某鐵路立交橋采空區穩定性評價

張 強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610000)

隨著公路、鐵路工程建設的快速發展，有時無法繞避煤礦及其采空區，采空區對線路工程建設的影響也越來越大，其穩定性評價問題是首先需要迫切解決的關鍵技術問題。關于采空區的穩定性評價研究，學術界主要集中在開采沉陷及殘余變形兩個方面。如鄒友峰[1]研究了地表下沉預計方法；郭增長[2]應用隨機介質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用于開采沉陷；劉天泉[4]對巖層移動與控制力學問題進行了研究；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的地表沉陷規律, 對采空區的穩定性進行評價；來興平[7]、常江[8]、吳兆營[9]等通過工程地質調查、沉降計算等多種方法相結合綜合分析和評價采空區穩定性；王少斌[10]采用不同硬度巖石條件下冒落帶、裂隙帶的經驗公式法對柏樹底鐵路隧道下伏采空區穩定性進行了分析；朱友群[11]等人運用快速拉格朗算法分析了多層采空區路基不同工況下路基采空區受力變形和穩定特征；徐永明等[12]通過對采空塌陷穩定時間、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地基的穩定性；徐楊青[13]分析總結了露井聯合開采條件下邊坡變形規律及機理，并結合結構面組合判斷、FLAC數值模擬及極限平衡驗算等方法對邊坡的破壞模式及穩定性進行分析評價。

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律，而殘余變形主要是結合具體工程來研究老采空區的場地穩定性評價及治理，確保工程建設的安全。從工程實踐意義上來說，對工程影響較大的，工程師們比較關心的是殘余變形。因此，評價采空區的穩定性首先仍要研究開采沉陷問題，特別是采空區頂板圍巖穩定性問題。在此基礎上，應定量確定出采空區的殘余變形，以殘余變形量為評價采空區穩定性的主要考量標準，并結合調研獲得的定性分析結果，最終綜合評定出采空區穩定性。

1 采空區工程地質概況

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

2 采空區開采歷史及現狀穩定性

2.1 采空區開采概況

該礦區較早時期于20世紀50～70年代開采，主要開采7、9、11煤層，20世紀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，開采情況比較復雜。礦區范圍內自上而下主要為7、9、11、13、15、17煤采空區，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 采空區現狀穩定性

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

根據調繪、鉆探、物探、調查訪問及開采資料分析，橋址區為多層、重復開采，附近至今仍有多處地面塌陷、房屋開裂，采空區穩定性總體評價為不穩定區。

3 采空區穩定性定量評價

3.1 采空區影響范圍的確定

采空區的塌陷變形對公路的影響范圍，可按下述方法經計算確定：沿線路采空區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。當線路沿線均為采空區時，影響長度以立交橋起止位置向兩側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。

采空區影響立交橋兩側寬度，以兩側維護帶(路基坡角或基礎外10 m)為起點，向兩側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影響長度計算示意

圖6 垂直立交橋方向采空區影響寬度計算示意

3.2 采空區頂板圍巖穩定性

針對采空區采礦特點，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，采空區頂板圍巖穩定性計算可以根據小型采空區計算原理，采空區頂板巖塊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的作用而產生的摩阻力(F)，如圖7所示。

圖7 采空區頂板穩定性示意

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

(2)

則作用在采空區頂板上的壓力Q為：

Q=G+2aR-2F

(3)

式中：Q為采空區單位長度頂板上所受的壓力(kPa)；G為采空區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為采空區頂板埋藏深度(m)；R為建筑物基地的單位壓力，根據設計要求取150 kPa；a為采空區寬度的一半(m)；φ為巖層內摩擦角。

根據式(2)、式(3)，可得：

Q=G+2aR-2F

(4)

當H增大到一定深度時，采空區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《鐵路工程地質手冊》，當埋藏深度H1.5H0時，頂板及地基穩定。

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

3.3 采空區整體穩定性評價

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

表1 采空區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，與礦層傾角、開采方法及頂板管理方法有關，一般取0.01～0.95；n為剩余下沉系數，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，取平均值0.4；h為煤層開采深度。

采空區穩定性計算參數按表2選取。根據圖1采空區典型縱斷面圖，可將沿線各區段包含的煤層數及充填情況對采空區進行分塊，共分成2段，分別計算分析出各塊段采空區穩定性，計算結果如表3所示。

表2 采空區穩定性計算參數

表3 塊段法采空區穩定性分析評價結果

計算結果顯示，橋址采空區剩余沉降量較大，參照采空區場地穩定性評價標準(表4)，采空區目前處于不穩定范圍，且通過現場調查，目前仍存在地面塌陷及房屋變形，綜合判定該采空區穩定性屬不穩定。

表4 采空區場地穩定性評價標準

4 結論

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

(2)開采資料、調查訪問及工程勘察成果顯示，目前該采空區附近多處出現地面塌陷、房屋開裂等變形跡象，表明采空區現狀穩定性較差。

(3)定量計算了采空區的影響范圍及頂板圍巖穩定性，給出了鐵路立交橋采空區影響長度、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，分別對采空區整體剩余沉降、傾斜及水平變形進行了計算，并結合采空區現狀穩定性，綜合判定該采空區穩定性屬不穩定，應對其加固處理。