晉陽高速公路改擴建工程下伏采空區(qū)穩(wěn)定性評價

李效廣，劉亞明

(1. 山西省交通開發(fā)投資集團有限公司 太原市 030006；2. 山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030032)

※基金項目：山西交通控股集團有限公司科技項目(20-JKKJ-55)，山西交通控股集團有限公司重點研發(fā)科技項目(20-JKKJ-2)

0 引言

近年來，隨著山西省高速公路建設(shè)的持續(xù)進行，多條高速公路不可避免地穿越采空區(qū)，采空區(qū)不良地質(zhì)作用成為了山西省高速公路建設(shè)不可避免的難題。自太舊高速公路修建以來，大量學(xué)者開展了公路穿越采空區(qū)方面的研究[1-7]。

晉陽高速公路是山西省“九五”公路建設(shè)的重點工程，是繼太舊高速公路之后的第二條高速公路，1997年建成通車，并于2009年9月完成大修工程。本次晉陽高速改擴建工程綜合考慮路網(wǎng)規(guī)劃，擴建形式主要有新建與加寬兩種類型，新建段在多處穿越采空區(qū)，對采空區(qū)上方擬建的橋梁、路基和邊坡造成了影響。在對晉陽改擴建工程新建段穿越采空區(qū)的地質(zhì)條件和要素特征充分查明的基礎(chǔ)上，針對不同類型采空區(qū)的特點，開展采空區(qū)的穩(wěn)定性研究，為晉陽改擴建工程的建設(shè)和后期安全運營提供一定的技術(shù)支持。

1 晉陽高速公路改擴建工程煤礦采空區(qū)分布情況

通過調(diào)查與實測、物探與鉆探等手段，探明晉陽高速公路改擴建工程沿線涉及到8座煤礦，分別為晉普山煤礦、吳王山煤業(yè)有限公司、華陽煤業(yè)、下掌煤礦、大樹煤礦、北西村小窯煤礦、堯溝村煤礦、溝西聯(lián)辦煤礦，具體分布情況及參數(shù)見表1。

表1 晉陽高速公路改擴建工程煤礦采空區(qū)分布情況表

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

采空區(qū)變形是一個復(fù)雜長期的過程，采空區(qū)地基穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、采礦條件、開采方式、采深、采厚、開采規(guī)模、開采時間等多種因素影響，參照工程實踐，本次采用的采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價方法有：巷道式采空區(qū)采用極限平衡法，不規(guī)則房柱式采空區(qū)采用采深采厚比法。

2.1 采深采厚比

沿線采空區(qū)多由村辦煤礦采用巷道式、房柱式等非正規(guī)開采方式開采，且開采年代己久，巷道分布無規(guī)律，采空區(qū)范圍無法實測，根據(jù)鉆孔揭露3號煤層厚度3.5～4.8m，9號煤層厚度1.3～1.7m，15號煤層厚度2～3m。對房柱式采空區(qū)采用采深采厚比法評價采空區(qū)場地穩(wěn)定性，評價標準見表2，評價結(jié)果見表3。

表2 不規(guī)則柱式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標準

表3 采深采厚計算評價結(jié)果表

根據(jù)判定結(jié)果，晉陽高速公路改擴建工程沿線房柱式采空區(qū)場地均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 極限平衡法

根據(jù)采空區(qū)專項調(diào)查及鉆探揭露，沿線采空區(qū)3#、9#煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，15#煤層頂板巖性為灰?guī)r。利用各鉆孔揭露地層資料，計算巷道頂板穩(wěn)定的臨界深度，松散土層的重度取值18.6kN/m3，巖石重度取27.5kN/m3，φ取值30°，巷道寬2～3m，交叉、拐角處寬度為5～6m。上覆巖土層平均重度γ=(18.6×h+27.5×H)/(h+H)kN/m3，橋梁P0=340kN/m2，路基P0=16kN/m2，臨界采深Hcr，可按式(1)計算。

松散巖體計算公式：

(1)

式中：B為采空區(qū)巷道寬度(m)；p0為公路路基基底壓力，包括行車荷載及路基、路面荷載(kPa)；γ為上覆巖層加權(quán)平均重度(kN/m3)；φ為上覆巖層加權(quán)平均內(nèi)摩擦角(°)。

對比采空區(qū)的實際埋藏深度及臨界深度，按下式可求得采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)Fs，按照《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)評價小窯采空區(qū)場地的穩(wěn)定性，單一巷道式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標準見表4。

(2)

式中：H為巷道頂板的實際深度(m)；Hcr為巷道頂板的臨界深度(m)。

表4 單一巷道式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標準

代入式(2)計算，各段落巷道穩(wěn)定性計算及評價結(jié)果見表5。

表5 巷道穩(wěn)定性計算評價結(jié)果表

2.3 地基穩(wěn)定性評價

沿線采空區(qū)多為村辦、鎮(zhèn)辦小型煤礦，以開采3#、9#、15#煤層為主，多為巷道式、房柱式開采。房柱式采空區(qū)，根據(jù)采深采厚比計算評價煤層采空區(qū)場地均為不穩(wěn)定，易引起地表非連續(xù)變形，且存在時間和空間上的不確定性，地基不穩(wěn)定，不滿足橋梁和路基的容許變形值。

溝西聯(lián)辦煤礦和華陽煤礦K22+600～K23+470段，路線范圍內(nèi)為巷道穿越，根據(jù)極限平衡法評價煤層采空區(qū)場地為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定，單一巷道對公路工程影響較小，且根據(jù)工程地質(zhì)類比法，該路段原晉陽高速公路路基未發(fā)現(xiàn)由采空引起的變形，采空區(qū)滿足路基的容許變形值。

2.4 綜合評價及處治方案建議

根據(jù)采空區(qū)專項調(diào)查、物探及鉆探等綜合分析，本項目采空區(qū)未垮落或垮落不充分，地表塌陷形式為不連續(xù)，具突發(fā)性、不可預(yù)測性，綜合各種因素，采用多種評價方法，結(jié)合工程類型的重要性等級，依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)進行綜合穩(wěn)定性評價，并提出處治建議。

根據(jù)采空區(qū)埋深及塌落特征，橋梁段淺層采空區(qū)采用樁基穿越法，如發(fā)現(xiàn)空洞及時用混凝土回填，橋梁段深層采空區(qū)和路基段推薦采用全充填壓力注漿法來處治采空區(qū)，未處治的路基段可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩(wěn)定性，路面設(shè)計可采用柔性材料，以滿足采空區(qū)剩余變形要求，并設(shè)置警示標志措施等，避免后期可能出現(xiàn)突發(fā)變形。

3 結(jié)論與建議

在對晉陽改擴建工程新建段穿越采空區(qū)的地質(zhì)條件和要素特征充分查明的基礎(chǔ)上，對晉陽高速公路改擴建工程沿線采空區(qū)進行了穩(wěn)定性評價，巷道式開采非充分采動條件下，采空區(qū)的穩(wěn)定性采用極限平衡法進行評價，房柱式開采非充分采動條件下，采空區(qū)的穩(wěn)定性采用采深采厚比進行評價，在此基礎(chǔ)上，對場地的穩(wěn)定性進行了綜合評價并給出了處治建議：

(1)晉陽高速公路改擴建工程沿線房柱式采空區(qū)場地均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)溝西聯(lián)辦煤礦和華陽煤礦路線范圍內(nèi)為巷道穿越，評價結(jié)果為基本穩(wěn)定～穩(wěn)定，單一巷道對公路工程影響較小，且根據(jù)工程地質(zhì)類比法，該路段原晉陽高速公路路基未發(fā)現(xiàn)由采空引起的變形，采空區(qū)滿足路基的容許變形值。

(3)橋梁段淺層采空區(qū)采用樁基穿越法，如發(fā)現(xiàn)空洞及時用混凝土回填，橋梁段深層采空區(qū)和路基段推薦采用全充填壓力注漿法來處治采空區(qū)，未處治的路基段可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩(wěn)定性，路面設(shè)計可采用柔性材料。