淺議公路下伏采空區(qū)路線方案研究

淺議公路下伏采空區(qū)路線方案研究

蘭志雄盧冬生黨高峰孫釗

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院武漢430051)

摘要針對(duì)公路項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)存在的采空區(qū)，按照公路路線選線原則，分別擬定了經(jīng)過采空區(qū)、繞避采空區(qū)2種路線方案，并結(jié)合采空區(qū)的治理對(duì)2種路線方案進(jìn)行綜合比選，最終提出繞避采空區(qū)的路線推薦方案。

關(guān)鍵詞采空區(qū)公路采空區(qū)治理選線

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.032

收稿日期：2014-11-07

公路下伏采空區(qū)路段，由于采空區(qū)地表的移動(dòng)變形，會(huì)使公路路基受到相應(yīng)的影響，產(chǎn)生多種病害。如由公路路基的過量沉陷或差異沉陷引起的路基開裂；由地表水平移動(dòng)與變形導(dǎo)致的公路路基壓縮或拉伸形變；由地表沉降與變形共同導(dǎo)致的公路縱坡及豎曲線現(xiàn)狀改變，從而產(chǎn)生的地表傾斜變化，等等。由于采空區(qū)引起的公路病害嚴(yán)重影響行車安全，因此，設(shè)計(jì)階段嚴(yán)把選線關(guān)成為公路建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[1]。

本文遵從“以人為本、環(huán)境友好、資源節(jié)約，可持續(xù)發(fā)展”的設(shè)計(jì)原則，遵循安全、環(huán)保、舒適、和諧等設(shè)計(jì)新理念[2]，對(duì)公路項(xiàng)目經(jīng)過采空區(qū)段路線選線及采空區(qū)工程治理方案進(jìn)行研究探討。

1項(xiàng)目簡介

黃石至陽新一級(jí)公路位于湖北省東南部，東經(jīng)115°06′～ 115°13′、北緯29°48′～30°10′之間，路線走廊北起黃石市，南止于陽新縣。全線采用設(shè)計(jì)速度為80 km/h的4車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度24.5 m。

由于大冶湖橫亙于黃石市與陽新縣城之間，本項(xiàng)目不可避免地需要跨越大冶湖。考慮路線的順直便捷、項(xiàng)目總里程最短等因素，本項(xiàng)目優(yōu)先考慮在金海開發(fā)區(qū)以西直接跨越大冶湖(見圖1中A方案)，但該方案大冶湖湖面寬約3.3 km，橋梁規(guī)模大，投資大。而大冶湖在金海開發(fā)區(qū)以北區(qū)域則湖面狹窄，最窄處湖面寬約1.8 km，雖然路線總體迂回，但跨湖橋梁規(guī)模小，具備較大的比較優(yōu)勢，因而項(xiàng)目組在該段附近布設(shè)了比較方案(見圖1中B方案)。

但經(jīng)實(shí)地勘察，B方案沿線大冶湖南岸煤炭儲(chǔ)量豐富，地下采煤活動(dòng)強(qiáng)烈，存在一定規(guī)模的采空區(qū)。如何確定推薦方案，需要對(duì)A，B 2方案進(jìn)行綜合的比選。由于B方案沿線存在一定規(guī)模的采空區(qū)，因而首先需要對(duì)采空區(qū)的綜合治理進(jìn)行詳細(xì)的分析。

圖1　跨大冶湖兩方案示意圖

2采空區(qū)簡介

根據(jù)本項(xiàng)目相關(guān)專題《黃石至陽新一級(jí)公路工程大冶湖南岸地質(zhì)災(zāi)害危性評(píng)估報(bào)告》(以下簡稱《評(píng)估報(bào)告》)提供的資料，B方案位于陽新縣七約山礦區(qū)紅家咀井田和瓦咀井田境內(nèi)，區(qū)域內(nèi)采空區(qū)面積約為1.33 km2。

根據(jù)采空區(qū)鉆探成果資料，該項(xiàng)目采空區(qū)分布2層，第一層采空深度范圍22.8～26.4 m，平均深度24 m，采厚約1.9 m。第二層采空深度范圍100 m左右，采厚約3 m，采深采厚比(H/M)<40。煤層傾角在10°～33°之間，傾角較緩。采煤方法采用走向長壁、巷采、房柱式開采等，頂板管理方法采用陷落法。

3采空區(qū)的危害

由于較長時(shí)間的地下采煤和疏干排水，致使區(qū)域內(nèi)發(fā)生了一系列地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)《評(píng)估報(bào)告》資料顯示，煤礦采空區(qū)導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)域先后形成塌陷20余個(gè)，破壞小學(xué)2座，40多戶民房搬遷或報(bào)廢，破壞土地面積約26.67 hm2，涉及8個(gè)自然灣，人口1 950人。經(jīng)濟(jì)損失極大，社會(huì)影響較大。而公路下伏采空區(qū)時(shí)，由于采空區(qū)地表的移動(dòng)變形，會(huì)使公路路基受到相應(yīng)的影響，產(chǎn)生多種病害，如路基開裂、壓縮或拉伸形變等等，這直接破壞了路基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性[3]。因此，需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行必要的工程治理。

4采空區(qū)工程地質(zhì)條件

(1) 地形地貌。采空區(qū)處于湖積平原地貌與垅崗地貌過渡地段，湖積平原地貌地面高程在12.00～17.00 m之間，地表覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、砂土等組成。垅崗地貌地勢起伏較大，低處多為河流水系，沿線地面高程多在25～70 m之間，區(qū)內(nèi)局部基巖出露，絕大部分為第四系松散層所覆蓋。

(2) 地層巖性。采空區(qū)的地層情況自上而下為雜填土，層厚1.9～3.5 m；第四系(Q4)地層，大部分為耕植土、湖濱部分為湖積淤泥，層厚0～18.45 m；白堊-第三系東湖群(K-R)，主要為紫紅色細(xì)砂巖-含礫砂巖，偶見灰棕-暗紫色塊狀玄武巖，厚層狀，最大厚度為306.74 m。

5采空區(qū)治理方法

(1) 采空區(qū)治理原則。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及國內(nèi)外案例，針對(duì)不穩(wěn)定采空區(qū)位于路肩范圍內(nèi)的路基工程段，采用注漿、干(漿)砌支撐法、明挖回填夯實(shí)處理等；橋梁工程當(dāng)其墩臺(tái)位于塌陷區(qū)或變形區(qū)時(shí)，其樁基應(yīng)設(shè)置在采空區(qū)底板以下1～2 m，具體可視底板地質(zhì)條件確定；如隧道區(qū)域內(nèi)存在采空區(qū)時(shí)，隧道應(yīng)盡量繞避采空區(qū)，確因路線總體走向限制無法繞避時(shí)，當(dāng)采空區(qū)位于隧道拱頂時(shí)，可采用注漿、漿砌回填處理措施，若采空區(qū)位于仰拱以下，可視采空區(qū)深度采用開挖回填或注漿處理等措施。

(2) 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。不規(guī)則柱式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

作者貢獻(xiàn)聲明 林仲：收集數(shù)據(jù)，參與選題、設(shè)計(jì)及資料的分析和解釋；撰寫論文；對(duì)編輯部的修改意見進(jìn)行修改。吳榮瀚：參與選題、設(shè)計(jì)和修改論文的結(jié)果結(jié)論

表1　不規(guī)則柱式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鉆探資料揭示，B方案所經(jīng)的采空區(qū)埋深范圍平均約100 m，采空區(qū)厚度平均約3 m，因此其采深采厚比(H/M)<40，路段場地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定狀態(tài)，因而需要進(jìn)行治理。

(3) 治理方法。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及國內(nèi)現(xiàn)有案例，采空區(qū)處理措施主要方法有注漿法、干(漿)砌支撐法、開挖回填法、強(qiáng)夯法、跨越法等。結(jié)合本項(xiàng)目采空區(qū)情況，由于項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)煤層采空區(qū)的直接頂板為砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，巖質(zhì)較軟，巖石質(zhì)量等級(jí)為IV-I級(jí)，巖體穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌、冒頂，適合注漿治理，不適合開挖回填、砌筑等非注漿方法。由于采空區(qū)開采方法采用了走向長壁、巷采、房柱式開采等方法，且頂板管理為陷落法，亦適合注漿治理。再者，本項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)采空區(qū)有上下2層，第一層深度在24 m左右，第二層深度在100 m左右,采深采厚比(H/M)<40,整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且煤層傾角在10°～33°之間，且采空形成時(shí)間較長，也適宜選用注漿法進(jìn)行采空區(qū)處理。

綜上所述， 選用注漿法進(jìn)行采空區(qū)處理。

6采空區(qū)治理計(jì)算

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[4]，采空區(qū)治理范圍包括沿公路軸線方向上的治理長度、垂直軸線方向上的治理寬度及垂向上的治理深度。

(1) 治理長度計(jì)算。根據(jù)項(xiàng)目組實(shí)地勘察以及專題研究單位勘察的結(jié)論，本項(xiàng)目B方案需要治理的采空區(qū)長度為1 400 m。

(2) 治理寬度計(jì)算。采空區(qū)處治的寬度B由路基或橋隧寬度、圍護(hù)帶寬度、采空區(qū)覆巖移動(dòng)的影響寬度3部分組成，示意圖見圖2，計(jì)算公式見下式：

B=D+2d+D′

式中：D為路基或橋隧寬度，m；d為圍護(hù)帶寬度，m；D′為采空區(qū)覆巖移動(dòng)影響寬度，m。

圖2　水平礦層采空區(qū)治理寬度計(jì)算簡圖

路基或橋隧寬度確定：路堤部分以公路兩側(cè)路堤坡腳為界；路塹部分以兩側(cè)塹頂邊界為界；橋梁以橋?qū)挒榻?；隧道以隧道寬為界。圍護(hù)帶寬度宜按表2的規(guī)定取值。

表2　公路采空區(qū)治理維護(hù)帶寬度 [4]

該段煤層傾角在10°～33°，考慮本項(xiàng)目尚處于前期研究階段，為簡化計(jì)算，本研究報(bào)告按水平礦層采空區(qū)治理寬度計(jì)算，具體計(jì)算如下。

B=D+2d+D′=24.5+2×10+2×

(20×cot45°+80×cot65°)=159.1m

根據(jù)規(guī)范公式理論計(jì)算，該處治理寬度達(dá)到159.1 m，考慮未來剩余沉降量影響范圍有限，本次實(shí)際計(jì)算取橫向治理寬度100 m計(jì)算。

(3) 鉆孔設(shè)置。鉆孔設(shè)置參照國內(nèi)現(xiàn)有案例及規(guī)范要求，采用“梅花形”布孔,見圖3。沿路線中線上排距按照20 m設(shè)置，路基范圍內(nèi)(按照30 m界限)每排注漿孔距按照15 m設(shè)置，路基范圍以外(30～70 m范圍內(nèi))孔距設(shè)置為20 m，邊緣帷幕孔孔距為15 m。預(yù)計(jì)注漿鉆孔總量為690個(gè)，鉆孔總長為69 000延m。

圖3采空區(qū)治理鉆孔布置示意圖

(4) 注漿總量計(jì)算，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用下列公式：

式中：S為采空區(qū)處治面積，m2；M為礦層平均采出厚度，m；ΔV為采空區(qū)剩余空隙率，%；K為回采率，%，通過實(shí)際調(diào)查確定；A為漿液損耗系數(shù)，可取A=1.0～1.2；η為充填率，%，取η=80%～95%；C為漿液結(jié)合率，%，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可取C=70%～95%；為巖層傾角，(°)。

本項(xiàng)目注漿總量計(jì)算為：

0.8×1=476 280m3

(5) 治理費(fèi)用估算。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合黃石地區(qū)實(shí)際情況，注漿材料選用水泥+粉煤灰混合料做填充物，填充造價(jià)約需10 478萬元；灌漿填充施工需要鉆孔，每延米需300元，總體約需2 070萬元；此外，本項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)約需賠付283萬元；因此本項(xiàng)目煤礦采空區(qū)治理費(fèi)用約需12 831萬元。

(6) 相關(guān)計(jì)算結(jié)論。黃石至陽新一級(jí)公路B方案由于存在一定規(guī)模的地下采空區(qū)，根據(jù)勘察揭示，采空區(qū)治理長度為1 400 m，擬采用注漿法進(jìn)行治理。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算方法，該方案采空區(qū)注漿治理總費(fèi)用約需12 831萬元。

考慮本項(xiàng)目尚處于工可研究階段，因此仍有必要針對(duì)A，B 2個(gè)方案進(jìn)行綜合比選。

7方案研究比選結(jié)論

在B方案采空區(qū)治理費(fèi)用明確之后，繼續(xù)對(duì)A，B 2個(gè)方案進(jìn)行綜合比選，見表3。

表3　A，B方案綜合比較一覽表 [5]

由表3可見，盡管B方案所經(jīng)大冶湖最狹窄區(qū)域，跨湖大橋規(guī)模小，且距離金海開發(fā)區(qū)城鎮(zhèn)較近，存在一定的優(yōu)勢。但綜合考慮采空區(qū)治理費(fèi)用之后，其總體造價(jià)卻高于A方案。而且未來若實(shí)施B方案，則采空區(qū)治理從施工技術(shù)、施工管理、施工質(zhì)量、施工周期、治理費(fèi)用、后期運(yùn)營、后期管理等諸方面，均存在一定的困難及風(fēng)險(xiǎn)。因而本項(xiàng)目本階段推薦繞避金海采空區(qū)，即推薦A方案。