某高速穿越采空區(qū)段地質(zhì)選線(xiàn)研究

朱俊霖

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

近年來(lái)，隨著高速公路網(wǎng)的加密，新增高速路線(xiàn)走廊的選擇受到既有高速公路網(wǎng)布局和擬建高速銜接功能定位的限制，尤其在遇到采空區(qū)此類(lèi)面域較大的不良地質(zhì)時(shí)，路線(xiàn)可選走廊狹窄，往往難以完全繞避大型采空區(qū)。因此，針對(duì)采空區(qū)采用綜合勘探手段，分析場(chǎng)地穩(wěn)定性及工程建設(shè)適宜性，為路線(xiàn)方案在采空區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行工程地質(zhì)比選，并提出合理的治理措施尤為關(guān)鍵[1]。本文以川東南地區(qū)某擬建高速為例，通過(guò)對(duì)采空區(qū)的綜合勘探與研究，得到了路線(xiàn)穿越采空區(qū)段的較優(yōu)方案。

1 工程概況

擬建高速位于四川省東南部，總體呈東西走向，為新增規(guī)劃的高速聯(lián)絡(luò)線(xiàn)之一，對(duì)于完善川渝兩地高速連接網(wǎng)絡(luò)，融入成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈具有重要意義。路線(xiàn)起于自貢市沿灘區(qū)，跨越沱江后在富順縣與S66自隆高速交叉，止于四川與重慶交界處，路線(xiàn)全長(zhǎng)54.65km。

2 采空區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

調(diào)查區(qū)位于隆昌市山川鎮(zhèn)與瀘縣嘉明鎮(zhèn)之間，地處梯子崖背斜，整體為北東—南西向延展的長(zhǎng)條狀山嶺，山脊及兩側(cè)斜坡區(qū)域地形坡度較大，余下地形較為平緩，為構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌。

2.2 地層巖性

調(diào)查區(qū)內(nèi)出露地層由新至老為第四系（Q），侏羅系中統(tǒng)新田溝組（J2x）、侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2zl）、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1zh）以及三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）。

區(qū)內(nèi)可開(kāi)采煤層主要為須家河組第五段中的外山炭、內(nèi)山炭，以及第三段的石包炭、厚炭，平均厚度0.33～0.54m，局部夾矸?；?guī)r礦層賦存于侏羅系中下統(tǒng)自流井組大安寨段，由灰色泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等組成，平均厚度約2.50m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

調(diào)查區(qū)沿線(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造形跡相對(duì)簡(jiǎn)單，主要為北東—南西向構(gòu)造帶，以梯子崖背斜、黃泥埡斷層為主。背斜核部平緩，由須家河組構(gòu)成。兩翼不對(duì)稱(chēng)，地層為珍珠沖組、上沙溪廟組，北西翼傾角15°～20°，南東翼傾角40°～70°，呈單箱狀，以珍珠沖組為標(biāo)準(zhǔn)層圈閉構(gòu)造，核部被黃泥埡壓性逆斷層破壞，次級(jí)斷層、褶曲不甚發(fā)育。

3 采空區(qū)勘察結(jié)果

3.1 資料收集

調(diào)查區(qū)內(nèi)采煤歷史悠久，規(guī)模性煤礦較多，擬建公路沿線(xiàn)穿越隆昌煤礦井田、瀘縣馬園煤礦、嘉明煤礦、石燕煤礦、大眾煤礦等，上述礦山開(kāi)采須家河組第五段和第三段煤層且形成了大面積采空區(qū)，開(kāi)采方式均以長(zhǎng)壁式開(kāi)采為主，早年存在不規(guī)則柱式開(kāi)采，自然垮落法管理頂板，各煤礦自1990年至2015年陸續(xù)關(guān)閉。

此外，調(diào)查區(qū)內(nèi)擬建公路附近多處進(jìn)行過(guò)石灰?guī)r開(kāi)采，老窯分布眾多，此類(lèi)老窯多由私人承包開(kāi)挖，因開(kāi)采難度增加、礦石質(zhì)量差、資源枯竭等問(wèn)題而陸續(xù)關(guān)閉，各老窯基本在2000年前后停止開(kāi)采，廢棄時(shí)間達(dá)20年以上。

依據(jù)各礦山關(guān)閉前最新采掘工程平面圖，各路線(xiàn)均未穿越石灰?guī)r礦山，K線(xiàn)K40+030～K42+700段穿越大眾煤礦、嘉明煤礦以及馬園煤礦，C2線(xiàn)C2K40+660～C2K42+800 段穿越大眾煤礦、石燕煤礦以及馬園煤礦，C4 線(xiàn)C4K40+060～C4K42+370段穿越大眾煤礦、嘉明煤礦。擬建路線(xiàn)與各礦山采空區(qū)相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 擬建路線(xiàn)采空區(qū)分布示意

3.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，區(qū)內(nèi)石灰?guī)r礦層地表露頭多位于山脊之上，采空區(qū)淺埋段多無(wú)人居住，地表沒(méi)有發(fā)現(xiàn)陷落、臺(tái)階和裂縫等現(xiàn)象，現(xiàn)階段整體較穩(wěn)定。煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)房屋整體結(jié)構(gòu)基本完好，未發(fā)生明顯的由煤礦采空區(qū)引起的地面塌陷、沉降、開(kāi)裂等不良地質(zhì)現(xiàn)象，區(qū)內(nèi)既有的公路及鐵路也未出現(xiàn)明顯的下沉、變形或開(kāi)裂現(xiàn)象，既有橋隧等構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)也保存較完好，如圖2、圖3所示。

圖2 采空區(qū)內(nèi)磚混樓房

圖3 既有隧道

3.3 物探測(cè)試

為進(jìn)一步查明煤層采空區(qū)的空間分布，本次工作利用瞬變電磁法對(duì)初步圈定的采空區(qū)影響范圍進(jìn)行物探測(cè)試，共布置瞬變電磁法測(cè)線(xiàn)22 條，長(zhǎng)度共計(jì)29.4km，點(diǎn)間距為20m，對(duì)采空巷道密集區(qū)間距適當(dāng)加密，測(cè)點(diǎn)共計(jì)1492個(gè)。

物探測(cè)試共劃出41個(gè)異常，除大眾煤礦禁采區(qū)舊巷積水以及斷層破碎帶的綜合電性反應(yīng)外，其余異常均推測(cè)為采空區(qū)引起的電性異常，經(jīng)對(duì)比，物探探測(cè)采空區(qū)異常反應(yīng)和收集采空區(qū)資料基本一致。

3.4 地質(zhì)鉆探

根據(jù)物探解譯成果與收集資料綜合分析，并結(jié)合路線(xiàn)方案與采空區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系，共布設(shè)6個(gè)鉆探分析驗(yàn)證點(diǎn)。其中4個(gè)鉆探點(diǎn)在采取巖芯中含木屑等雜質(zhì)或鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)掉鉆、漏漿，鉆探異常位置與物探解譯的異常區(qū)基本一致。另2個(gè)鉆探點(diǎn)在物探異常區(qū)段取芯破碎，推測(cè)因鉆孔直徑一般較小，可能未坐落于采空巷道上方，鉆進(jìn)取芯段落位于采空巷道側(cè)壁或影響帶內(nèi)[2]。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性及工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

4.1 覆巖破壞高度計(jì)算

路線(xiàn)所穿越的各煤礦采空區(qū)均采用自然垮落法管理頂板，未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填等處理。根據(jù)已有資料，覆巖飽和抗壓強(qiáng)度多在20～40MPa，部分小于20MPa，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）[3]中附表對(duì)煤層開(kāi)采形成的冒落帶和裂隙帶進(jìn)行計(jì)算。

冒落帶高度：

裂隙帶高度：

式中：Hm——冒落帶最大高度（煤層法線(xiàn)高度），m；

Hli——裂隙帶最大高度（煤層法線(xiàn)高度），m；

∑M——累計(jì)采厚，m。

根據(jù)區(qū)內(nèi)煤層厚度及開(kāi)采礦山資料，將∑M取值綜合考慮為1.2m[4]，帶入式（1）、式（2），得到Hm=4.26m，Hli=27.34m。

4.2 采空區(qū)地表移動(dòng)變形計(jì)算

根據(jù)已有煤礦資料及鄰近工程資料，區(qū)內(nèi)覆巖可劃分為中硬巖，按照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044-2014）[5]表H.0.8-1 及《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）[6]，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 移動(dòng)變形計(jì)算主要參數(shù)

根據(jù)上述煤礦采空區(qū)的主要變形參數(shù)，采用《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03-2011）[3]附錄D中公式，計(jì)算各煤礦采空區(qū)的主要變形參數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各煤礦采空區(qū)移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果

本次地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間T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）[3]中附錄D 表D.0.3-1中列出煤炭行業(yè)規(guī)程推薦地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間的回歸關(guān)系式來(lái)計(jì)算。礦山總移動(dòng)延續(xù)時(shí)間采用T=2.5H0來(lái)確定，H0取最大開(kāi)采深度300m，則各礦山最大延續(xù)時(shí)間T=750d。

根據(jù)上述計(jì)算，各礦山最大延續(xù)時(shí)間T=750d，而調(diào)查區(qū)關(guān)閉礦山的最短時(shí)間也已大于4年，其延續(xù)時(shí)間t=1460d，t/T＞1，下沉量=1，即最大下沉量與現(xiàn)階段下沉量相當(dāng)，因此判定本區(qū)關(guān)閉礦山的剩余下沉量為0。

4.3 采空區(qū)穩(wěn)定性綜合判斷

各煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性根據(jù)形成的采空區(qū)地質(zhì)平縱面、停采時(shí)間及計(jì)算成果，按照《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03-2011）[3]，采空區(qū)與停采的年限及采深采厚比的關(guān)系見(jiàn)表3、表4。

表3 按照停采時(shí)間確定長(zhǎng)壁式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表4 不規(guī)則柱式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

區(qū)內(nèi)煤礦主要為長(zhǎng)壁式開(kāi)采，但考慮到開(kāi)采年限較為久遠(yuǎn)，資料記載不詳實(shí)，同時(shí)調(diào)查訪(fǎng)問(wèn)中發(fā)現(xiàn)部分礦山也存在不規(guī)則柱式開(kāi)采的情況，所以參照不規(guī)則柱式采空區(qū)進(jìn)行采深采厚比計(jì)算，也作為穩(wěn)定性綜合判定的因素之一。

此外，通過(guò)采深采厚比計(jì)算穩(wěn)定條件下的煤層采空區(qū)頂板的安全厚度：

式中：H——頂板的安全厚度，m；

M——礦層采高或煤層綜合作用厚度，此處取1.2m；

K——安全系數(shù)，取120；

通過(guò)上述計(jì)算，穩(wěn)定條件下的煤層采空區(qū)頂板安全厚度H=144m，結(jié)合川南地區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性判斷的經(jīng)驗(yàn)值，本次煤層采空區(qū)安全厚度綜合考慮取值為150m。

4.4 各路線(xiàn)方案工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)的綜合判斷，并以停采年限為基礎(chǔ)，以移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果、采深采厚比為量化指標(biāo)，K線(xiàn)K40+700～K42+500段為采空區(qū)不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定段，長(zhǎng)度約1.8km，影響段落內(nèi)構(gòu)筑物主要為2座橋梁及1座隧道；C2線(xiàn)C2K42+000～C2K43+800段為采空區(qū)不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定段，長(zhǎng)度約1.8km，影響段落內(nèi)構(gòu)筑物主要為1座隧道；C4線(xiàn)C4K40+850～C4K42+250段為采空區(qū)不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定段，長(zhǎng)度約1.4km，影響段落內(nèi)構(gòu)筑物主要為1 座橋梁。擬建公路穿越賦礦地層及采空區(qū)段落近6km，影響段落為1.4～1.8km，總體處于基本適宜區(qū)，但需要對(duì)不穩(wěn)定段落進(jìn)行處置后方可進(jìn)行建設(shè)。

4.5 路線(xiàn)方案比選

K線(xiàn)、C2線(xiàn)均為項(xiàng)目隧道方案，隧道長(zhǎng)度、工程地質(zhì)條件及采空區(qū)影響段落長(zhǎng)度基本相當(dāng)，K線(xiàn)需進(jìn)行采空區(qū)處置的構(gòu)筑物多出2座橋梁；C4線(xiàn)為明線(xiàn)方案，影響段落相較于K線(xiàn)、C2線(xiàn)減少400m，主要影響的構(gòu)筑物為1座橋梁。隧道方案在采空區(qū)的處置相對(duì)更為復(fù)雜，同時(shí)還存在瓦斯等不良地質(zhì)。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，公路勘察設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避讓采空區(qū)，難以避讓時(shí)宜以一般路基方式通過(guò)，對(duì)路基進(jìn)行加固處理，并采取抗變形措施，同時(shí)采取柔性路面設(shè)計(jì)。依據(jù)采空區(qū)綜合勘察成果，在工程地質(zhì)條件上，該項(xiàng)目C4線(xiàn)優(yōu)于C2線(xiàn)，C2線(xiàn)優(yōu)于K線(xiàn)[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目走廊帶較狹窄，煤礦及石灰石采空區(qū)呈片狀分布，小型石灰井、私采小煤窯采空區(qū)無(wú)序雜亂分布，給選線(xiàn)帶來(lái)了較大難度，選線(xiàn)時(shí)需要做到以下幾點(diǎn)要求：

（1）對(duì)采空區(qū)的調(diào)查應(yīng)在充分分析地質(zhì)基本概況、收集已有礦山資料的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查及走訪(fǎng)，并通過(guò)物探、鉆探等手段進(jìn)行綜合勘察，為路線(xiàn)選擇提供地質(zhì)依據(jù)。

（2）路線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的完全繞避時(shí)，應(yīng)選擇影響段落最小的方案，并宜選擇以一般路基形式通過(guò)為主的方案。

（3）采空區(qū)作為隱蔽于地下的不良地質(zhì)，在勘察設(shè)計(jì)階段雖選擇了相對(duì)較優(yōu)的路線(xiàn)方案，但在項(xiàng)目建設(shè)期間及建成后仍應(yīng)加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理。