露天煤礦排土場地基處理方式分析

陳鳳閣

（中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，天津 300120）

大型露天煤礦排土場排土厚度多在百米以上，一般采用“由上向下，自然堆積，平整頂部，不斷延伸”的排放方式，排土未分層碾壓，均勻性差，長期處于欠固結(jié)狀態(tài)，沉降大，歷時時間長。針對排土場土石混合體的強度、滲透性等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多有意義的基礎(chǔ)性的研究[1-4]，排土場多通過土地復(fù)墾的方式實現(xiàn)再利用，很少進行工程建設(shè)。而礦區(qū)由于生產(chǎn)需要，在排土場建設(shè)輸煤系統(tǒng)、小型場地不可避免，該類建（構(gòu)）筑物重要性等級低，荷載小，變形要求不高，對全部填土深度范圍進行地基處理可行性差，亦無必要。如何在保證安全、維持運行、降低造價之間找尋平衡點，是該類項目地基處理方式選擇的關(guān)鍵，很多工程采用強夯、強夯置換、碎石樁等地基處理方式，取得了一定的效果[5-7]。為此，通過對露天煤礦排土場深厚拋填土特點進行分析，對一般地基處理原則進行探討，為后續(xù)工程建設(shè)提供參考。

1 排土場深厚拋填土特點分析

露天煤礦排土場為通過汽車等方式將采掘場內(nèi)煤層上覆土、巖運輸至固定位置拋填而形成，多呈土石混合狀態(tài)，其物理力學(xué)性質(zhì)和變形特性與常規(guī)意義上的第四紀(jì)堆積物有著明顯的區(qū)別，常具有如下特點：

1）排土場多采用“由上向下、機械拋填、平整頂部、不斷延伸”的排放方式，填土回填過程中沒有經(jīng)過人工分選，顆粒大小嚴(yán)重不均，顆粒間接觸不規(guī)則，且剝離巖層易風(fēng)化，浸水易軟化；填土孔隙發(fā)育，鉆機鉆進過程泥漿無法形成循環(huán)，漏漿異常嚴(yán)重；回填過程未采取分層碾壓等相關(guān)措施，導(dǎo)致密實度差異較大，土質(zhì)嚴(yán)重不均勻。

2）自卸堆積剝離巖物沿斜坡的滾落具有一定的分選性（粒度偏析現(xiàn)象），整體上來說大顆粒滾落到每一級邊坡坡腳位置，中等粒度分布在該級邊坡中部，較細顆粒留在頂部，但由于拋填土的性質(zhì)不一，平面上及垂直方向上的地層性質(zhì)變化很大。

3）拋填土顆粒骨架大小不一、性質(zhì)不同，相互之間接觸不規(guī)則，臨時穩(wěn)定后，在外力及雨水侵入等作用下極易發(fā)生二次變形。

4）在自身固結(jié)沉降以及雨水等的作用下，排土場形成后1～2 年是沉降集中發(fā)生的階段，隨著時間的推移，沉降速率逐漸趨緩。

5）汽車運輸使得每一級邊坡頂部一定深度范圍內(nèi)（汽車荷載影響深度）的拋填土體具有一定的壓實作用，且只限于汽車經(jīng)過區(qū)域，下部依靠自重固結(jié)，整體壓實度差，如此形成1 個排土分層。

6）排土場分為多層進行“拋填”覆土，每層厚度在30～40 m 左右，整個排土深度范圍內(nèi)相當(dāng)于多個排土分層，每個排土分層整體上由上而下顆粒逐漸變大，下部相對上部工程性質(zhì)相對較差，但由于拋填土水平及垂直方向的嚴(yán)重不均勻性，并無嚴(yán)格的規(guī)律性。

7）場地的沉降和差異沉降較大并長期存在，規(guī)律性差，難以準(zhǔn)確計算；生產(chǎn)過程中，排土場平面及豎向經(jīng)常產(chǎn)生變化，局部裂縫滲水、排水不暢匯集滲水等原因又加劇了排土場的差異沉降問題。

2 某原煤運輸系統(tǒng)地基處理實踐及問題分析

基于排土場深厚拋填土厚度大、不均勻、顆粒間穩(wěn)定性差等特點，僅對上部土層進行處理一般情況下無法滿足變形要求，而實現(xiàn)全部填土深度范圍的處理以達到處理后的地基同時滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性要求可行性較低，尤其是針對小型建設(shè)場地、非重要建（構(gòu)）筑物，目前多是采取措施對地基主要受力層深度范圍填土進行加固，滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求的前提下，通過建筑結(jié)構(gòu)、后期管理等措施降低對平均沉降的要求，最大限度地控制差異沉降，以達到使用要求。

2.1 工程建設(shè)條件

某原煤運輸系統(tǒng)位于大型露天煤礦內(nèi)排土場，主要建（構(gòu)）筑物包括轉(zhuǎn)載點、棧橋、機道等。根據(jù)搜集資料，1 號轉(zhuǎn)載點至2 號轉(zhuǎn)載點填土厚度在160 m左右，底部為二疊系砂巖，排土場分層填土厚度一般介于30～40 m，最后1 分層填土?xí)r間均在10 年以內(nèi)，其中1 號轉(zhuǎn)載點、破碎站區(qū)域最后1 分層填土?xí)r間最晚，為工程實施前2 個月完成。

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根據(jù)場地勘察資料，擬建場地地層主要為素填土，由礦坑開挖后搬運“拋填”而成，色雜，密實度差異大，稍濕，主要由砂巖、泥巖巖塊及少量煤矸石組成，局部以黏性土、風(fēng)化巖碎屑為主，鉆進過程塌孔、卡鉆、埋鉆現(xiàn)象時有發(fā)生。

2.2 地基處理方式及基礎(chǔ)沉降情況

考慮擬建建（構(gòu)）筑物等級、造價、工期等因素，確定場地地基處理方案時，僅對基底以下主要受力層范圍內(nèi)拋填土體進行加固，減少處理深度范圍內(nèi)拋填土體自身的沉降及差異沉降（直接影響擬建建（構(gòu)）筑物的變形），減少建（構(gòu)）筑物荷載引起的二次沉降。深層拋填土體的固結(jié)變形無法消除，允許擬建場地建成后繼續(xù)發(fā)生一定的沉降，通過提高基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的抗變形能力、編制后期加固維修預(yù)案、提升整體管理水平等方式來協(xié)調(diào)場地的沉降問題。

基于以上原則，僅對轉(zhuǎn)載點、棧橋等建（構(gòu)）筑物采用了表層強夯（8 000 kN·m）的地基處理方式，針對后期的沉降問題，按照可能出現(xiàn)的情況編制了應(yīng)急預(yù)案，明確了使用期間重點關(guān)注問題及緊急處置措施，主動作為減少周邊裂縫、滲水等原因造成的沉降隱患，使其滿足使用功能要求。

主要建（構(gòu)）筑物于2019 年9 月完成基礎(chǔ)施工，開始進行沉降觀測，期間由于上部結(jié)構(gòu)施工時觀測點整體遭到損壞，重新設(shè)置觀測點，分前后2 個階段進行統(tǒng)計。第1 階段主要建（構(gòu)）筑物沉降統(tǒng)計見表1，第2 階段主要建（構(gòu)）筑物沉降統(tǒng)計見表2。表中：單體最大差異沉降為當(dāng)次觀測沉降最大值與最小值之差；單體平均沉降為各階段最后1 次觀測與初次觀測觀測點平均標(biāo)高變化情況，正數(shù)表示下沉。

表1 第1 階段主要建（構(gòu)）筑物沉降統(tǒng)計

表2 第2 階段主要建（構(gòu)）筑物沉降統(tǒng)計

根據(jù)觀測結(jié)果，各單體建（構(gòu)）筑物均產(chǎn)生了較大的沉降，且沉降仍在繼續(xù)，整體尚未達到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，但沉降速率逐漸趨緩；除2 號轉(zhuǎn)載點因距離邊坡坡頂較近，受豎向沉降及水平變形雙重作用，差異沉降仍在持續(xù)發(fā)展，其余單體建（構(gòu)）筑物差異沉降整體處于逐漸減緩的趨勢。

2 號轉(zhuǎn)載點室外消防管路埋設(shè)施工期間，發(fā)現(xiàn)東南側(cè)筏板基礎(chǔ)與地基土局部出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，也說明地基在持續(xù)產(chǎn)生沉降及差異沉降。建設(shè)后期及使用期間及時對周邊裂縫等進行了處理，對局部地基基礎(chǔ)脫離進行了灌漿，并要求根據(jù)排土場生產(chǎn)情況適時調(diào)整場地為豎向布置，保證有效的截排水措施。目前該工程驗收運行至今已近2 年，項目整體運行情況良好。

2.3 沉降原因分析

根據(jù)現(xiàn)場情況分析，擬建原煤運輸系統(tǒng)沿線地基產(chǎn)生不同程度的沉降及差異沉降的主要原因為：

2）場地建設(shè)以及附近排土場排土等原因?qū)е轮苓叚h(huán)境變化較大，而當(dāng)年雨季雨量較大，局部截排水措施未及時進行調(diào)整造成排水不暢匯集，且場地及周邊地表出現(xiàn)裂縫后未及時對裂縫進行處理，雨水匯集下滲加劇了場地的沉降及差異沉降。

3）2 號轉(zhuǎn)載點區(qū)域差異沉降最為明顯，除拋填土自身豎向沉降外，該區(qū)域距離邊坡較近，邊坡水平變形也加劇了轉(zhuǎn)載點基礎(chǔ)變形。

4）機道沿線周邊排土點持續(xù)排土，在附加應(yīng)力作用下，加劇了周邊建（構(gòu)）筑物的沉降。

3 地基處理原則

深厚拋填土場地建造非重要建（構(gòu)）筑物，僅通過地基處理方式進行一次性徹底治理難度大、造價高，采用合理的平面布置、采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧σ欢ㄉ疃确秶钔吝M行加固，并結(jié)合基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)以及后續(xù)使用期間的維護加固措施，可實現(xiàn)建（構(gòu)）筑物功能的正常使用。

1）優(yōu)化平面布置，協(xié)調(diào)排土計劃。擬建建（構(gòu)）筑物平面布置時應(yīng)盡量避免位于2 年以內(nèi)回填土場地，與邊坡保持安全距離，并與礦方溝通排土計劃，使新排土場地位于影響范圍以外，以減少拋填土前期劇烈沉降、邊坡變形以及新排土場地引起的附加應(yīng)力的影響。降低水害對建（構(gòu)）筑物沉降的影響，應(yīng)做好周邊的截排水工作，并根據(jù)排土場生產(chǎn)情況及時調(diào)整排水方案，使雨水等順利排離開。

2）建立地基處理、結(jié)構(gòu)措施配合后期維修加固的整體處理理念。地基土均存在一定的壓縮性，在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)剛度不變的情況下，地基土越軟弱，基礎(chǔ)的相對撓曲和內(nèi)力就越大[8]，產(chǎn)生差異沉降的幾率就越大，增加主要受力層范圍內(nèi)地基的剛度可以有效減少差異沉降。對于轉(zhuǎn)載點、棧橋等建（構(gòu)）筑物，可采用高（超高）能級強夯結(jié)合上部一定厚度加筋土墊層的地基處理方式，對于長距離的輸煤帶式輸送機基礎(chǔ)，可采用中等能級強夯的地基處理方式，以增加地基主要受力層范圍內(nèi)地層的剛度，減少差異沉降?；A(chǔ)設(shè)計在增加基礎(chǔ)剛度的同時，對高棧橋等構(gòu)筑物可考慮設(shè)置基礎(chǔ)變形調(diào)節(jié)裝置，以實現(xiàn)發(fā)生差異沉降后的變形調(diào)節(jié)功能。使用期間發(fā)生差異沉降后，應(yīng)采取對應(yīng)的維修加固措施?？稍谧冃握{(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，采用陶土糾偏、水平或豎向注漿加固等處理方式；對于長距離的運煤帶式輸送機基礎(chǔ)等，可采用調(diào)整地腳螺栓長度或增加墊塊的設(shè)備基礎(chǔ)調(diào)整方式。

3）樹立全過程管理的理念。對深厚拋填土場地，地基處理無法一次到位，只能通過相關(guān)措施來減緩沉降及差異沉降對建（構(gòu)）筑物的影響，并且由于沉降的發(fā)展是長期的，進行地基加固可能要經(jīng)過多次才能趨于穩(wěn)定。即在通過以上措施滿足地基承載力及穩(wěn)定性要求的前提下，通過工程的全過程管理實現(xiàn)變形的全過程管控，以滿足使用功能要求。因此在編制項目設(shè)計文件時，應(yīng)同時編制使用期間出現(xiàn)不同程度沉降和差異沉降時的應(yīng)急加固預(yù)案，明確使用期間周邊平面變化、人員巡查巡視重點內(nèi)容等要求，使管理人員熟悉了解可能出現(xiàn)的問題，尤其重視局部裂縫滲水、排水不暢匯集滲水等造成的差異沉降問題，以便使用過程中做到遇見問題及時處理，避免影響建（構(gòu)）筑物功能的正常使用。

4 結(jié)語

1）排土場深厚拋填土的性質(zhì)決定了場地的沉降和差異沉降長期存在，規(guī)律性差，難以準(zhǔn)確計算。

2）深厚拋填土場地建造非重要建（構(gòu)）筑物，進行一次性徹底治理難度大、造價高，采用合理的平面布置、采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧┎⒔Y(jié)合基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及后續(xù)使用期間的維護加固措施，可使地基承載力及穩(wěn)定性滿足建（構(gòu)）筑物使用要求。

3）對深厚拋填土場地，考慮可行性、造價等因素，地基處理無法一次到位，應(yīng)提高使用期間的管理能力，建立全過程的變形監(jiān)測體系、巡查巡視體系，樹立全過程管理的理念，以實現(xiàn)變形的全過程管控。