利用城市垃圾進行采空區(qū)路基加固技術(shù)初探

許志琴

(山西呂梁路橋有限公司，山西呂梁 033000)

近年來，我國公路建設取得了巨大成就。隨著基礎設施建設向中西部的轉(zhuǎn)移，公路(特別是高速公路)穿越采空區(qū)的情況越來越多。以山西為例，因長期煤炭開采形成的采空區(qū)面積達2萬km2，是山西土地面積的1/8。山西孝義某村采空區(qū)塌陷情況見圖1。在公路建設中，采空區(qū)的存在給公路路基穩(wěn)定及行車安全留下了嚴重的安全隱患。在陜西榆林地區(qū)，長期的煤炭開采造成神木(見圖2)、府谷、榆陽等縣區(qū)大面積采空區(qū)，采空區(qū)自然塌陷形成了塌陷地震，每年至少10余起，造成路面開裂、塌陷等。采空區(qū)如不及時處治，導致的地表沉陷、山體滑落、路橋凹陷等，將對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾生命財產(chǎn)安全造成嚴重的影響。公路穿越采空區(qū)的路基穩(wěn)定是我國公路建設者必須面對的一個難題。在我國，主要是采用注漿提高路基的穩(wěn)定性。本文介紹了利用城市垃圾回填來提高采空區(qū)路基穩(wěn)定性的新思路。

圖1 山西孝義某村采空區(qū)塌陷

圖2 陜西神木采空區(qū)塌陷形成的路面裂縫

1 采空區(qū)對路基的影響

公路路基下伏煤礦采空區(qū)是一類特殊的巖土工程問題。采空區(qū)是由人為挖掘或者天然地質(zhì)運動在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，隱伏性強、空間分布規(guī)律差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預測。在采空區(qū)上方修建公路時，公路路基的承載力及穩(wěn)定性受采空區(qū)頂板的沉陷變動影響極大，會出現(xiàn)突然塌陷、開裂、隆起等，造成路面局部破壞，產(chǎn)生裂縫、波浪狀起伏、凹陷等病害。公路路基下伏的采空區(qū)給公路建設帶來了巨大困難，一般盡量避開。但是，在公路建設中，又不可避免地要穿越采空區(qū)，相應地給路基、路面及橋隧等的正常運行帶來風險與潛在危害。

近年來，隨著我省高速公路建設的飛速發(fā)展。晉焦高速、太舊高速等都不可避免的遇到了煤礦采空區(qū)難題，進行了一定的試驗研究，取得了不小的成果。從總體效果來看，采空區(qū)治理最有效的處治是進行填充，是提高采空區(qū)穩(wěn)定性最有效的方法。2009年，河北進行了尾礦回填礦山采空區(qū)的充填采礦技術(shù)推廣，取得了明顯的環(huán)境效益、資源效益、經(jīng)濟效益和社會效益?？傮w上說，在我國，采空區(qū)公路建設尚處于初步階段，特別是對于多層復雜煤礦采空區(qū)的處理問題尚缺乏成功經(jīng)驗。

城市垃圾是城市中固體廢物的混合體，包括工業(yè)垃圾，建筑垃圾和生活垃圾。我國是世界上城市垃圾包袱最沉重的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，目前全國城市垃圾歷年堆放總量高達70億t，絕大部分是露天堆放，造成了土地浪費，不僅影響城市景觀，還容易造成二次污染等。城市垃圾處治方式主要有填埋、堆肥、焚燒，其中在我國以填埋為主要處理方式，不僅占地面積大，還存在嚴重的二次污染。

有學者提出，將地面堆放的城市垃圾處治與地下采空區(qū)填充治理理念相結(jié)合，利用城市垃圾填充采空區(qū)，變兩廢為兩利，從而遏制環(huán)境污染，減少國土損失，尋求人和自然的和諧統(tǒng)一。

2 城市垃圾填充采空區(qū)的研究現(xiàn)狀

在目前，采空區(qū)加固主要有封閉、崩落、加固和充填四類方法。其中，填充法是使用充填材料對采空區(qū)進行充填處理，使得充填體與圍巖共同作用，達到有效控制地壓和防止地表塌陷等目的，是最有效、最徹底、環(huán)保效果最好的加固方法。

2.1 傳統(tǒng)的采空區(qū)填充加固措施

在我國的金屬礦山中，充填開采技術(shù)成熟，應用較多。在煤礦中，已經(jīng)推廣如膏體充填、矸石充填、無煤柱充填等充填技術(shù)并進行實踐研究，取得了一些成果。但是，全國上萬座礦山，歷年累積的井巷、采空場面積巨大，有效的處理方法是膠質(zhì)(高聚物)充填，其成本太高(包括填充材料及設備等)，且工程量大、工藝復雜、效率相對較低，充填技術(shù)在煤炭行業(yè)應用不廣泛。因此，在采空區(qū)治理中，主要得通過降低充填材料成本和選擇各類充填置換方法來實現(xiàn)有效治理。

2.2 利用城市垃圾充填采空區(qū)開展的一些研究

利用城市垃圾充填采空區(qū)的基本思路是:將經(jīng)過集中、篩選、分類回收后廢棄的固體垃圾廢棄物，進行預處理后，用于采空區(qū)填充，從而提高地表穩(wěn)定性?？梢钥闯?，進行城市垃圾和采空區(qū)的復合處理，不僅有利于城市垃圾的潔凈處理，而且還有利于采空區(qū)災害的治理和國土資源的再生利用，從而形成垃圾處理產(chǎn)業(yè)格局，降低垃圾處理費用，避免垃圾堆放占地。

目前，在我國利用城市垃圾充填采空區(qū)的研究較少。2000年，中國科學院武漢巖土力學研究所谷志孟等提出了關于用城市垃圾回填礦山采空區(qū)的環(huán)境治理問題，為城市垃圾處理和解決礦山采空區(qū)的問題提供了新思路。2002年，馮長根提出了用城市垃圾充填采空區(qū)是緩解耕地緊缺和填埋垃圾占地的一種良好方法。2009年，河南科技大學李一帆等以某城市垃圾充填附近礦山采空區(qū)為例，采用離散單元法對利用垃圾充填和自然崩落兩種采空區(qū)處理產(chǎn)生的力學效應進行了分析?？梢钥闯觯谖覈?，利用城市垃圾進行采空區(qū)處治的應用尚無實例，處于起步階段，還需要探索和研究。在國外也沒有關于這類型的學術(shù)文獻和應用實例。可以說，開發(fā)和研究利用城市垃圾進行采空區(qū)處治，是一項開創(chuàng)性的環(huán)境綜合治理舉措。

將城市垃圾的消納和采空區(qū)處治作為一項系統(tǒng)工程，是行之有效的環(huán)境綜合治理方法，有利于推進經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。將其應用于公路穿越采空區(qū)的地基加固，對于解決公路穿越采空區(qū)這一難題，大幅降低工程成本具有重要意義，具有廣闊的應用前景。

3 利用城市垃圾進行采空區(qū)路基加固需解決的問題

山西煤炭資源分布廣泛，采掘歷史悠久。在過去幾十年的公路建設歷程中，大部分高速公路和部分一、二級公路都遭遇到了采空區(qū)這一難題，給公路建設增加不小的難度。公路穿越采空區(qū)，一般通過采空區(qū)注漿處治的方法解決，還有跨越法、強夯法、開挖回填法等，總的來說成本較高。

在交通部頒布的JTG/T D31-03-2011采空區(qū)公路設計與施工技術(shù)細則中，對公路穿越采空區(qū)的地基容許變形、回填料壓實度、回填質(zhì)量控制標準等提出了很高要求。

表1為《采空區(qū)公路設計與施工技術(shù)細則》中的公路穿越采空區(qū)的地基容許變形值。

表1 公路穿越采空區(qū)的地基容許變形值

采空區(qū)的移動變形具有隱蔽性、復雜性、突發(fā)性、長期性等特點，公路穿越采空區(qū)時，其路基處治的質(zhì)量直接決定著公路建設和使用質(zhì)量。利用城市垃圾進行采空區(qū)加固在我國僅是起步階段，將其應用于路基加固，投入工程實例，還需要解決好以下幾個技術(shù)問題:

1)需解決垃圾的分類及壓縮固化技術(shù)，固化后的承載性能技術(shù);

2)在地基加固中，垃圾材料充填的方法、工藝與設備等技術(shù);

3)必須考慮到城市垃圾填充后有可能導致的新的環(huán)境問題。

把城市垃圾的消納和礦山采空區(qū)的處理復合成一項系統(tǒng)工程，使兩害變?yōu)閮衫?，推進社會經(jīng)濟與生態(tài)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有廣闊的推廣應用價值。

4 結(jié)語

在我國，采空區(qū)沉陷造成的地質(zhì)災害及城市垃圾堆積產(chǎn)生的危害十分嚴重。將城市垃圾處理與采空區(qū)充填技術(shù)相結(jié)合，是一種行之有效的環(huán)境綜合治理新思路。利用城市垃圾充填采空區(qū)的技術(shù)進行采空區(qū)地基加固，解決好亟需解決的幾個關鍵問題，可豐富資源開采充填和垃圾處理方面的科學理論，對于提升我國在相關領域的國際地位起到積極作用，對于我國社會經(jīng)濟與環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。

［1］劉 音，郭曉葭.城市垃圾充填煤礦采空區(qū)控制地表沉陷技術(shù)研究［J］.山東科技大學學報(自然科學版)，2010(4):7-9.

［2］谷志孟，白世偉.利用城市垃圾充填廢棄采礦空場的環(huán)境綜合治理建議［J］.科技進步與對策，2000(1):54-56.

［3］王亞偉.公路下伏采空區(qū)處治技術(shù)研究［J］.山西交通科技，2013(1):10-11.

［4］JTG/T D31-03-2011，采空區(qū)公路設計與施工技術(shù)細則［S］.