貴州玉銅松城際快速道路采空區處理方案設計探討

賈 睿，程生平，魏 晉

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

貴州省銅仁市松桃至玉屏城際快速道路建設項目為國內特大型市政工程項目，道路總長約129 km，主路設計速度80 km/h，局部設計速度60 km/h，輔路設計速度40 km/h；道路寬度28.5～80.0 m，雙向六車道或八車道。

沿線地形地貌較為復雜，特殊路基較廣泛，其中道路K80+675.810～K80+781.139右側存在一處采空區，采空區部分分布于擬建線路路基右側底部，對擬建道路工程影響較大。

本文以該項目采空區工程為背景，針對該采空區的特點、工程地質與水文地質條件、場地條件等影響因素，從定性和定量兩方面進行了穩定性評價，提出了支頂、回填及繞避三種處理方案[1]，并對各處理方案的優缺點進行了綜合分析。

1 工程地質概況

該采空區為20世紀80年代樓板預制采石場，后一直進行開采，至2000年左右省道201建設過程中勒令其停止開采。洞口向里延伸約50 m現為木材及棺材加工廠，其余部分閑置。

采空區現狀一角見圖1。

圖1 采空區現狀一角

采空區頂板原厚度約40.6 m，下伏基巖為寒武系下統清虛洞組（∈1q）灰巖，中風化灰巖。洞高8.0～31.0 m，洞頂標高約667.76 m。省道201以挖方形式通過，為二級公路，道路寬度10 m，修建年代較早，未對采空區進行處理。現設計道路仍以挖方形式通過，道路寬60 m，線路中心最大挖方高度約29.4 m。設計路面標高692.88 m，路面標高距采空區頂板高差25.12 m。采空區線路分布范圍內，成“回”字型向中部開采，最大高度約31 m，采空區內部支撐柱亦呈“回”字型分布，支撐柱直徑5～12 m不等，采空區內部支撐總體較好。踩空區分布面積約7 207 m2，路基范圍內面積約3 008 m2。

采空區形態分布圖見圖2。

采空區為清虛洞組灰巖分布區，為單斜構造，巖層產狀 105°∠13°，主要發育兩組節理，J1：17°∠81°，3～5 條 /m，微張狀，延伸 5～10 m，無充填；J2：239°∠22°，3～5 條 /m，微張狀，延伸 5～10 m，無充填；該處巖層干密度平均值2.66 g/cm3，飽和重力密度2.71 g/cm3，單柱飽和抗壓強度標準值46.10 MPa，屬較硬巖。巖體基本質量等級Ⅲ級，洞內可見頂板巖層剝落碎片。地震動峰值加速度值采用0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相當于地震基本烈度6度。

2 穩定性評價

2.1 定性分析

根據《巖土工程勘察規范》[2]，在采空區上進行工程建設時，可參考采深采厚比來定性判斷場地的穩定性：當采深采厚比大于30，地表已經穩定時可不進行穩定性評價；當采深采厚比小于30時，可根據建筑物的基底壓力，采空區埋深、范圍和上覆巖層的性質等評價地基的穩定性。

擬建快速道路路面設計標高692.88 m，采空區頂板標高651～667.76 m，底板標高636～655.93 m，經計算，采深采厚比0.8～3.9，擬建道路整平至設計標高后其采深采厚比遠小于30。根據《巖土工程勘察規范》，當采深采厚比小于30時，采空區具塌落的可能，需進行定量計算穩定性評價后再根據礦區經驗采取處理措施。

2.2 定量計算評價

根據采深采厚比的定性分析，本擬建場地范圍內分布的采空區為具有塌落的可能，現依據《鐵路工程地質手冊》[3]和《工程地質手冊》[4]，根據建筑物的基底壓力，采空區埋深、范圍和上覆巖層的性質等定量分析方法來評價采空區頂板和地基的穩定性。

2.2.1 根據《鐵路工程地質手冊》進行穩定性計算根據《鐵路工程地質手冊》4-5-5計算公式：

式中：H0為臨界深度；B為巷道寬度，本工程取值12 m；φ為巖層內摩擦角，本工程取值50°；γ為巖層重度，本工程取值27 kN/m3；P0為基底壓力，本工程按城A級換算取值為16 kPa。

按以上參數，H0計算結果為76.55 m，與采用《鐵路工程地質手冊》公式計算結果相近；場地整平以后采深25～28 m，小于臨界開挖深度，工程評價為頂板不穩定。

根據定性分析與定量計算結果，場地采空區處于不穩定狀態，存在塌落的可能，為不適宜進行工程建設的不穩定場地，需進行工程處理。

2.2.2 根據《工程地質手冊》進行穩定性計算

根據《工程地質手冊》6-4-24計算公式：

式中：H0為臨界開挖深度；2α為巷道寬度；本工程取值12 m；φ為巖層內摩擦角；本工程取值50°。

按以上參數，H0計算結果為76.01 m。

根據手冊，當頂板厚度H＜H0時，頂板及地基不穩定；H0＜H＜1.5H0時，頂板及地基穩定性差；H＞1.5H0時，頂板及地基穩定。場地整平以后頂板厚H為25～28 m，遠小于臨界開挖深度H0，故評價頂板為不穩定。

3 處理方案比選

3.1 處理范圍的確定

根據《公路路基設計規范》[5]，縱向處理范圍為采空區的實際分布長度；橫向處理寬度由路基底面寬度、圍護帶寬度、采空區覆巖影響寬度三部分組成，其中圍護帶寬度一般取10 m，采空區覆巖影響寬度為Hcot β=25×cot 60=14 m，故處理范圍為路基坡腳外24 m。結合采空區的分布形態，需進行處理的采空區面積為4 704 m2（含洞內支撐柱面積）。

3.2 回填方案

采空區未完全塌落，空間較大、通風良好，并具備人工作業和材料運輸條件。采空區下部使用大片石填筑，中間回填石料壓實，填筑壓實按填石路基的要求進行分層碾壓，攤鋪厚度不大于0.6 m，最大粒徑小于層厚2/3，孔隙率不大于25%。回填至距采空區頂板6 m位置時，采用干砌片石砌筑4.0 m高，最頂上采用M7.5漿砌片石砌筑2.0 m高，與頂層接觸面砌筑不密實的部分采取灌漿充填處理。漿砌片石砌筑應砂漿飽滿、灰滿縫嚴，每砌筑10 m左右，頂部灌漿一次。回填處理斷面見圖3。

圖3 回填處理斷面圖

3.3 支撐方案

依《工程地質手冊》6-4-23計算公式：

式中的H取25 m，其他參數和前面保持一致，可計算出作用在采空段頂板上的壓力Q=5 628 kN/m。擬采用C30鋼筋混凝土樁進行支頂，柱子配置基礎，為使采空區頂板聯合受力，防止柱子不均勻受力傾倒，柱子頂采用1.0 m×1.0 m系梁連接，形成格梁式結構，柱子頂系梁總長約583 m。采空區高度20 m及以下采用柱直徑2.0 m，20 m以上采用柱直徑3.0 m。

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）進行配筋設計，2.0 m樁徑配縱向鋼筋（直徑28 mm）60根，單樁抗壓承載力N≤49 757 kN。柱子中心距N/Q=8.8 m，柱子凈距為6.8 m，共需21根。

3.0 m樁徑配縱向鋼筋（直徑28 mm）91根，單樁抗壓承載力N≤103 618 kN。柱子中心距N/Q=18.4 m，柱子凈距為15.4 m，共需6根。

3.4 路線繞避方案

為避免路線占壓采空區，調整路線向東側（靠山側），主要以挖方形式通過該段。共有3個山頭，最高山頭距路基面高差約90 m，會產生大量的挖方工程及邊坡防護工程。

3.5 比選結論

方案比較見表1。

綜合分析，回填方案具有工程投資最省、處理措施安全有保障、易于施工、施工工期短的優點，故采用回填方案。

表1 方案比較表

4 結語

（1）對于采空區的穩定性評價應以定性與定量相結合的方法，結合采空區的形式對其穩定性、對工程的影響及危害程度進行分析與評價。

（2）對路基下伏采空區處治的方式有注漿法、支撐法、開挖回填法、巷道加固法、強夯法及跨越法等，應根據采空區的埋深、規模、形態、投資、道路等級、施工難度及地質環境，綜合分析比選后選用適合的處治方案。就本采空區而言，其未完全塌落，空間較大、通風良好，并具備人工作業和材料運輸條件，采用回填法具有工程投資省、處理措施安全有保障、易于施工、施工工期短的優點。