2)盐井闭井

盐岩具有渗透率非常低的特征，能达到10-21m/s量级，工程上，盐岩溶腔可用来储存天然气。溶腔封闭后，盐岩流变收缩会引起卤水压力上升，可以有效抵制覆岩下沉[11]。所以，龙归硝盐矿采空区可以充分利用盐岩良好的流变性和低渗透性，在矿山停采后，对盐井进行封井处理。封井后，卤水被封闭在密闭的空间内，盐岩流变作用下，溶腔收缩，卤水压力上升，可一定程度上抵抗上覆岩层的下沉，从而抑制地面沉降发展。

(3)井身软弱破碎带注浆

水溶开采的盐井长期开采过程中，管柱在注抽卤水引起的振动作用下与周围岩体脱空，井身周边岩体形成破碎带，导致第四系含水层与采空区卤水贯通。这种破碎带往往引起第四系漏失，是水溶采空区地面塌陷的主要诱因[12]。

为消除井身破碎带漏失隐患，比较有效的方法就是加固井身软弱破碎带，堵塞流失通道。这种方法还有助于提高卤水采空区的密封性，利用盐岩的低渗性，形成封闭承压卤水泡来支撑上覆岩层，达到控制沉降的目的。

6 结论

外绕线铁路拟通过水溶开采20余年的盐矿区，通过采用自然邻域法对龙归硝盐矿现状地面监测数据插值获取矿区地面沉降等值线、采用有限元原理的数值计算软件模拟矿区最终沉降等值线，基于现状和预测地面沉降和水溶采空区特点，研究矿区和穿矿区铁路工程处理措施，主要结论如下:

(1)龙归硝盐矿在1994年开采，截止到2015年地面已形成两个沉降中心，沉降中心累计沉降分别为1 009 mm和1 052 mm，拟建铁路沿线最大沉降量约400 mm。

(2)基于有限元原理的数值软件计算得到矿山停采井、开采井和在建井全部开采完毕后的矿区最大地面沉降量约2.25 m，拟建铁路沿线最大沉降接近2.2 m，沿线路方向差异沉降最大约3.6 mm/m。

(3)水溶采空区铁路工程的主要措施有路基沉陷加宽、桥梁采用简支梁和可调式支座、河道截弯取直、涵洞选择沉降均匀处设置以及铁路沿线盐井口第四系土层注浆加固等工程处理措施，矿山主要措施为停采，盐井封闭、井身软弱破碎带注浆等措施。