下伏采空區(qū)高填路基的穩(wěn)定性分析

沈曉平 段高飛

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210096 ）

0 引言

山區(qū)高速公路難免遇到煤礦采空區(qū)的工程地質(zhì)問題，而煤礦采空區(qū)下高填路基的穩(wěn)定性分析是一個(gè)多因素耦合的復(fù)雜問題[1]?，F(xiàn)煤礦采空區(qū)高速公路治理多采用繞避法、橋跨板跨法、混凝土支撐法、注漿充填法等[2]。本文針對烏魯木齊某高速典型下伏采空區(qū)的高填路基為例，通過對采空區(qū)高速公路的彈塑性有限元計(jì)算，模擬了注漿充填法治理前后路基的變形及受力響應(yīng)特征，探討高速公路下伏采空區(qū)的有效工程對策，為采空區(qū)高填路基方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 工程背景

烏魯木齊某高速在K22+600～K22+920 處跨越煤田采空區(qū)，影響路段約為320m。設(shè)計(jì)原對采空區(qū)的治理進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，由于采空區(qū)煤礦用地未能及時(shí)交付治理單位，露天煤礦在三年時(shí)間里一直存在開采現(xiàn)象，導(dǎo)致露天煤礦區(qū)域地貌發(fā)生巨大變化，在原初詳勘階段時(shí)其開采深度約30m，經(jīng)過幾年的開采，最深處已達(dá)90m，如圖1 所示。

針對露天煤礦區(qū)域地貌發(fā)生巨大變化的情況，再次開展煤礦采空區(qū)的物探和鉆探勘察工作，以指導(dǎo)煤礦采空區(qū)治理工程設(shè)計(jì)變更，擬采用路基型式通過該煤礦露天礦坑，且路段存在超高路基填筑，技術(shù)難度大，國內(nèi)類似工程處置案例較少。

圖1 采空區(qū)地形地貌

2 采空區(qū)工程地質(zhì)特征

該煤田采空區(qū)煤礦年生產(chǎn)能力為9 萬噸。礦井位于烏魯木齊山前拗陷帶八道灣向斜南翼，呈陡傾單斜巖層構(gòu)造，煤層平均傾角79°，水平厚度 46m。煤層頂板為細(xì)砂巖，底板為粉砂巖，開采深度250m。礦井開拓方式為立井開拓，采煤方法為倉儲式。根據(jù)原采空區(qū)勘察的地質(zhì)情況，通過分析及理論計(jì)算，綜合考慮各種方案，原設(shè)計(jì)線路選擇從煤礦預(yù)留安全煤柱上通過。線路大部分處于移動區(qū)和變形區(qū)，必須經(jīng)過處理才能滿足擬建道路工程要求。

擬建場地屬低山丘陵區(qū)，總體地勢南高北低，海拔高程在 778～893m 之間，現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區(qū)，局部已回填，可見較多塌陷坑。

煤礦采空區(qū)主要地層有侏羅系下統(tǒng)八道灣組、三工河組、侏羅系下統(tǒng)西山窯組、第四系。由上而下，主要為雜填土、黃土狀粉土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化基巖、煤層、微風(fēng)化砂巖。采空區(qū)范圍內(nèi)僅出露中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）和第四系（Q）地層。

1、中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）

為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，呈北東-南西向帶狀分布于治理區(qū)，為湖相及泥炭沼澤相沉積。巖性以灰色、深灰色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，含炭質(zhì)泥巖及煤層，夾不穩(wěn)定的灰及灰白色中砂巖。地層總厚762.65m。

2、第四系（Q）

區(qū)內(nèi)第四系廣泛發(fā)育，均覆蓋在較老地層之上。厚度0-191.78m，平均50.34m。自下而上可分為中更新統(tǒng)（Q2）、上更新統(tǒng)（Q3）和全新統(tǒng)（Q4），分述如下：

（1）中更新統(tǒng)（Q2）

為鈣質(zhì)半膠結(jié)或未膠結(jié)的礫石層，夾透鏡狀亞砂土層。礫石成分復(fù)雜，多為洪積、沖積的火成巖塊和變質(zhì)巖塊，其次為砂巖塊。顏色一般為灰色、灰綠色、雜色，滾圓狀，分選性一般較差。厚0-99m。

（2）上更新統(tǒng)（Q3）

為風(fēng)積的亞砂土、亞粘土，一般不含或含少量的砂及礫石。廣布全區(qū)，厚0-42.50m。

（3）全新統(tǒng)（Q4）

多分布于山麓及現(xiàn)代溝谷之中，為灰-灰黃色砂、礫石。為坡積、洪積、沖積松散堆積。厚0-15.30m。

3 采空區(qū)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本文基于Midas-GTS 構(gòu)建下伏采空區(qū)高填路基的地質(zhì)力學(xué)模型，分析采空區(qū)在自重及路堤荷載作用下的應(yīng)力和位移變形規(guī)律。

根據(jù)物探、前期鉆探資料及采空區(qū)分布，建立起二維地質(zhì)模型，給模型施加位移邊界條件。在路基縱向方向上，施加X 向鉸支座加以限制；在垂直方向上，底邊界施加固定鉸支座加以限制。模型上部邊界為自由邊界。本次計(jì)算有以下假設(shè)條件：由于巖體組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)制性，在計(jì)算中同一地層均按照各向同性介質(zhì)處理，巖體中存在的節(jié)理裂隙的影響在物理參數(shù)的選取中進(jìn)行統(tǒng)一的考慮。

根據(jù)物探結(jié)果顯示，本項(xiàng)目距離地表50m 以下存在形狀不規(guī)整的采空塌陷區(qū)，將空洞假定為方形斷面，尺寸為40m×40m。模型路基寬度37.5m，填高70m，采用1:2 坡率，每10m 填高設(shè)置5～10m 寬的邊坡平臺。模型各巖層分布情況如圖2 所示，第四系（黃土）厚度為160m，煤層最厚處480m，最薄處320m。本文采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，為準(zhǔn)確獲取計(jì)算參數(shù)，項(xiàng)目進(jìn)行了礦區(qū)典型地層、煤層鉆芯取樣進(jìn)行了室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。計(jì)算參數(shù)以工程地質(zhì)勘察報(bào)告及最新物探勘察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主要選用依據(jù)，同時(shí)參考了當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值，對個(gè)別數(shù)據(jù)進(jìn)行合理換算，原則上選用數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際一致。采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

圖2 模型各巖層分布圖（單位:m）

表1 計(jì)算參數(shù)表

表2 加固處理后計(jì)算參數(shù)表

3.2 注漿治理前數(shù)值模擬

3.2.1 自重條件下場地應(yīng)力平衡

圖3 為自重荷載作用下場地豎向應(yīng)力場云圖，由于缺少該地區(qū)的地應(yīng)力測試資料，計(jì)算中沒有考慮地層的構(gòu)造應(yīng)力。初始應(yīng)力由自重應(yīng)力場構(gòu)成，且認(rèn)為在自重荷載作用下，地基沉降已經(jīng)完成。

圖3 自重荷載作用下場地豎向應(yīng)力場云圖

由圖3 可以看出，豎向應(yīng)力體現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)分布特征，豎向應(yīng)力從上到下逐漸增大，符合巖體自重應(yīng)力場的分布規(guī)律，且應(yīng)力在采空區(qū)附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力跌落，可見采空區(qū)區(qū)域無法承受較大的應(yīng)力荷載，這與文獻(xiàn)[3]研究成果類似。

3.2.2 路堤穩(wěn)定性分析

圖4 路堤填筑應(yīng)力位移云圖

（1）第一主應(yīng)力情況如圖4（a）所示（云圖中標(biāo)記的值為采空區(qū)上部和下部對應(yīng)應(yīng)力的值），模型的應(yīng)力呈層狀結(jié)構(gòu)分布，在采空區(qū)周圍有部分應(yīng)力集中表現(xiàn)，并以頂板中心為圓心呈弧狀向地面范圍延伸。最大主應(yīng)力位于采空區(qū)頂部，其值為F1= 186.5kPa，該值比較接近該地區(qū)煤層的抗拉強(qiáng)度值。采空區(qū)頂部承受如此大的主拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生塑性破壞，造成采空區(qū)塌陷、路基失穩(wěn)的后果。

（2）圖4（b）為第三主應(yīng)力云圖，第三主應(yīng)力即主壓應(yīng)力，由云圖中可見，最大主壓應(yīng)力值較小，滿足圍巖抗壓強(qiáng)度要求。

（3）結(jié)合圖4（c）和圖4（d）可知，路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降發(fā)生在第四系（黃土）土層，對應(yīng)高速公路位置在路堤坡腳兩側(cè)，而兩側(cè)地面有隆起的趨勢。說明路堤填筑過程中坡腳兩側(cè)的形變較大，兩側(cè)基土極不穩(wěn)定。

（4）由圖4（c）、圖4（d）可知，最大水平位移為約3.6m，最大沉降4.9m，說明巖體系統(tǒng)的相對平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生的變形量較大，需要采取相應(yīng)的治理措施。

（5）路堤填筑過程中，圖4（d）采空區(qū)頂部產(chǎn)生了49.5cm 左右的沉降，采空區(qū)下部會產(chǎn)生29.6cm 的沉降。說明采空區(qū)頂部承受較大的拉應(yīng)力，很容易在該區(qū)域發(fā)生塑性破壞。綜上所述，高填路堤可能出現(xiàn)的變形與失穩(wěn)問題在數(shù)值模擬上基本得到反映，必須對采空區(qū)進(jìn)行加固處理。

3.2.3 路堤邊坡穩(wěn)定性分析

圖5 路堤邊坡滑動面位置及安全系數(shù)圖

采用Midas-GTS 內(nèi)置的強(qiáng)度折減法對路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，路堤邊坡安全系數(shù)Fs=1.76，滿足路堤邊坡穩(wěn)定性要求。

3.3 注漿治理后數(shù)值模擬

本路段為高填路堤，路堤自身荷載大，沉降難控制，且空洞埋深較淺，項(xiàng)目采用注漿充填法處理采空區(qū)，并且對第四系（黃土）也相應(yīng)的進(jìn)行注漿處理。

3.3.1 自重條件下場地應(yīng)力平衡

圖6 自重條件下場地豎向應(yīng)力云圖

分析表明豎向應(yīng)力仍體現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)分布特征，豎向應(yīng)力從上到下逐漸增大，應(yīng)力在采空區(qū)附近應(yīng)力跌落的趨勢有所減緩但仍存在。

3.3.2 路堤穩(wěn)定性分析

圖7 路堤填筑應(yīng)力位移云圖

圖8 注漿前后地表位移變化曲線

（1）從圖7（a）、圖7（b）可以看出，經(jīng)注漿治理后，模型的采空區(qū)處沒有受拉區(qū)域，減少了采空區(qū)附近發(fā)生塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)，說明從應(yīng)力狀態(tài)看，治理方案效果明顯，采空區(qū)趨于穩(wěn)定。

（2）結(jié)和圖7（c）和圖7（d），分析發(fā)現(xiàn)路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降仍發(fā)生在第四系（黃土）土層，其對應(yīng)的高速公路位置為路堤兩側(cè)坡腳附近，說明兩側(cè)坡腳的形變控制需嚴(yán)格把關(guān)。工程中，應(yīng)重視路堤填料的選取以及路堤填筑施工的質(zhì)量，需對路堤填土充分壓實(shí)，待路堤沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行路面施工。原設(shè)計(jì)已通過放緩邊坡、設(shè)置平臺分?jǐn)偤奢d，可進(jìn)一步在路基中加鋪土工格柵控制差異沉降，增加路基的整體性[4]。

（3）注漿治理后，采空區(qū)范圍水平、豎向位移量整體減少，采空區(qū)頂部與下部沉降差較治理前減少了40.2%。路基最大水平位移約為0.3m，施工期最大沉降為0.6m 左右。說明路基的變形得到有效抑制，穩(wěn)定性有所提升。由圖7（d）可知但路堤兩側(cè)地面仍存在隆起的趨勢，基土仍可能出現(xiàn)塑性擠出，不利于路堤穩(wěn)定。邊坡外側(cè)設(shè)置一定高度的反壓護(hù)道是一種增強(qiáng)高填路堤穩(wěn)定性的可行方案。

（4）圖8 為注漿前后地表位移變化曲線，橫坐標(biāo)距離表示節(jié)點(diǎn)至路基中線的距離。治理前后的水平和豎直位移的峰值都在坡腳內(nèi)側(cè)出現(xiàn)，工程中應(yīng)重視該位置的形變控制。注漿治理后，路基中部的地表水平位移及地表沉降變化不大，而坡腳水平位移及地表沉降明顯減少，說明注漿治理有益于控制路基橫向差異沉降。

3.3.3 路堤邊坡穩(wěn)定性分析

圖8 路堤邊坡滑動面位置及安全系數(shù)圖

由計(jì)算結(jié)果可知，路堤邊坡安全系數(shù)Fs=1.79，是滿足路堤邊坡穩(wěn)定性要求的。通過注漿處治后路堤邊坡安全系數(shù)也得到了提高。

4 結(jié)論

(1)針對煤礦采空區(qū)的復(fù)雜地形，高填路堤可能出現(xiàn)的變形與失穩(wěn)問題在數(shù)值模擬上基本得到反映。采空區(qū)頂部承受較大拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生塑性破壞；最大水平位移和最大沉降位于第四系土層，對應(yīng)路基的坡腳兩側(cè)，說明兩側(cè)基土極不穩(wěn)定，有必要采取治理措施。

(2)采空區(qū)及第四系（黃土）進(jìn)行注漿加固處理后，采空區(qū)頂部塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)和路基變形量得到控制，邊坡穩(wěn)定性也得到提升。

(3) 路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降發(fā)生在第四系（黃土）土層，對應(yīng)高速公路位置在路堤坡腳兩側(cè)。鑒于此，應(yīng)重視路堤填料的選取及路堤填筑施工的質(zhì)量，確保路堤填土充分壓實(shí)，沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行路面施工。并在路基中加鋪土工格柵控制差異沉降，增加路基的整體性。

（4）注漿治理后，路基兩側(cè)地面仍存在隆起的趨勢，基土仍可能出現(xiàn)塑性擠出，不利于路堤穩(wěn)定。邊坡外側(cè)設(shè)置一定高度的反壓護(hù)道是一種增強(qiáng)高填

路堤穩(wěn)定性的可行方案。