某鐵路立交橋采空區(qū)穩(wěn)定性評價

張 強

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

隨著公路、鐵路工程建設(shè)的快速發(fā)展，有時無法繞避煤礦及其采空區(qū)，采空區(qū)對線路工程建設(shè)的影響也越來越大，其穩(wěn)定性評價問題是首先需要迫切解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。關(guān)于采空區(qū)的穩(wěn)定性評價研究，學(xué)術(shù)界主要集中在開采沉陷及殘余變形兩個方面。如鄒友峰[1]研究了地表下沉預(yù)計方法；郭增長[2]應(yīng)用隨機介質(zhì)碎塊體移動概率對地表下沉進行了研究；張玉卓[3]將巖層移動的位錯理論解和邊界元法應(yīng)用于開采沉陷；劉天泉[4]對巖層移動與控制力學(xué)問題進行了研究；李仁民[5]、吳盛才等[6]采用概率積分法研究了高速公路下伏多層采空區(qū)的地表沉陷規(guī)律, 對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行評價；來興平[7]、常江[8]、吳兆營[9]等通過工程地質(zhì)調(diào)查、沉降計算等多種方法相結(jié)合綜合分析和評價采空區(qū)穩(wěn)定性；王少斌[10]采用不同硬度巖石條件下冒落帶、裂隙帶的經(jīng)驗公式法對柏樹底鐵路隧道下伏采空區(qū)穩(wěn)定性進行了分析；朱友群[11]等人運用快速拉格朗算法分析了多層采空區(qū)路基不同工況下路基采空區(qū)受力變形和穩(wěn)定特征；徐永明等[12]通過對采空塌陷穩(wěn)定時間、安全深度、最大下沉量、最大下沉速度的分析,論證了大型煤礦采空區(qū)地基的穩(wěn)定性；徐楊青[13]分析總結(jié)了露井聯(lián)合開采條件下邊坡變形規(guī)律及機理，并結(jié)合結(jié)構(gòu)面組合判斷、FLAC數(shù)值模擬及極限平衡驗算等方法對邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性進行分析評價。

開采沉陷主要是研究采巖層移動和覆巖變形的時空演化規(guī)律，而殘余變形主要是結(jié)合具體工程來研究老采空區(qū)的場地穩(wěn)定性評價及治理，確保工程建設(shè)的安全。從工程實踐意義上來說，對工程影響較大的，工程師們比較關(guān)心的是殘余變形。因此，評價采空區(qū)的穩(wěn)定性首先仍要研究開采沉陷問題，特別是采空區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性問題。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)定量確定出采空區(qū)的殘余變形，以殘余變形量為評價采空區(qū)穩(wěn)定性的主要考量標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合調(diào)研獲得的定性分析結(jié)果，最終綜合評定出采空區(qū)穩(wěn)定性。

1 采空區(qū)工程地質(zhì)概況

由于鐵路立交橋經(jīng)過的煤礦采空區(qū)尚未穩(wěn)定，目前地表仍不斷變形，準(zhǔn)確評價采空區(qū)對鐵路工程及公路橋的影響是極為必要的。研究區(qū)宏觀地貌單元屬河流階地，地勢南高北低，地表以填土為主，新建公路兩側(cè)為村莊和住房?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一單斜，地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，走向290～310 °傾向NE，傾角18 °，發(fā)育有兩條斷層，歷史上曾多次發(fā)生地震。根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，判定該區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g。橋址區(qū)上覆地層有雜填土(Q4ml)、素填土(Q4ml)、沖洪積中砂(Q4al+pl)、粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)，下伏石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂巖、頁巖、石灰?guī)r及煤層。

2 采空區(qū)開采歷史及現(xiàn)狀穩(wěn)定性

2.1 采空區(qū)開采概況

該礦區(qū)較早時期于20世紀(jì)50～70年代開采，主要開采7、9、11煤層，20世紀(jì)60～90年代先后在11、13、15煤層進行大面積開采，對17煤層局部開采，開采情況比較復(fù)雜。礦區(qū)范圍內(nèi)自上而下主要為7、9、11、13、15、17煤采空區(qū)，均以18 °北東向傾斜。各煤層開采方式均為一次采全高的方式開采，長壁式開采回采率可達80 %～90 %，少量采用房柱式或刀柱式開采，回采率可達70 %～80 %。

2.2 采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性

據(jù)現(xiàn)場勘查，該礦區(qū)范圍內(nèi)存在因煤層開采誘發(fā)的地面下沉、地面突然塌陷及房屋開裂等現(xiàn)象。附近村民房屋及廠房多處出現(xiàn)因采空區(qū)不均勻沉降引起的裂縫(圖1、圖2)。此外鐵路附近農(nóng)場院內(nèi)部分民房出現(xiàn)多組傾斜大裂縫，寬3～5 cm，周圍有較多次級裂縫(圖3)，更為嚴(yán)重者會出現(xiàn)大小不一的塌落坑(圖4)。

圖1 民房外墻開裂

圖2 廠房外墻開裂

圖3 墻體及房屋裂縫

圖4 塌陷坑

根據(jù)調(diào)繪、鉆探、物探、調(diào)查訪問及開采資料分析，橋址區(qū)為多層、重復(fù)開采，附近至今仍有多處地面塌陷、房屋開裂，采空區(qū)穩(wěn)定性總體評價為不穩(wěn)定區(qū)。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性定量評價

3.1 采空區(qū)影響范圍的確定

采空區(qū)的塌陷變形對公路的影響范圍，可按下述方法經(jīng)計算確定：沿線路采空區(qū)地段的巖層走向與線路軸線方向近于垂直，計算時可按兩者垂直情況考慮。當(dāng)線路沿線均為采空區(qū)時，影響長度以立交橋起止位置向兩側(cè)第四系松散沉積層按移動角θ=45°考慮(圖5)，基巖面以下分別以β、γ角作直線與煤層底板相交，兩交點投影到地面的寬度即為采空區(qū)公路沿線影響長度L：

L=a+2b+2hcotθ+(h1-h)cotγ+(h2-h)cotβ

(1)

式中：a為立交橋基底長度；b為保護帶寬度，取10 m；h為第四系覆蓋層厚度，平均厚度10.0 m；h1、h2為煤層上山與下山方向的開采深度；β、γ為煤層下山與上山方向的基巖移動角，采用工程類比法取值為：tgβ=1.48，tgγ=1.95。

采空區(qū)影響立交橋兩側(cè)寬度，以兩側(cè)維護帶(路基坡角或基礎(chǔ)外10 m)為起點，向兩側(cè)第四系松散沉積層按移動角θ=45°考慮，基巖走向方向移動角δ=68°考慮，影響范圍計算圖式參見圖6。

圖5 沿立交橋方向采空區(qū)影響長度計算示意

圖6 垂直立交橋方向采空區(qū)影響寬度計算示意

3.2 采空區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性

針對采空區(qū)采礦特點，即大部分采用長壁式開采，局部留有煤柱，且受斷層影響局部開采不均勻，采空區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性計算可以根據(jù)小型采空區(qū)計算原理，采空區(qū)頂板巖塊ABCD因重力G的作用將會下沉，兩邊的楔形體ABM和CDN，也對其施以水平壓力P，因此，在AB和CD兩個面上將存在著因P的作用而產(chǎn)生的摩阻力(F)，如圖7所示。

圖7 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性示意

取采空區(qū)單元長度為計算單元體，采空區(qū)單位長度頂板巖層側(cè)壁摩阻力F(kPa)為：

(2)

則作用在采空區(qū)頂板上的壓力Q為：

Q=G+2aR-2F

(3)

式中：Q為采空區(qū)單位長度頂板上所受的壓力(kPa)；G為采空區(qū)單位長度頂板上巖層的總重，G=r×H×2a(kPa)；r為上覆巖層重度，取2.5(g/cm3)；H為采空區(qū)頂板埋藏深度(m)；R為建筑物基地的單位壓力，根據(jù)設(shè)計要求取150 kPa；a為采空區(qū)寬度的一半(m)；φ為巖層內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式(2)、式(3)，可得：

Q=G+2aR-2F

(4)

當(dāng)H增大到一定深度時，采空區(qū)上方頂板巖層的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，這時的H稱為臨界深度H0，則:

(5)

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》，當(dāng)埋藏深度H1.5H0時，頂板及地基穩(wěn)定。

根據(jù)上述公式計算，采空區(qū)7、9、11、13、15、17各煤層采空安全臨界埋藏深度見表1。至此，可根據(jù)煤層實際埋深與臨界埋藏深度比較后便可確定出采空區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性，從表中數(shù)據(jù)可以看出，各煤層頂板圍巖穩(wěn)定性均處于不穩(wěn)定。

3.3 采空區(qū)整體穩(wěn)定性評價

根據(jù)《巖土工程手冊》和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》推薦公式及《礦山開采沉陷學(xué)》基本理論，結(jié)合煤層傾斜程度、采厚、采煤方式及頂板管理方式、開采時間等對采空區(qū)穩(wěn)定性進行計算，計算公式如下：

表1 采空區(qū)頂板安全臨界埋藏深度 m

最大沉降量(mm)：Wmax=η×m×cosα

(6)

剩余沉降量(mm)：W′=n×Wmax

(7)

最大傾斜(mm/m)：imax=Wmax/r

(8)

剩余傾斜(mm/m)：i′=n×imax

(9)

最大水平變形(mm/m)：εmax=±1.52×b×Wmax/r

(10)

剩余水平變形(mm/m)：ε′=n×εmax

(11)

式中:η為下沉系數(shù)，與礦層傾角、開采方法及頂板管理方法有關(guān)，一般取0.01～0.95；n為剩余下沉系數(shù)，一般取0.2～0.3；m為煤層開采厚度(m)；α為煤層傾角；r為主要影響半徑(m)，r=h/tgβ；tgβ為主要影響角正切值，取平均值1.45；b為水平移動系數(shù)，取平均值0.4；h為煤層開采深度。

采空區(qū)穩(wěn)定性計算參數(shù)按表2選取。根據(jù)圖1采空區(qū)典型縱斷面圖，可將沿線各區(qū)段包含的煤層數(shù)及充填情況對采空區(qū)進行分塊，共分成2段，分別計算分析出各塊段采空區(qū)穩(wěn)定性，計算結(jié)果如表3所示。

表2 采空區(qū)穩(wěn)定性計算參數(shù)

表3 塊段法采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價結(jié)果

計算結(jié)果顯示，橋址采空區(qū)剩余沉降量較大，參照采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)，采空區(qū)目前處于不穩(wěn)定范圍，且通過現(xiàn)場調(diào)查，目前仍存在地面塌陷及房屋變形，綜合判定該采空區(qū)穩(wěn)定性屬不穩(wěn)定。

表4 采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

(1)該采空區(qū)的空間分布較廣泛，多層開采形成多層采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)變形較為復(fù)雜，且由于采空區(qū)埋深較淺，對鐵路立交橋影響較大。

(2)開采資料、調(diào)查訪問及工程勘察成果顯示，目前該采空區(qū)附近多處出現(xiàn)地面塌陷、房屋開裂等變形跡象，表明采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差。

(3)定量計算了采空區(qū)的影響范圍及頂板圍巖穩(wěn)定性，給出了鐵路立交橋采空區(qū)影響長度、寬度及頂板安全臨界埋藏深度的計算公式。

(4)采空區(qū)殘余變形對具體工程實踐具有重要的參考價值，分別對采空區(qū)整體剩余沉降、傾斜及水平變形進行了計算，并結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性，綜合判定該采空區(qū)穩(wěn)定性屬不穩(wěn)定，應(yīng)對其加固處理。