路基沉陷段采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)估分析

張文成 楊柯

中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710075

1 采空區(qū)概況

陜西省榆林至神木高速公路屬省級(jí)高速公路榆商線，2010年12月8日，榆神高速公路建成通車(chē)。其中K668+650-K668+960段路基于2019年9月17日發(fā)生嚴(yán)重沉陷，最大沉降量約33cm，路面下沉開(kāi)裂、局部位置路面隆起、涵洞洞身開(kāi)裂，嚴(yán)重威脅榆神高速公路行車(chē)安全[1]。

發(fā)生路基沉陷的榆神高速公路路段位于神木縣棗稍溝煤礦采空區(qū)之上。棗稍溝煤礦為一村辦煤礦，已于2005年12月關(guān)閉。該礦開(kāi)采3-1號(hào)煤層，平均開(kāi)采厚度3.2m，路基沉陷段埋深約76.2～78.8m。3-1號(hào)煤層直接頂板巖性以泥巖為主，有少量粉砂巖，底板巖性以粉砂巖為主，厚約24～48m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該礦煤層回采后，頂板采取全陷冒落法管理。

2 評(píng)估工作范圍

在公路路線縱向上為榆神高速公路K668+650-K668+960采空區(qū)路基沉陷段，長(zhǎng)約310m，在橫向上評(píng)估寬度為公路路基中心線向兩側(cè)水平橫向各外延50m。評(píng)估面積為31000m2，勘探深度為采空區(qū)底板以下不小于3m[2]。

3 工作方法與手段

通過(guò)收集前期棗稍溝煤礦采空區(qū)勘察、設(shè)計(jì)、變形監(jiān)測(cè)以及工后檢測(cè)等資料，獲得評(píng)估區(qū)已有的各種自然地理、地層巖性、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、采礦情況等資料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面調(diào)查結(jié)合變形監(jiān)測(cè)成果來(lái)分析判斷采空區(qū)的變形范圍，通過(guò)鉆探揭示采空區(qū)目前的三帶特征和巖體破碎情況，進(jìn)行采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 采空區(qū)地表變形破壞形式

棗稍溝煤礦采用了房柱式開(kāi)采方式，采空區(qū)范圍及影響范圍內(nèi)存在大量地面裂縫和涵洞洞身裂縫。房柱式開(kāi)采形成的采空區(qū)，地表變形破壞形式主要為抽冒型和切冒型破壞，分述如下：

4.1.1 抽冒型破壞。該類(lèi)型破壞主要表現(xiàn)為煤柱相對(duì)穩(wěn)定，煤房的頂板巖層發(fā)生破壞而冒落，冒落堆積體充填采空區(qū)。這種破壞形式在未發(fā)生破壞的煤柱間形成平衡拱結(jié)構(gòu)，由于局部應(yīng)力集中或構(gòu)造作用，頂板部分垮塌，形成小范圍沖擊波，裂隙帶未與地表貫通，采空區(qū)能夠重新保持穩(wěn)定。

4.1.2 切冒型破壞。該類(lèi)型破壞主要表現(xiàn)為煤柱失穩(wěn)，同時(shí)伴隨頂板巖層破壞，最終地表產(chǎn)生大面積瞬時(shí)切冒型塌陷。在煤柱垮塌的過(guò)程中，應(yīng)力不斷向周邊煤柱轉(zhuǎn)移，頂板巖層逐漸向上破壞并發(fā)育至地表，形成陷落，此時(shí)采空區(qū)塌陷已脫離煤柱支撐為開(kāi)采特征的基本模式和范疇，成為地層運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)難。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，評(píng)估區(qū)路基呈對(duì)稱(chēng)的弧形下沉盆地狀，地面有大量裂縫，結(jié)合鉆探驗(yàn)證的采空區(qū)冒落情況，綜合判定該區(qū)域采空區(qū)目前破壞以切冒性破壞為主，同時(shí)部分煤柱也在上覆地層壓力作用下產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，致使裂縫發(fā)育至地表。

4.2 采空區(qū)穩(wěn)定性定性判斷

根據(jù)鉆孔揭露評(píng)估區(qū)為軟弱覆巖結(jié)構(gòu)，且埋深較淺，大致位于74.5～75m，采厚較大（平均采厚3.2m），其采深采厚比僅為H/M=23.4＜40。國(guó)內(nèi)外采礦經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，按停采采深采厚比確定采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采深與采厚比小于40，采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。故依此標(biāo)準(zhǔn)判斷采空區(qū)的覆巖容易產(chǎn)生塌陷冒落，根據(jù)勘察資料，在2008年該采空區(qū)的地表已經(jīng)出現(xiàn)了塌陷變形，加上采空區(qū)地下水比較發(fā)育，該采空區(qū)上邊分布有第四系孔隙弱～中等富水含水層、碎屑巖類(lèi)裂隙弱富水含水層，在地下水的作用下泥巖軟化開(kāi)裂易碎，加速了采空區(qū)的變形。

根據(jù)2019年6月至2019年9月22日對(duì)采空區(qū)路段進(jìn)行的變形監(jiān)測(cè)資料顯示，該路基沉陷段形成了中間下沉量最大（達(dá)273.36mm）緊挨K668+806涵洞，兩側(cè)幾乎對(duì)稱(chēng)的下沉盆地。

根據(jù)鉆探成果，采空區(qū)部位無(wú)掉鉆現(xiàn)象，巖芯較破碎，巖芯采取率較低，大約30%～40%，采空區(qū)高度從1.7m～3m，平均高度2.4m，僅有1個(gè)鉆孔漿液最大漏失量為26m3，其余位于鉆孔中的鉆孔雖有漿液漏失，僅有10～12m3，數(shù)量較小，且所有鉆孔孔口沒(méi)有吸風(fēng)現(xiàn)象[3]。

綜上所述，初步判斷采空區(qū)已基本塌陷，但還存在采空區(qū)上覆基巖冒落之后形成架空結(jié)構(gòu)的空隙。

4.3 剩余地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

根據(jù)前述成果，沿線的下伏采空區(qū)為房柱式結(jié)構(gòu)，頂板采用全部垮落法管理，房柱式開(kāi)采形成的采空區(qū)其穩(wěn)定性與采空區(qū)礦層的開(kāi)采條件、采深采厚比、覆巖性質(zhì)等他因素密切相關(guān)，采空區(qū)的地表變形長(zhǎng)表現(xiàn)為突發(fā)性，這類(lèi)采空區(qū)一般難以進(jìn)行地表沉陷的變形預(yù)測(cè)，對(duì)于規(guī)范中推薦的地表變形預(yù)測(cè)，可借鑒參考。

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TD31-03-2011）推薦的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和有限單元法對(duì)采空區(qū)的地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.3.1 預(yù)測(cè)模型、參數(shù)選取。

4.3.1.1 預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)外地表移動(dòng)研究表明，地表殘余移動(dòng)分布規(guī)律符合概率積分模型，可以近似采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算。

4.3.1.2 預(yù)測(cè)參數(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外采空區(qū)殘余移動(dòng)變形的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)采礦條件進(jìn)行選取。

4.3.1.3 預(yù)測(cè)計(jì)算簡(jiǎn)化公式。

最大沉降量： Wmax=ηm

最大剩余沉降量： W=αWmax

最大剩余傾斜量： i=W/r

最大剩余豎曲率： K=±1.52W/r2最大剩余水平位移： U=bW

最大剩余水平變形： ε=±1.52U/r

式中：η—為下沉系數(shù)，與礦層傾角、開(kāi)采方法和頂板管理方式有關(guān)，單層開(kāi)采時(shí)全部垮落法一般為0.6～0.8；多層重復(fù)開(kāi)采時(shí)最大可達(dá)0.95；m—采厚；r—地表主要影響半徑，其值與埋深（H）呈正比，與煤層影響角（β=70°）的正切值成正比。即：r=H/tgβ；b—水平移動(dòng)系數(shù)，取值范圍在0.25～0.35之間；α—綜合剩余沉降系數(shù)，根據(jù)地面調(diào)查、采礦調(diào)查、鉆探結(jié)果等因素綜合確定。

4.3.2 采空區(qū)殘余移動(dòng)變形計(jì)算。3-1號(hào)煤的平均采厚為3.2m，采深74.5～75m，房柱式開(kāi)采，頂板全陷式垮落法管理，煤層采取率約≥60%。根據(jù)鉆探成果，采空區(qū)目前幾乎全部塌陷。根據(jù)取芯情況，預(yù)計(jì)最大剩余沉降量可達(dá)總沉降量的10%（即α≤0.10）。由于屬單層開(kāi)采，且上覆巖層為軟弱巖，下沉系數(shù)取η=0.80，tgβ=2.75，r=27.3，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.35，估算的剩余變形量結(jié)果為：

最大沉降量： Wmax=2560.00mm

最大剩余沉降量： W=256.00mm

最大剩余傾斜量： i=9.37mm/m

最大剩余豎曲率： K=±0.52mm／m2

最大剩余水平位移： U=89.6mm

最大剩余水平變形： ε=±4.99mm/m

4.4 采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析評(píng)價(jià)

不同等級(jí)的公路與不同類(lèi)型的公路工程對(duì)地基的穩(wěn)定性要求不同，當(dāng)公路采空區(qū)剩余的地表變形量小于或等于公路工程的容許變形值時(shí)，對(duì)公路工程不會(huì)造成影響，當(dāng)公路采空區(qū)剩余的地表變形量大于公路工程的容許變形值時(shí)，對(duì)公路工程產(chǎn)生較大影響。

根據(jù)現(xiàn)行的部頒《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）表7.6.4-2條和《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 017-96）第5.1.2條的規(guī)定，以及根據(jù)交通部《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG D31-03-2011)表4-3采空區(qū)公路工程地質(zhì)容許變形值規(guī)定。綜合考慮煤礦采空區(qū)以及第四系不良工程地質(zhì)可能產(chǎn)生的地面下沉對(duì)公路運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和壽命的影響，對(duì)路基允許變形值規(guī)定如下：橋臺(tái)與路堤毗鄰處≤0.1m、涵洞或箱型通道處≤0.2m、一般路段≤0.3m、最大剩余傾斜量 i≤±4.0mm/m、最大剩余水平變形ε≤±3.0mm/m、最大剩余豎曲率 K≤±0.3mm／m2。

評(píng)估區(qū)采空區(qū)最大剩余沉降量為W=256.00mm、最大剩余傾斜量i=9.37mm/m、最大剩余豎曲率K=±0.52mm／m2、最大剩余水平變形ε=±4.99mm/m，各項(xiàng)指標(biāo)中最大剩余沉降量W滿(mǎn)足一般路基的要求，其余指標(biāo)稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道處≤0.2m的要求，綜上所述，該采空區(qū)對(duì)于一般路基目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于涵洞或箱型通道處于基本穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

5 采空區(qū)對(duì)路基的危害及治理方案建議

5.1 采空區(qū)對(duì)公路工程的危害性評(píng)價(jià)

煤層開(kāi)采之后形成的采空區(qū)因煤柱留設(shè)不合理、煤柱失效、頂板強(qiáng)度下降等原因，在神木縣乃至榆林多數(shù)煤礦均造成大范圍的地面塌陷。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截至2007年底，榆林市因煤炭開(kāi)采形成的采空區(qū)面積達(dá)339.57Km2，且以每年10Km2以上的速度增加；已塌陷面積64.25Km2，造成大量的地表設(shè)施損毀。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因煤礦采空區(qū)塌陷造成受災(zāi)戶(hù)已達(dá)2805戶(hù)9585人。地表塌陷直接損毀和影響房屋4500多間，損毀水澆地、旱地、林草地各數(shù)萬(wàn)畝。此外，還有道路、工廠、水壩、輸電線路等設(shè)施也被損壞。

由于采空區(qū)覆巖厚度大，塌陷后碎脹的巖石壓實(shí)擠密仍然需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，使采空區(qū)的沉陷將在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)高速公路的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生一定的危害。

采空區(qū)冒落塌陷對(duì)高速公路路基造成破壞表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5.1.1 造成公路路基下沉。

5.1.2 路基在下沉同時(shí)，將伴有水平方向的位移。垂直于路線方向的橫向移動(dòng)將改變路基原有的方向；沿路基縱向的水平變形，使路基受到拉伸和壓縮。由于這兩種移動(dòng)的不均勻性，會(huì)使高速公路坡度發(fā)生變化、豎曲線形態(tài)的變化和路線方向的變化等。

5.1.3 路基隨地表的下沉而下沉。因地表變形的不連續(xù)與無(wú)規(guī)律下沉，使得路面的原有坡度出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化。如果地表傾斜方向和路線坡度方向一致，路線坡度將增大；反之路線坡度將減小或形成反坡。路線坡度的增減，將使移動(dòng)盆地內(nèi)各段路線的運(yùn)行阻力有所增減，長(zhǎng)久運(yùn)行，路面會(huì)產(chǎn)生下沉[5]。

5.2 治理方案建議

采空區(qū)治理方案主要依據(jù)地表的變形特征、地質(zhì)與采礦特征等因素確定，該項(xiàng)目下伏采空區(qū)目前已經(jīng)基本完全塌陷，無(wú)剩余空洞，不會(huì)再發(fā)生冒落這樣的突然地面產(chǎn)生較大下沉的狀況，但因?yàn)檫€存在著采空區(qū)上覆基巖冒落之后形成架空結(jié)構(gòu)的空隙，在以后的時(shí)間里巖土體還存在著一定的壓實(shí)擠密的過(guò)程，從而產(chǎn)生一定的下沉量，但這個(gè)過(guò)程是長(zhǎng)期緩慢的，目前還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。由于評(píng)估項(xiàng)目下伏采空區(qū)的剩余變形量中的最大剩余沉降量W=256.00mm滿(mǎn)足一般路基的要求，其余指標(biāo)稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道處≤0.2m的要求，綜上所述，該采空區(qū)對(duì)于一般路基目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于涵洞或箱型通道處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。所以，對(duì)于治理方法，建議對(duì)一般路基可采用維修路基路面的方案，并持續(xù)進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，對(duì)于對(duì)變形比較敏感的構(gòu)造物（涵洞）部位采用注漿方法進(jìn)行處治。

維修方案是指在采空區(qū)路段可考慮先修建高速公路，然后在運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)該路段進(jìn)行路基路面修復(fù)，但該方案僅適用于剩余變形量較小，不會(huì)產(chǎn)生突然嚴(yán)重冒落的高速公路下伏采空區(qū)。

注漿法治理方案是在地面上打孔，通過(guò)注漿孔將水泥粉煤灰漿注入采空區(qū)和上覆巖層的裂隙中，在阻止上覆巖層進(jìn)一步的塌陷冒落的同時(shí)，消除上覆基巖因?yàn)閿D密固結(jié)而產(chǎn)生的沉陷變形。