采空區(qū)高層建筑安全穩(wěn)定性分析

張占兵 禹朝群 王磊 鞏瑞杰

摘要：本文以工程實例為背景，通過分析煤礦采空塌陷區(qū)的采空影響和建設(shè)項目的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，綜合多方面的影響因素，分析計算采空區(qū)上方構(gòu)建高層建筑物的安全穩(wěn)定性，為采空區(qū)合理利用以及采空區(qū)上方建設(shè)構(gòu)筑物安全建設(shè)提供依據(jù)，并為類似工程提供借鑒意義。

關(guān)鍵詞：采空塌陷區(qū)；采空影響；高層建筑

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，土地資源愈來愈珍貴，尤其是位于城區(qū)的煤礦采空區(qū)，逐漸被利用起來。采空區(qū)的不均勻沉降作用會對地表建筑物的結(jié)構(gòu)造成破壞，如果地基及建筑物選擇處理不當，會使建筑物發(fā)生局部開裂、傾斜、直至倒塌。本文以某工程實例分析在采空區(qū)上高層建筑物的安全穩(wěn)定性，并探討在采空區(qū)構(gòu)建建筑物的可行性。

1 工程項目概況

本工程為住宅樓1棟，地下2層，地上17層，框架結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深5.5m。

2 場地地質(zhì)條件

建設(shè)項目位于某煤礦塌陷區(qū)東北部，場地地勢平坦，地形簡單，地貌類型單一，地表為厚度2～3m的雜填土層；其下為第四系上更新統(tǒng)（Q3）沖洪積沉積層，巖性為粉質(zhì)粘土及細砂層，第四系覆蓋層總厚度20m左右。下覆基巖為二疊系地層，巖性主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)頁巖及碳質(zhì)泥巖夾煤層和粘土巖，厚約600m。其下為石炭系地層，巖性主要為細砂巖、砂質(zhì)頁巖、灰?guī)r夾煤層和粘土巖，厚約160m，地層巖性、巖相穩(wěn)定。

本區(qū)地下煤層主要是在上世紀50年代～60年代初開采，最小采深約530m，最大采深約750m，平均采深約615m，累計采厚7.4m，停采時間為1963年。開采方法采用短壁開采，全部陷落法管理頂板。塌陷是自北向南逐步擴展的，屬于連續(xù)性沉降變形。

3高層建筑安全穩(wěn)定性分析

掌握地表移動的持續(xù)時間是評價地基穩(wěn)定、保護建筑物安全使用的必要條件，根據(jù)相關(guān)規(guī)程，在6個月內(nèi)累計下沉值不超過30mm即為基本穩(wěn)定。地表移動持續(xù)時間按下式計算：

本場地最大導(dǎo)水裂隙帶高度取最大值，場地內(nèi)煤層最小采深530m，最大導(dǎo)水裂隙帶埋深約426m。

2、擬建建筑荷載作用下基礎(chǔ)附加應(yīng)力傳播深度的計算

建（構(gòu)）筑物的建造使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降。一般的，當?shù)鼗薪ㄖ奢d產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)深度處地基的自重應(yīng)力的20%時，即可以認為附加應(yīng)力對該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計，但當其下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定性因素，如采空區(qū)垮落、裂隙帶時，則應(yīng)計算附加應(yīng)力直至地基自重應(yīng)力10%位置處，方可認為附加應(yīng)力對該深度處的地基不產(chǎn)生影響，該深度即為建（構(gòu)）筑物荷載影響深度（H影）。

由于建筑物荷載影響深度與建筑物的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)型式、基礎(chǔ)埋深、荷載大小等有關(guān)，一般淺基礎(chǔ)的建筑荷載影響深度為10～30m。當建（構(gòu)）筑物采用深基礎(chǔ)時，建（構(gòu)）筑物荷載影響深度相應(yīng)增大，通過計算本場地內(nèi)建筑物計算荷載影響深度為49m。

場地內(nèi)建筑物的附加荷載影響深度為49m，最大導(dǎo)水裂隙帶埋深約425m，二者之間相隔376m，因此建筑物荷載影響到導(dǎo)水裂隙帶區(qū)域的可能性很小，即不會導(dǎo)致采空區(qū)的活化。

3、工程建設(shè)的安全性分析

采空塌陷是因為采掘活動造成了上覆巖層的破壞，而最終波及到地表，使地表產(chǎn)生垂直及水平變形，地表移動和變形造成建筑物的破壞。

老采空區(qū)是否達到永久性穩(wěn)定，取決于兩方面的決定條件，滿足其一即可達到永久穩(wěn)定。

（1）采空區(qū)獲得永久穩(wěn)定支撐。這在采用科學設(shè)計的房柱式開采或條帶式開采時才能實現(xiàn)，建設(shè)場地顯然不能滿足這種條件。

（2）煤層采出后，采空區(qū)頂?shù)装宄浞钟龊喜簩?，也就是地表移動已?jīng)徹底，不存在引起地表移動的潛在因素。本區(qū)開采方式為走向長壁及落垛式開采，顯然還是存在采空區(qū)重新活化的可能性。

此次采用極限沉降預(yù)測法進行老采空區(qū)活化量的計算，該方法的理論基礎(chǔ)是開采后地表移動最大值總是小于采厚，其減小的原因就是巖體內(nèi)存在空隙、裂隙和離層裂隙，老采空區(qū)活化就是這些空隙、裂隙和離層裂隙閉合的結(jié)果。計算方法為：假定這些空隙、裂隙和離層裂隙完全閉合，則下沉系數(shù)最大能達到1，則殘余下沉系數(shù)為：

通過上述計算結(jié)果，建設(shè)場地變形值遠小于《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》規(guī)定限值。

結(jié)論

通過對建設(shè)場地的地質(zhì)條件和采空影響進行分析論證，在本場地內(nèi)建設(shè)高層建筑可以滿足安全穩(wěn)定的要求，為合理利用土地資源和解決城市用地問題提供了佐證。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和影響因素的不確定性，應(yīng)加強地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作，建立地表巖移觀測站，以監(jiān)測地面變形及建筑物變形情況。

參考文獻

[1]滕永海，唐志新。老采空區(qū)地面建筑技術(shù)研究及應(yīng)用[J]。煤炭科學技術(shù)，2016，44（1）：183-186.

[2]鄭瑩，郭立穩(wěn)，畢作枝。淺析采空區(qū)的破壞機理與處理方法[J]。礦業(yè)工程，2008，（04）：32-34。

（作者單位：河北鋼鐵集團礦山設(shè)計有限公司）