宜彝高速公路采空區(qū)變形計(jì)算及預(yù)測(cè)分析

段學(xué)軍，崔桂陽(yáng)

(中建路橋集團(tuán)有限公司 石家莊市 050021)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，從而使得交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，公路網(wǎng)越來(lái)越密集，因此在進(jìn)行高速公路規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免地需要從一些采礦區(qū)通過(guò)，因此，采空區(qū)變形及其地基的穩(wěn)定性成為制約工程建設(shè)的一個(gè)非常重要的因素。

采空區(qū)是指地下固體礦產(chǎn)(煤炭、金屬礦等)開采后，上覆巖體失去支持而導(dǎo)致破壞，引起的應(yīng)力重分布。采空區(qū)上部的巖體變形及移動(dòng)會(huì)波及到地表，形成地表移動(dòng)盆地。在采空區(qū)上部修建高速公路時(shí)，采空區(qū)上部巖體沉陷變形影響著路基的承載能力及穩(wěn)定性。

宜賓至彝良高速公路通過(guò)地區(qū)系四川盆地向云貴高原過(guò)渡地帶，在筠連段遇到多處采空區(qū)。由于采空區(qū)的存在，為路基穩(wěn)定性及高速公路的運(yùn)營(yíng)提供了安全隱患，因此對(duì)采空區(qū)進(jìn)行變形及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)是必需的。

1 項(xiàng)目概況及采空區(qū)特征

宜賓至彝良高速公路(四川境)是《四川省高速公路路網(wǎng)布局規(guī)劃》(2011年調(diào)整方案)中新增的8條南北縱線之一。線路在K64+250～K67+800穿越二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)(亦稱宣威組(P2x))含煤地層。該組地層在筠連分區(qū)范圍內(nèi)，龍?zhí)督M二段為主要含煤段，共含煤9層，但僅位于該段下部的3、7、8號(hào)煤層可采，其中8號(hào)煤層可分為8-1、8-2、8-3三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分層，本段可采及局部可采煤層均產(chǎn)自上段地層中。該段及其影響范圍內(nèi)，共分布23個(gè)廢棄老窯及1個(gè)生產(chǎn)礦井。

區(qū)內(nèi)淺部煤炭多被老窯開采殆盡，老窯開采規(guī)模不大，且采空區(qū)形成的時(shí)間久遠(yuǎn)，未誘發(fā)大的巖土體變形和地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。由于煤層開采對(duì)巖土體和自然環(huán)境的破壞影響至今未做觀測(cè)，資料缺乏，本次勘察結(jié)合《煤礦采空區(qū)專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查》報(bào)告，調(diào)查系井上觀測(cè)、訪問(wèn)和綜合分析的方法進(jìn)行調(diào)查。

調(diào)查期間項(xiàng)目區(qū)各煤礦均處于無(wú)限期停產(chǎn)整頓期間，故未進(jìn)入井下調(diào)查。著重對(duì)區(qū)內(nèi)仍存在生產(chǎn)的煤礦的回采面、巖煤巷和礦方掌握的部分采空區(qū)情況進(jìn)行了詳細(xì)了解。區(qū)內(nèi)含煤地層多為泥巖、砂質(zhì)泥巖。老頂、老底多為厚層狀砂巖，層厚一般1～5m，少數(shù)7～20m。煤層開采凈寬一般0.3～3.5m，頂、底板走向較為平直，傾角22～63°。在有坑木或局部填充物支撐的情況下，頂板懸空，出現(xiàn)較大面積的空腔，空腔長(zhǎng)寬一般20～50m，少數(shù)達(dá)100余米(順煤層傾向長(zhǎng)度)，空腔內(nèi)一般潮濕～干燥。區(qū)內(nèi)采空區(qū)局部地段頂、底板泥巖厚度較大，巖體裂隙發(fā)育，采掘破壞較嚴(yán)重，巖體多產(chǎn)生剪切滑移和脫層冒落現(xiàn)象，頂板垮塌之后，松散巖塊將空腔逐漸填滿，此變形情況為區(qū)內(nèi)采空變形的主要現(xiàn)象；另一種情況為頂?shù)装遢^完整的軟質(zhì)巖，層理發(fā)育，煤層采空后，頂板在自重應(yīng)力之下向采空底板緩慢變形，逐漸擠壓閉合。采空區(qū)采動(dòng)變形一般情況如圖1。

圖1 采空區(qū)采動(dòng)變形示意圖

2 采空區(qū)變形計(jì)算及預(yù)測(cè)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)(2009版)中5.5.3條規(guī)定對(duì)現(xiàn)采空區(qū)及未來(lái)采空區(qū)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)地表移動(dòng)和變形的特征值。根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03-2011)表4.2.2的要求，高速公路采空區(qū)地基容許變形值為：傾斜值i=4.0mm/m；水平變形值ε=3.0mm/m；曲率值K=0.3mm/m2。

K65+000～K67+800段(筠連縣城以南青山井田)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)煤系地層，該段內(nèi)老窯密集分布，且主采煤層層數(shù)多，厚度相對(duì)較大。

2.1 地表最大下沉值預(yù)測(cè)

(1)初采煤層

Wmax=M·q·cosα

式中：M—煤層真厚度(m)，見表1；

q—下沉系數(shù)(mm/m)；

α—煤層傾角(°)。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 初采煤層最大下沉值計(jì)算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產(chǎn)礦井)單獨(dú)定名，不為區(qū)內(nèi)煤層統(tǒng)一定名

(2)復(fù)采煤層

Wmax復(fù)采=M·q復(fù)采·cosα

式中：M—煤層真厚度(m)，見表2；

q復(fù)采—復(fù)采下沉系數(shù)(mm/m)，取值為0.96，該值為q(1+a)，其中a為下沉活化系數(shù)，取0.20；

α—煤層傾角(°)。

2.2 地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)

表2 復(fù)采煤層最大下沉值計(jì)算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產(chǎn)礦井)單獨(dú)定名，不為區(qū)內(nèi)煤層統(tǒng)一定名

(1)初采地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)

最大傾斜值：imax=Wmax/r (mm/m)

最大曲率值：kmax=1.52Wmax/r2(mm/m2)

最大水平移動(dòng)值：umax=b·Wmax(mm)

最大水平變形值：εmax=1.52Wmax/r (mm/m)

式中：r—地面影響半徑(m)，為H/tanβ；

H—開采深度(m)；

b—水平移動(dòng)系數(shù)，根據(jù)上覆巖性取值，為0.30×(1+0.0086a)；

tanβ—主要影響角正切，為(D-0.0032H)(1+0.0038a)。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 初采煤層地表移動(dòng)和變形計(jì)算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產(chǎn)礦井)單獨(dú)定名，不為區(qū)內(nèi)煤層統(tǒng)一定名

(2)復(fù)采地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)

最大傾斜值：imax復(fù)采=Wmax復(fù)采/r復(fù)采(mm/m)

最大曲率值：kmax復(fù)采=1.52Wmax復(fù)采/r復(fù)采2(mm/m2)

最大水平移動(dòng)值：umax復(fù)采=b·Wmax復(fù)采(mm)

最大水平變形值：εmax復(fù)采=1.52Wmax復(fù)采/r復(fù)采(mm/m)

式中：r復(fù)采—地面影響半徑(m)，為H/tanβ復(fù)采；

H—開采深度(m)；

b—水平移動(dòng)系數(shù)，根據(jù)上覆巖性取值，為0.30×(1+0.0086a)；

tanβ復(fù)采—主要影響角正切，為tanβ+0.06236lnH-0.017。

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 復(fù)采煤層地表移動(dòng)和變形計(jì)算一覽表

注：1.煤層厚度值為介值中大值，傾角值為平均值；

2.煤層名稱僅局限于老窯(生產(chǎn)礦井)單獨(dú)定名，不為區(qū)內(nèi)煤層統(tǒng)一定名

通過(guò)上述預(yù)測(cè)計(jì)算，采空區(qū)段落內(nèi)的最大變形值分別為：傾斜i=0.0064～0.0215mm/m；曲率K=0.00013675～0.00048258mm/m2；水平變形ε=0.0098～0.0326mm/m。計(jì)算結(jié)果均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，采空區(qū)對(duì)地表建筑物造成的損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)，即極輕微損壞或輕微損壞。

3 采空區(qū)路基及其處治原則

測(cè)區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)含有煤層，該地層含煤10余層，可采煤層6層，可采煤層平均厚7.08m，可采含煤系數(shù)4.92%。路線附近有國(guó)有和私有采礦井(窯)，還有以前的廢礦井(窯)，若路線通過(guò)處頂板厚度不夠，有可能發(fā)生塌陷。采空區(qū)對(duì)路線有影響主要為K64+250～K67+800段，該段為小型煤礦采空區(qū)集中地段。

對(duì)于采空區(qū)路段，路線布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量避繞。當(dāng)無(wú)法繞避時(shí)，采空區(qū)治理應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)及處治目的，并充分考慮采空區(qū)地質(zhì)條件、煤礦開采方式、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等各方面影響因素，選擇經(jīng)濟(jì)合理的處治方法。

(1)對(duì)于采空區(qū)覆巖發(fā)生較嚴(yán)重的垮塌的地段，采用注漿處理措施。

(2)對(duì)于頂板完整性差，巖體強(qiáng)度低，易開挖，埋深小于6m采空區(qū)，采用開挖回填法。對(duì)于周圍無(wú)任何建筑物，埋深6～20m的采空區(qū)，可采用爆破采空區(qū)頂板，回填后采用強(qiáng)夯或重錘夯實(shí)；采用爆破受限的路段，則采用橋梁型式跨越。

(3)對(duì)上覆巖土體強(qiáng)度很低，埋深大于20m的采空區(qū)，采用橋梁型式跨越。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)宜彝高速公路采空區(qū)變形計(jì)算及預(yù)測(cè)等分析，計(jì)算結(jié)果均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值，采空區(qū)對(duì)地表建筑物造成的損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)，即極輕微損壞或輕微損壞。但仍應(yīng)按照其采空區(qū)埋置深度、巖層條件采取相應(yīng)的治理措施。