孫寶忠，胡清波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司地路院，北京 100055)

1 概況

新建包西鐵路通道包頭至神木段位于內(nèi)蒙古包頭市、鄂爾多斯市和陜西省神木縣境內(nèi)，南端與既有神延線鐵路連接，線路全長239.7 km，是國家路網(wǎng)“八縱八橫”主骨架包頭至柳州南北鐵路大通道北段，線路大致呈南北走向。

本線經(jīng)過的烏蘭木倫河沿線煤炭資源豐富，侏羅系等煤系地層分布廣泛，煤層厚度大，煤礦開采歷史悠久，采空區(qū)分布廣、規(guī)模大，埋藏條件復(fù)雜多樣，不僅有眾多歷史悠久的古窯，也有正在大范圍開采的新近礦區(qū)，致使采空區(qū)分布情況復(fù)雜，勘察和處理難度大。大面積煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害給當?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害。煤礦采空區(qū)及資源壓覆等因素控制明顯，是本項目鐵路地質(zhì)選線的工作重點和重要因素。

2 線位方案

根據(jù)沿線煤礦采空區(qū)分布及煤礦資源的壓覆等因素的控制，結(jié)合線路走向，綜合比選和研究了大保當接軌(貫通)和紅柳林接軌(比較)兩大線路走向方案，如圖1所示。

圖1 大保當接軌方案和紅柳林接軌方案示意

2.1 大保當接軌方案

線路自ICK124+000出鄂爾多斯站，沿東南行進至油房溝后折向西南，于皂火壕附近上跨在建東烏鐵路，跨越府神公路后到達中雞鎮(zhèn)。在錦界井田、紅柳林井田、檸條塔井田西側(cè)設(shè)錦界煤炭裝車站，再沿河則溝而下，跨禿尾河、袁家溝、黑龍溝，至比較終點神延線大保當站。線路全長138.818 km。

2.2 紅柳林接軌方案

線路順昆獨龍溝而下，跨銅匠川，與既有包神線同走行于昆獨龍溝東岸。在新沙沙圪臺設(shè)站后南行，跨東烏蘭木倫河，沿其西岸南行?？缭揭两鸹袈迤鞛跆m木倫煤田、神木縣大柳塔礦區(qū)(采空區(qū))后，于大柳塔鎮(zhèn)朱蓋塔村以橋梁的形式上跨既有包神鐵路，隨后轉(zhuǎn)入窟野河河谷區(qū)，走行于烏蘭木倫河的西岸，引入紅柳林車站。線路全長165.890 km。

3 煤礦采空區(qū)的工程地質(zhì)特征

大保當接軌方案不穿越煤礦采空區(qū);紅柳林接軌方案穿越煤礦采空區(qū)，煤礦采空區(qū)主要沿烏蘭木倫河谷兩岸分布。

3.1 地形地貌

本段線路地形起伏較大，溝壑縱橫，沖溝下切嚴重，水土大量流失，溝谷中基巖裸露。沿線烏蘭木倫河谷區(qū)為“U”形，寬闊而平緩，岸坡上“V”形沖溝發(fā)育。線路沿線植被稀疏。

3.2 地層巖性

地表為第四系全新統(tǒng)砂類土夾圓礫土;上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，具Ⅰ級非自重濕陷性(濕陷系數(shù) δ0=0.020)，厚度2～20 m?；鶐r為上第三系紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，總厚度大于40 m，泥巖具弱膨脹性。侏羅系含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)頁巖及煤層，為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，巖層產(chǎn)狀水平～緩傾斜。砂巖和礫巖有弱膨脹性。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，主要為伊陜地臺區(qū)，主要表現(xiàn)為自中生代晚期開始大面積的緩慢抬升，無大的褶皺和斷裂帶，地層產(chǎn)狀平緩，呈微傾向北和北西的單斜地層。傾角一般3°～15°，局部波狀起伏。巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。

3.4 煤層分布及煤礦開采情況

3.4.1 煤層分布

侏羅系為含煤地層，廣泛分布在線路所處地區(qū)。侏羅系下統(tǒng)延安組砂、泥巖地層共有9個煤組18層煤，煤層單層平均厚度為 0.99 ～2.74 m，總厚度約17 m，煤組間距6～40 m。各煤組特征見表1。

3.4.2 煤層開采情況

由于沿線煤炭資源極其豐富，煤層埋深小于100 m。歷史上曾有數(shù)百家大、中、小型煤礦在該區(qū)采煤，除后補連煤礦為露天開采外，其余煤礦都為斜井井下開采。大型煤礦主要為神華集團所有，以機械化開采為主;中、小型煤礦以人工開采為主。

通過收集既有資料(煤礦井上下對照圖、煤礦開采工程平面圖等)，開展遙感技術(shù)(Landsat-7 ETM+數(shù)據(jù)遙感解譯影像、航空像片解譯)、地面現(xiàn)場調(diào)查、物探(高密度電法)及訪問當?shù)乩相l(xiāng)等工作，了解小煤礦開采歷史情況，研究地質(zhì)勘察取得的成果資料，進行分析、歸納、總結(jié)，查明的沿線煤礦及采空區(qū)的空間分布特征情況(表2)。

采空區(qū)沿烏蘭木倫河兩岸和河谷中廣泛分布，線路通過段采空區(qū)累計長度為18.1 km。

表1 主要可采煤組特征

表2 沿線煤礦及采空區(qū)分布情況調(diào)查

3.5 采空區(qū)的水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要分布于河谷內(nèi)松散的碎石土及砂類土中，水位埋深3～5 m，水量較大，水質(zhì)較好，受河流及大氣降水的補給?；鶐r裂隙水主要賦存于侏羅系的砂巖中，為節(jié)理裂隙水，水量較大。泥巖具有弱膨脹性，在地下煤層大面積開挖后，基巖裂隙水會沿采空區(qū)四周宣泄，浸泡泥巖，使其軟化、崩解，從而使煤層頂部產(chǎn)生冒落、撕裂、彎曲，使地面下沉或塌陷。

3.6 采空區(qū)的地面變形

由于烏蘭木倫河兩岸煤礦的大面積開采，在地下形成了較大的采空區(qū)。根據(jù)航空像片解譯及現(xiàn)場調(diào)查，采空區(qū)范圍內(nèi)的山體多處出現(xiàn)變形、塌陷及地裂縫。紅柳林方案線路ICK171+200～ICK172+260左側(cè)150 m至岸邊之間有大量的小煤窯塌陷坑，見圖2。因煤礦采空，部分村民房屋出現(xiàn)大面積開裂，溝谷中的溪水大部分已斷流。

圖2 ICK171+900左側(cè)150 m小煤窯塌陷坑

3.7 穩(wěn)定性評價

經(jīng)綜合勘察查明，ICK155+600～ICK219+400段內(nèi)，共有7段采空區(qū)，累計長度為18.1 km。根據(jù)采空區(qū)的地層巖性、開采情況、地面塌陷及變形計算等綜合評價采空區(qū)的穩(wěn)定性。由于采空區(qū)尚未達到“充分采動”，水平和垂直變形都發(fā)展很快，且不均勻。計算表明，采空區(qū)的最大下沉值約為1.90 m，最大水平移動值約為0.76 m，最大水平變形值約為48.19 mm/m。根據(jù)當?shù)夭擅簹v史較長，不同規(guī)模的煤礦較多，大部分采空區(qū)已產(chǎn)生了明顯的地表變形，采空區(qū)還未達到穩(wěn)定，地面下沉還會繼續(xù)發(fā)展，隨著開采的進一步推進，地面下沉的速度會隨之加快，處于移動和變形活躍階段。在采空區(qū)上覆地表修建鐵路，地表下沉將引起采空區(qū)上部橋涵工程的基礎(chǔ)下沉、開裂及失穩(wěn)，還會引起路基的沉落及線路坡度的改變等，給鐵路運營帶來無窮的后患。該采空區(qū)對工程影響較大，鐵路不宜從該采空區(qū)通過，建議繞避。

4 風沙區(qū)的工程地質(zhì)特征

大保當接軌方案大部分地段走行于毛烏素沙地邊緣。根據(jù)沙丘的活動程度，可將方案研究區(qū)內(nèi)的沙丘分為固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘三種。

固定沙丘一般呈冢狀，單個沙丘規(guī)模較小，高度也不大，通常只有10～20 m。整體景觀高低不平，具粗糙感。

半固定沙丘地表起伏不平，形態(tài)較復(fù)雜，單個沙丘呈渾圓或長條形狀，沙丘規(guī)模較小，高度一般在5～10 m，流沙呈斑點分布。本著因地制宜，因害設(shè)防的原則，積極采取工程措施、生物措施和化學措施治理，防護可控。半固定沙丘對線路的危害程度較小。

流動沙丘均以新月形沙丘和新月形沙丘鏈形式存在。方案區(qū)內(nèi)新月形沙丘最顯著的特點是平面有新月形的形狀，沙丘兩側(cè)有順著風向伸出的翼角，迎風坡凸出而平緩，背風坡凹而陡，沙丘高度很少超過15 m。新月形沙丘活動性大，對鐵路危害較大。新月形沙丘鏈是由單個新月形沙丘相互連接而成的，其移動速度不如新月形沙丘快。流動沙丘隨風移動，有疏松的沙層，完全裸露，規(guī)模大小不一，初期規(guī)模小，后期規(guī)模大。流動沙丘對鐵路危害程度較大。鐵路不宜從流動沙丘區(qū)通過，建議繞避。

5 線路方案選擇

5.1 選線原則

在可行性研究階段采空區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線應(yīng)結(jié)合線路走向和采空區(qū)分布，進行大區(qū)域的方案比選，在經(jīng)濟技術(shù)條件合理的前提下，盡量繞避采空區(qū)，從安全地帶或尚未開采的礦區(qū)通過。

風沙區(qū)選線原則，線路應(yīng)繞避風沙危害嚴重地段，不宜深入沙漠內(nèi)部，宜選擇在輕微風沙地段、山前凸型地帶、防風林帶內(nèi)側(cè)通過;線路的走向宜與主風向平行，不設(shè)或少設(shè)曲線，必需設(shè)置曲線時應(yīng)避免采用小半徑，并宜將曲線設(shè)計為路堤，外側(cè)朝向主風向;線路宜采用高度不小于1.0 m的路堤，避免采用零斷面、半堤半塹及路塹，特別是長深的路塹，必要時可采用敞開式淺路塹;車站應(yīng)選擇在風沙輕微地段，避開有風沙活動的隘口處，站房和住房應(yīng)朝向背風方向。

5.2 線路方案比選

5.2.1 工程地質(zhì)條件比選

大保當接軌方案與紅柳林接軌方案:控制2個方案的主要工程地質(zhì)問題為煤礦采空區(qū)和風沙。

采空區(qū)情況:紅柳林接軌方案通過的采空區(qū)長度為18.1 km。大保當接軌方案目前不存在采空區(qū)。

風沙危害情況:大保當接軌方案約有67 km走行于毛烏素沙地東緣，其中CK226+000～CK246+000段約20 km范圍分布有半固定沙地，對路基工程有一定影響;紅柳林接軌方案約有9 km線路通過毛烏素沙地邊緣，一般為固定沙地，風沙危害較輕。

紅柳林接軌方案由于采空區(qū)成因類型復(fù)雜、范圍廣、規(guī)模大、準確查明困難。采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，對鐵路今后的運營造成隱患。大保當接軌方案風沙問題影響相對大一些，但避開了采空區(qū)。綜合考慮，大保當接軌方案工程地質(zhì)條件優(yōu)于紅柳林接軌方案。

5.2.2 線路壓煤情況比選

大保當接軌方案穿越規(guī)劃煤田，礦區(qū)尚未開采，對線路沒有影響，但需與礦主簽訂有關(guān)壓礦協(xié)議，預(yù)留保安煤柱。大保當接軌方案與紅柳林接軌方案壓煤情況對比見表3。

從線路方案壓煤角度來看，大保當接軌方案壓煤長度和壓煤數(shù)量均小于紅柳林接軌方案，大保當接軌方案優(yōu)勢明顯。

表3 兩方案線路壓煤情況

5.2.3 工程建設(shè)難度比選

紅柳林接軌方案沿線各種形式的煤礦星羅密布，神華集團的煤礦主要集中于此。小煤礦改造區(qū)較多，多數(shù)為正在開采的煤窯;國營及大型礦區(qū)的開采，分布于既有包神鐵路兩側(cè)一定范圍內(nèi)。沿線拆遷及與相關(guān)業(yè)主的補償問題較為復(fù)雜，同時與既有包神鐵路多次交叉，與神華集團的協(xié)調(diào)難度大。

紅柳林接軌方案所經(jīng)煤礦埋深均小于100 m，該采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，對鐵路今后的運營造成隱患。大保當接軌方案既無采空區(qū)分布又與既有包神鐵路無干擾，線路經(jīng)過地區(qū)局部存在壓煤問題，但整體工程相對簡易，建設(shè)難度較紅柳林接軌方案小。

5.2.4 工程投資比選

紅柳林接軌方案靜態(tài)投資估算48.04億元(其中采空區(qū)處理費用估算約需10.86億元);大保當接軌方案靜態(tài)投資估算36.81億元。大保當接軌方案工程投資優(yōu)勢明顯。

6 結(jié)語

紅柳林接軌方案穿越大規(guī)模采空區(qū)，線路壓煤142.2 km，采空區(qū)的工程處理技術(shù)難度大，費用昂貴、處理效果不明顯，工程建設(shè)難度大，靜態(tài)投資規(guī)模較大。

大保當接軌方案無采空區(qū)，風沙危害主要為穿越20 km范圍的半固定沙地，對路基工程有一定的影響，工程處理難度較小，靜態(tài)投資規(guī)模較小。

通過工程地質(zhì)條件、線路壓煤情況、工程建設(shè)難度、工程投資等綜合比選，大保當接軌方案相對優(yōu)于紅柳林接軌方案。因此推薦大保當接軌方案。

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