北方某高速公路路基下伏采空區(qū)穩(wěn)定性評價及處治方案研究

賈 濤

(中鐵投資集團有限公司 北京市 100071)

近年來,公路建設(shè)持續(xù)推進。部分公路不可避免地穿越采空區(qū),因此在采空區(qū)內(nèi)建設(shè)公路存在諸多難點,需要針對采空區(qū)的規(guī)模、空間分布、路基參數(shù)等特征選取適宜的處治方案[1]。

1 工程概況

K54+300～K54+725區(qū)段為遼寧省新修高速道路的填土段,路堤高度介于6～10m,地處本溪市本溪滿族自治縣的堿廠鎮(zhèn)王家崴子村域內(nèi)。此路段部分路堤橫跨煤礦采空區(qū),區(qū)域內(nèi)交通便捷。

2 勘察方法

該空洞區(qū)域勘測主要利用工程地質(zhì)繪圖調(diào)查、坑道勘察和現(xiàn)場測試等技術(shù),應(yīng)用華測RTK91系統(tǒng)對鉆探點的地理坐標進行精準控制。同時,從各個地質(zhì)層面獲取典型土石樣本,用以進行室內(nèi)分析試驗。基于既往勘察和物理勘探數(shù)據(jù),進一步部署密集的物理探測作業(yè),在該區(qū)域運用彈性波頻率共振技術(shù)和高密度電阻率法等方法進行測線探測,設(shè)置了11條垂直探測剖面和7條橫向剖面,線間距為13m,點間距通常為10m,對于異常區(qū)段則縮短至5m。此過程中,彈性波頻率共振法累計完成1289個測點,總長11304m,高密度電阻率法完成699個測點,總長6500m,具體見圖1。

圖1 物探布置示意圖

從探測結(jié)果可知,采空區(qū)分布在K54+400～K54+700段落范圍內(nèi),在線路區(qū)下部20～30m處發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)雙管單動鉆具對物探異常區(qū)進行鉆探驗證,該處異常為節(jié)理裂隙發(fā)育和局部夾煤層導(dǎo)致的巖體破碎,具體見圖2。

圖2 采用雙管單動鉆具鉆出的完整巖芯

根據(jù)物探結(jié)果,結(jié)合鉆孔驗證發(fā)現(xiàn),采空區(qū)為2條煤礦巷道,平均埋深約11m,采空區(qū)高2m。

3 公路釆空區(qū)穩(wěn)定性評價

3.1 剩余變形量預(yù)測計算

根據(jù)鉆探揭露采空頂板情況來看,該段采空區(qū)目前并未完全垮落,而是形成了懸頂。依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》以及《礦山開采沉陷學(xué)》等相關(guān)規(guī)程,上述空洞區(qū)域地面移動變形的極限值可通過式1～式5得出:

(1)地表最大下沉量(mm)

Wmax=mqcosα

(1)

式1中:m表示挖掘的煤炭厚度,單位為m;q為下沉系數(shù),需通過查詢數(shù)據(jù)表確定;α指煤礦層的傾角,單位為(°)。

(2)地表最大傾斜值(mm/m)

Imax=Wmax/r=Wmax/(H/tgβ)

(2)

式2中:r代表地面在采空區(qū)邊界受影響的主要范圍的半徑,單位為m;H為采空區(qū)底板的深度;β為主要的開采影響角,需通過查閱數(shù)據(jù)表確定數(shù)值。

(3)地表曲率最大值(mm/m2)

Kmax=±1.52Wmax/r2

(3)

(4)最大水平變形值(mm/m)

εmax=±1.52bWmax/r

(4)

(5)地表最大水平移動(mm)

Umax=bWmax

(5)

式4和式5中:b為水平移動系數(shù),通過查表取值。

未垮落完成采空區(qū)處的地表移動變形最大值詳見表1。

表1 未垮落完成采空區(qū)處地表移動變形表

空洞區(qū)域的剩余空隙率可以借助孔中空洞和裂縫分布情況的勘查統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定:即將孔內(nèi)空洞與裂縫的平均發(fā)展高度與采礦層開掘厚度的比值視為空隙率。通過剩余空隙率計算地表移動變形剩余值,具體見表2:

表2 剩余空隙率計算地表移動變形剩余值表

3.2 公路釆空區(qū)穩(wěn)定性評價及危害程度評價

采用不同方式進行場地穩(wěn)定評估時,需兼顧多種因素,包括開采技術(shù)、作業(yè)周期以及采空區(qū)的類別、尺寸、覆蓋層厚度、采深采厚比和巖層性質(zhì)等。對于長壁全陷法開采煤礦,可采用停采時間、地表剩余下沉量、采深采厚比作為評價依據(jù),而針對單巷道作業(yè)方式,地面殘余形變值則是可供參考的評估標準。

3.2.1相關(guān)評價標準

(1)按照開采條件判別法確定釆空區(qū)穩(wěn)定性的規(guī)定

采用長壁全陷法開采的采空區(qū)域,地面位移和形變與停止開采的時長緊密相關(guān)。通常情況下,未進行開采時間越長,地面的位移和形變越趨向平衡[2],評價標準見表3。

表3 按采空區(qū)停采時間確定穩(wěn)定性評價標準表

大量的地表形變監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,使用長壁全陷法開采時,地面的形變持續(xù)期主要受覆巖性質(zhì)和采深采厚比影響?；诓缮畈珊癖?可以確定采空區(qū)穩(wěn)定性的級別評定標準,具體如表4所示。

表4 按釆深釆厚比確定采空區(qū)穩(wěn)定性等級評價標準表

(2)根據(jù)地表移動變形值確定采空區(qū)穩(wěn)定性的規(guī)定

地表移動延續(xù)期可分為初始期、活躍期和衰退期三個階段[3]。伴隨著采礦作業(yè)停止開采時間遞延,地表剩余移動變形值逐漸減小,采空區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定,因此以地表剩余移動變形值來評估采空區(qū)穩(wěn)定性的方法較為直觀。

根據(jù)地表位移及變形數(shù)據(jù),表5列出了長壁式采空區(qū)穩(wěn)定性級別的評價標準。

表5 按地表移動變形值確定長壁式釆空區(qū)穩(wěn)定性等級評價標準表

3.2.2釆空區(qū)場地穩(wěn)定性評價

(1)根據(jù)開釆條件判別法進行場地穩(wěn)定性評價

按照停采時間、開采方式、采深采厚比、覆巖性質(zhì)等評價指標,根據(jù)采掘平面圖確定煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性等級。

開釆條件判別法穩(wěn)定性評價見表6。

表6 開釆條件判別法穩(wěn)定性評價表

(2)根據(jù)地表變形預(yù)測法進行場地穩(wěn)定性評價

根據(jù)采空區(qū)處地表移動變形剩余值評價場地穩(wěn)定性,具體見表7。

表7 采空區(qū)處地表移動變形剩余值評價場地穩(wěn)定性表

3.3 釆空區(qū)路基工程危害程度評價

該工程涉及的快速通道為甲級道路,遵照現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)中第7.7.1條,針對該段道路在設(shè)計使用年限內(nèi)出現(xiàn)的剩余沉降(即施工完成后的沉降)提出如下標準限值:靠近橋梁部分的基礎(chǔ)沉降要求控制在0.1m內(nèi),對于涵洞或箱式通道區(qū)域沉降限度為0.2m,而道路區(qū)域的沉降則通常限制在0.3m內(nèi)。同樣,在《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)表4.2.2中,對已開采區(qū)域內(nèi)的甲級道路地基所允許的變形指標也做出明確限定[4],其中傾斜度i宜≤±4.0mm/m,水平位移ε宜≤±3.0mm/m,曲率K宜≤±0.3mm/m2。

根據(jù)以上標準及采空區(qū)剩余變形值計算結(jié)果,對采空區(qū)路基的穩(wěn)定性評價見表8。

表8 采空區(qū)路基穩(wěn)定性評價表

4 釆空區(qū)處治方案

4.1 防治等級與標準

4.1.1防治工程等級

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)規(guī)定,須對高速公路路基采取二級保護措施。同時按照《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》要求,應(yīng)將高速公路列入一級保護區(qū)域。綜合分析確定該項目保護等級為一級。

4.1.2采空區(qū)治理工程設(shè)計選取標準

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)和《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)對采空區(qū)公路地表容許變形值的規(guī)定如表9所示。

表9 公路采空區(qū)地表變形容許值表

根據(jù)上述規(guī)定,選取路基采空區(qū)治理設(shè)計標準如下:傾斜值i≤±3.0mm/m;水平變形ε=±2.0mm/m;豎曲率K≤±0.2mm/m2。

4.2 采空區(qū)處治設(shè)計

4.2.1處治方案

K54+300～K54+725段煤礦采空區(qū)治理采用水泥粉煤灰漿液充填方案,方案設(shè)計詳見圖3～圖4。

圖3 采空區(qū)治理設(shè)計平面圖

圖4 采空區(qū)治理設(shè)計斷面圖

4.2.2主要設(shè)計參數(shù)

(1)注漿材料:應(yīng)用于注漿工序的材料包括水泥、粉煤灰及各類添加劑等。

(2)水泥及粉煤灰混合液配比方案:水固比為1∶1.2,依據(jù)實際注漿工況可調(diào)節(jié)混合液的稀稠度,水泥占固相的20%,粉煤灰占固相的80%。

(3)注漿壓力:需根據(jù)工地注漿實驗確定,并以地面不得隆起作為控制標準。注漿時施加的壓力應(yīng)控制在有效止?jié){段上部巖體自重的1倍范圍內(nèi),終孔壓力不宜超過1.2～1.5MPa。路基下伏采空區(qū)注漿壓力宜控制在1.0～1.5MPa。

(4)漿液充填率η:充填率規(guī)范取值范圍為80%～95%,在規(guī)范允許范圍內(nèi)路基取值為85%。

(5)漿液結(jié)石率c:漿液結(jié)石率規(guī)范取值為70%～95%,在規(guī)范允許范圍內(nèi)路基取值為75%。

4.2.3治理范圍

(1)治理長度

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》第6.2.2條規(guī)定,采空區(qū)的管理長度必須涵蓋公路鋪設(shè)路徑上方實際采空區(qū)部分的長度,也應(yīng)包括地面巖石層變形影響角所涉及的周邊區(qū)域,計算示意圖見圖5。

圖5 采空區(qū)處治長度計算示意圖

K54+300～K54+725段的采空區(qū)上部第四系地層移動角為40°,β為70.5°,γ為77°,注漿治理區(qū)治理長度具體見表10。

表10 注漿治理區(qū)治理長度表

(2)治理寬度

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》相關(guān)公式進行計算,采空區(qū)的治理寬度通常取路基寬度+維護帶寬度,具體見圖6。

圖6 采空區(qū)處治寬度計算示意圖

對于K54+300～K54+725段的采空區(qū),圍護帶寬度設(shè)定為10m?；诘刭|(zhì)勘探結(jié)果,采空區(qū)上部第四系地層移動角為40°,β為70.5°,γ為77°,詳見表11。

表11 治理區(qū)治理寬度表

4.2.4帷幕孔、注漿孔及檢查孔布設(shè)

(1)帷幕孔布設(shè)

帷幕孔是采空區(qū)處理區(qū)域最外側(cè)排列的一排孔,孔間隔設(shè)定為3～12m。

(2)注漿孔布設(shè)

填注漿孔的分布沿道路中央及兩旁,呈梅花形式排列,注漿孔排距為5～10m,孔距為3～10m。

(3)檢查孔布設(shè)

為檢查施工質(zhì)量,在治理區(qū)域內(nèi)按照范圍大小設(shè)置不同數(shù)量的檢查孔。

(4)孔深

鉆孔深度取地表至采空區(qū)底部1m以下位置。治理區(qū)鉆孔統(tǒng)計見表12。

表12 治理區(qū)鉆孔統(tǒng)計表

4.2.5采空區(qū)注漿量計算

根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》(JTG/T D31-03—2011)規(guī)定,確定采空區(qū)灌漿總需求量,按照式6計算:

(6)

式6中:Q總為采空區(qū)總注漿量;S表示采空區(qū)治理面積(m2);A為漿液損耗系數(shù),取1.0～1.2;m為礦層平均采出厚度(m);K為回采率(%);ΔV為采空區(qū)剩余孔隙率(%);η為充填率(%),在85%～95%范圍內(nèi)選取,此次取95%;c為漿液結(jié)石率(%),需通過試驗得出,若缺乏試驗數(shù)據(jù),可取值介于70%～95%;α為巖層傾角(°)。

經(jīng)計算,K54+510～K54+635路基段采空區(qū)注漿總量為13754m3。

5 結(jié)論

綜上,在公路路基采空區(qū)處治設(shè)計過程中,應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料、采空區(qū)實際規(guī)模形態(tài)等因素對采空區(qū)進行穩(wěn)定性評價。評價若為“不穩(wěn)定”或“欠穩(wěn)定”時,應(yīng)對采空區(qū)進行處治,以保證高速公路安全。處治時應(yīng)根據(jù)地質(zhì)資料及相關(guān)規(guī)范,計算選取合適的注漿孔深度及間距,并準確計算注漿量。