不影響煤礦煤層開采條件下高等級公路下采煤對公路的影響及安全技術(shù)措施*

郭軻軼

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013; 2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

公路是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通系統(tǒng)的重要組成部分，在社會經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的地位和作用[1]。但當公路從礦區(qū)煤田上方通過時，不僅會壓占大量的煤炭資源，而且也給公路的安全運行帶來隱患，特別是高等級公路，路面結(jié)構(gòu)特殊，行車速度快，對地表變形敏感。地下開采將對公路造成一定的影響，使路基沉降、路面開裂或者擠壓變形，形成陷坑、突起、波浪、路面位移及坡度改變等病害，影響公路的正常安全使用。

河南省安陽市殷都區(qū)交通運輸局擬建設(shè)省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路工程項目，該工程項目將壓覆安陽大眾煤業(yè)有限責任公司南部區(qū)二1煤層。S303安姚路沿線經(jīng)過大眾煤礦部分已采二1煤層和未采區(qū)域，S301未經(jīng)過大眾煤礦井田區(qū)域，但距離大眾煤礦井田邊界約230 m，今后也會受到大眾煤業(yè)煤層開采影響。

目前，我國關(guān)于公路下淺部煤層的開采及普通公路的保護技術(shù)已經(jīng)有了一定方法和技術(shù)手段，也有一些針對高速公路下采煤的研究[2-3]，常見的技術(shù)手段有煤層采用條帶開采、留下小的保護煤柱同時加強公路的監(jiān)測及維修等方法，這些方法和技術(shù)手段都是基于煤層開采時井下采取的技術(shù)措施，而對于在不影響煤礦煤層開采情況下，新建高等級公路會受到多大的采動影響，同時對高等級公路的保護技術(shù)措施的研究并不多見，這仍然是需要解決的一項技術(shù)難題。

1 項目區(qū)概況

省道S301線木廠屯至積善段改建工程采用雙向兩車道二級公路技術(shù)標準，路基寬度16.5 m，設(shè)計速度為60 km/h。全線路面采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式。橋涵荷載等級為公路-I級，設(shè)計洪水頻率1/100。S303安姚路項目建設(shè)里程35.351 km，采用雙向六車道一級公路技術(shù)標準，路基寬度33 m，設(shè)計速度為80 km/h。橋涵荷載等級為公路-I級,設(shè)計洪水頻率1/100。

二1煤埋深250.0～892.0 m，為該礦區(qū)主要可采煤，平均厚4.29 m。開采情況如圖1所示。二1煤上覆地層主要為泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖等，其中第四系+新近系厚度為13.75 m，整個覆巖巖性屬中硬。省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路位置以南為F1銅冶斷層，該斷層處于大眾煤礦井田最北部邊界處，落差100～130 m，傾角70°。其出露位置距離省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路較遠，不會對新建公路造成影響。此外，省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路附近及下方還有些小斷層發(fā)育，會對新建公路造成一定的不利影響。

圖1 S303安姚路經(jīng)過大眾煤礦區(qū)域采掘工程平面圖

大眾煤礦井田與省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路位置關(guān)系如圖2～圖3所示。

圖2 省道S301線木廠屯至積善段改建工程與大眾煤礦井田邊界位置圖

圖3 S303安姚路與大眾煤礦井田邊界位置圖

2 地表沉陷變形預(yù)計

根據(jù)資料可知，目前大眾煤礦僅在井田中西部地區(qū)進行了部分開采，整個井田包括項目區(qū)下方及附近還有大量資源尚未開采，隨著這些待采煤層開采范圍的逐步擴大，必將對省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路公路造成一定的破壞性影響。因此，在進行老采空區(qū)的地表殘余沉陷變形預(yù)計的同時，也要計算今后煤層開采的影響。

地表沉陷變形計算方法采用我國常用的概率積分法[4]。根據(jù)安陽礦區(qū)及類似條件下礦井巖移參數(shù)，同時結(jié)合該場地的地質(zhì)采礦條件，選取的計算參數(shù)如表1所示。

表1 選取的計算參數(shù)

經(jīng)過計算，求得了省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路公路的地表移動變形值，如表2～表3所示。

表2 省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路線路最大移動變形值

表3 S303安姚路線路最大移動變形值

為保證新建公路的安全正常運行，省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路受影響路段中K13+405～K13+946段，最大下沉70 mm，最大傾斜變形-1.0 mm/m，最大水平變形1.5 mm/m，建議按Ⅱ級損害影響考慮；K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段，最大下沉50 mm，最大傾斜變形-0.5 mm/m，最大水平變形0.8 mm/m，可按Ⅰ級損害影響考慮。S303安姚路受影響路段中K15+650～K16+570段，最大下沉2 620 mm，最大傾斜變形-6.8 mm/m，最大水平變形-4.8 mm/m，建議按Ⅲ級損害影響考慮；K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段，最大下沉400 mm，最大傾斜變形0.5 mm/m，最大水平變形0.6 mm/m，可按Ⅰ級損害影響考慮。

3 地基穩(wěn)定性分析

由于新建公路的荷載向地下有一定影響深度，當這個深度與地下采空區(qū)的垮落裂縫帶相交疊時，就會破壞垮落裂縫帶業(yè)已平衡的狀態(tài)，而使覆巖重新發(fā)生較大的移動變形[5]。

3.1 覆巖破壞高度

根據(jù)開采煤層的角度、煤層厚度、煤層的傾角、開采尺寸、開采方法及上覆巖層的巖性等，確定垮落裂縫帶的發(fā)育高度，同時根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，該項目覆巖巖性為中硬偏硬，選取計算公式如下[6]：

(1)

式中，∑M為煤層的累計采厚，m。

項目區(qū)附近地下主要開采煤層為二1煤，最小采深311 m，煤層開采厚度2～4 m，按4 m。經(jīng)計算，二1煤垮落斷裂帶的最大發(fā)育高度位于二1煤煤層頂板之上67.7 m。所以，其垮落斷裂帶的頂界面距地表的垂直距離為243.3 m。

3.2 路基及車輛的荷載影響深度

路基屬于靜態(tài)荷載，車輛則屬于動態(tài)荷載，荷載影響深度分別計算。考慮省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路目前全線路基主要以填方為主，路基平均填土量不大，其荷載影響深度有限，一般不超過3 m。

公路上的車輛荷載是一種長期循環(huán)荷載，在其他條件相同的情況下，動態(tài)荷載對基礎(chǔ)變形的影響要大于靜態(tài)荷載對基礎(chǔ)變形的影響。目前，公路上的很多重型車輛是處于超載狀態(tài)，因此，在公路設(shè)計時，車輛荷載(特別是超載車輛荷載)也是影響路基穩(wěn)定性的重要因素。

研究表明，車輛動態(tài)荷載的影響深度隨路基高度的降低線性增大，隨車輛荷載的增大呈拋物線關(guān)系增大。對于輪距1.4 m，重30 t的貨車，車輛荷載影響深度約為6～8 m，在超載(3倍超載)情況下，車輛荷載影響深度約為6～14 m。

3.3 地基穩(wěn)定性

煤層開采后，當最小采深(H臨)大于垮落斷裂帶高度(H裂)與建筑荷載影響深度(H影)兩者之和時，采空區(qū)垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動而重新移動，即：

H臨>H裂+H影

(2)

根據(jù)前面計算，該項目區(qū)下方二1煤H裂為67.7 m，新建公路的荷載影響深度(H影)為17 m，兩者之和為84.7 m，而正下方二1煤最小采深為311 m，因此省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路的荷載不會使采空區(qū)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

4 新建公路的可行性分析

公路屬于延伸長度大的線性構(gòu)筑物，同時一般設(shè)有橋梁、高架橋等附屬構(gòu)筑物，車輛的運行速度高、密度大、運量大，對開采沉陷損害極為敏感。根據(jù)項目區(qū)附近的地質(zhì)采礦條件及公路所受的沉陷影響的特點，通過對各種因素綜合考慮，對采動影響路段建筑可行性分析如下：

(1)省道S301線木廠屯至積善段改建工程受影響路段中K13+405～K13+946段將受到Ⅱ級開采損害影響，K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段將受到Ⅰ級開采損害影響。S303安姚路受影響路段中K15+650～K16+570段將受到Ⅱ～Ⅲ級開采損害影響，K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段將受到Ⅰ級開采損害影響。開采沉陷變形將導(dǎo)致線路路基承載能力出現(xiàn)不同程度的下降，對公路的正常運行有一定影響。其它路段不受大眾煤礦煤層采動影響，可進行常規(guī)設(shè)計和施工。

(2)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路縱向(南北方向)最大傾斜變形為-1.0 mm/m,對公路路面行駛車輛造成重心偏移的影響很小。S303安姚路線路縱向(南北方向)最大傾斜變形為5.0 mm/m，設(shè)計路基寬度33 m，其中路段K15+627～K15+900段最大傾斜變形超過3 mm/m，該路段路基建設(shè)時應(yīng)適當考慮傾斜變形影響，按不利情況考慮，采動影響后，路面最大縱向坡度向南方向增加約為0.3%，但路面、路基的縱向傾斜容易使車輛重心發(fā)生偏移，建議在線路彎道位置限制車輛行駛速度。

(3)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路橫向(東西方向)最大傾斜變形為0.3 mm/m，對公路路面爬坡的影響很小，不會造成路面坡度因采動影響發(fā)生較大變化。S303安姚路線路橫向(東西方向)最大傾斜變形為-6.8 mm/m，其中路段K15+576～K15+977、K16+124～K16+544段最大傾斜變形超過3 mm/m，其中K15+576～K15+977路段地勢西高東低，計算爬行坡度約為2.6%，受采煤影響的傾斜變形會降低爬行坡度；K16+124～K16+544路段地勢東高西低，計算爬行坡度約為1.4%，按不利情況考慮，采動影響后，路面最大坡度約為1.7%，一般不會出現(xiàn)車輛行駛困難。

(4)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路橫向(東西方向)最大水平變形為0.3 mm/m，縱向(南北方向)最大水平變形為1.5 mm/m。水平變形容易引起公路路基、路面起鼓、開裂破壞；煤層的開采沉陷變形還將引起公路的水平變形，S303安姚路橫向(東西方向)最大水平變形為-4.8 mm/m，縱向(南北方向)最大水平變形為2.5 mm/m。建議路面鋪設(shè)時設(shè)置鋼筋骨架和變形縫，以增強路面的抗變形能力。

(5)S303安姚路K15+666.800處計劃建設(shè)李辛莊中橋，最大下沉約為800 mm，地表沉陷變形對其構(gòu)成一定的影響，可在橋梁設(shè)計時采用抗變形設(shè)計的同時要加強對橋梁的監(jiān)測，確保橋梁的安全。同時，省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路設(shè)計了許多涵洞，處在受采動影響區(qū)內(nèi)的涵洞在設(shè)計時建議采取一定的抗變形措施。

通過以上分析可知，省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路項目是可行的，該項目的建設(shè)不會對大眾煤礦的開采造成影響，但由于煤礦開采沉陷變形的影響，需對公路采取相應(yīng)的路基加固和路面、橋梁及涵洞的抗變形技術(shù)措施，并加強對新建公路的觀測工作，以確保新建公路的正常安全通行。

采煤塌陷區(qū)的移動變形量是在今后若干年內(nèi)逐步發(fā)生的，并非在短期內(nèi)全部作用于公路及其附屬構(gòu)筑物上，實際的變形是緩慢發(fā)生的，可以通過維修調(diào)整對沉陷變形進行吸收處理。

5 公路的抗變形技術(shù)措施

公路建設(shè)中經(jīng)常遇到線路穿越采空區(qū)現(xiàn)象，采空區(qū)殘余沉陷變形必然對公路的安全行車帶來一定影響，保證公路路基具有足夠的承載能力、路面結(jié)構(gòu)完好、路面變形處于允許范圍內(nèi)，是公路安全、正常運行的重要保證。

(1)在路基回填前，檢查是否有因采動引起的地表裂縫并進行回填處理，并采用震動碾壓機進行壓實，以確保地表具有足夠的承載力和穩(wěn)定性。

(2)做好地面的清表回填，挖除老路面，做好新老路搭接，對加寬路基基底范圍內(nèi)的雜草樹木、淤泥和回填土進行清理，將坑穴填平夯實，當基底含水量較高時，應(yīng)采取翻挖、晾曬或摻灰處理，或者換填一定厚度的砂礫層。對于高路堤區(qū)段，應(yīng)驗算邊坡穩(wěn)定性，并適當降低邊坡坡度，設(shè)置坡腳片石護坡。對于路塹區(qū)段，應(yīng)驗算路塹邊坡的穩(wěn)定性，對于邊坡穩(wěn)定性不足處，應(yīng)采用相應(yīng)的加固措施或降低邊坡坡度的方法，增加其穩(wěn)定性。

(3)加強下伏采空區(qū)及斷裂構(gòu)造的探測與治理，必要時可采用明挖回填、注漿加固等措施，強化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)，提升地基的抗變形能力[7]；也可采用堆載預(yù)壓法、高能強夯法和水誘導(dǎo)沉降法等釋放老采空區(qū)的沉降潛力，加速老采空區(qū)活化和覆巖沉降過程，消除對地表有安全隱患的地下空洞，在沉陷基本穩(wěn)定后再開發(fā)利用地表土地。

(4)在開采沉陷區(qū)范圍的公路路面、路基工程建設(shè)中，采用與基礎(chǔ)(地表)相適應(yīng)的抗變形結(jié)構(gòu)。一方面在路基與基礎(chǔ)間設(shè)置滑動層減小路基與基礎(chǔ)間的摩擦力，其做法是在滑動層下部基礎(chǔ)頂層應(yīng)用混凝土找平，鋪設(shè)兩層油氈，也可在中間夾石墨粉或云母片；另一方面是改變路基、路面的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)，如路面底基層采用連續(xù)配筋混凝土板對采空區(qū)路基進行補強處理，鋪設(shè)土工織物加固公路地基和路堤，選擇輕質(zhì)材料(如粉煤灰)做路基填料，選用抗變形能力強的路面材料等。

(5)對于采空區(qū)地表的水平變形集中區(qū)，路面可采用改性瀝青技術(shù)，在水平變形超過改性瀝青混合料的允許值范圍時，可采用設(shè)置變形縫的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，水泥混凝土路面設(shè)與地表變形方向一致的鋼筋骨架，以增強抗變形能力，并根據(jù)地表殘余變形的大小確定變形縫的路面板塊尺寸[8]。對于傾斜變形集中區(qū)，影響公路正常運行的主要是橫向傾斜尤其是彎道位置的橫向傾斜，為保證車輛穩(wěn)定、安全運行，應(yīng)根據(jù)行車速度、車輛傾斜度、確定車輛重心的偏心距、向心力與離心力的平衡條件，評價影響程度。

(6)地表沉陷變形會引起公路坡度、形態(tài)(包括圓曲線和豎曲線)發(fā)生一定變化，在方案設(shè)計中應(yīng)根據(jù)其地表殘余變形情況有針對性地加寬、加高路基，改善急彎、陡坡和視距。

(7)橋涵采用鋼筋混凝土框架箱涵，并根據(jù)地表殘余變形和路基回填的高度和寬度，增加涵洞的長度；增加箱涵的壁厚、配筋和混凝土標號；采用高強度蓋板或增加支撐，提高其承載力；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

(8)為滿足橋面變形的要求，通常在兩梁端之間、梁端與橋臺之間或橋梁的鉸接位置上設(shè)置伸縮縫，要求伸縮縫在平行、垂直于橋梁軸線的兩個方向，均能自由伸縮，牢固可靠，車輛行駛過時應(yīng)平順、無突跳與噪聲，盡量選擇整體性好、抗彎抗壓強度高、調(diào)節(jié)范圍大的伸縮縫型號[9-10]。伸縮量除了考慮橋梁本身的需要，還要考慮地表變形的影響。根據(jù)地表殘余變形值的大小，相應(yīng)增大橋跨部分結(jié)構(gòu)剛度，除應(yīng)滿足當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度要求外，斷面大小及配筋量均應(yīng)按給出的地表殘余變形值大小計算確定。支座部分選擇可調(diào)節(jié)范圍大的支座形式。

(9)加強路基路面的巡視和監(jiān)測，及時清理路基排水溝渠，保證公路養(yǎng)護工作及時到位，確保線路滿足公路工程技術(shù)標準的相關(guān)技術(shù)要求。

6 結(jié) 語

結(jié)合大眾煤礦區(qū)域地質(zhì)采礦條件，針對大眾煤礦煤層開采的情況，在不影響大眾煤礦煤層正常開采的前提下對在其井田范圍內(nèi)建設(shè)高等級公路進行了地基穩(wěn)定性評價，分析了新建高等級公路的可行性，同時，結(jié)合地表沉陷變形計算提出了公路的抗變形技術(shù)措施。通過分析研究可知，在不影響煤礦煤層開采的條件下，新建高等級公路是可行的，建議加強對新建公路的觀測工作，以確保其正常安全通行。