采空區建筑物結構設計要點分析

楊 琿 （安徽五維建筑規劃設計有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

淮海21城項目總規劃面積406.7hm2，先期建設場地規劃總用地面積55.5 hm2，規劃建設多層、小高層住宅樓、別墅、商業及學校等。

本項目位于淮北市段園鎮沈莊村，在原淮北礦業集團沈莊煤礦范圍內，場地及附近均進行過采煤活動，遺留有多層采空區，場地屬于煤礦采空區場地。這一特殊的建筑場地，存在不可忽視的采空區地質災害危險性帶來的建筑場地地基穩定問題。

圖1 淮海21城鳥瞰圖

2 采空區的巖層特征

在開采活動進行后，上覆巖層會產生一定量的變形。巖層穩定后，根據其破壞程度，大致分為三個不同的開采影響帶：垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。

因采深、采厚、開采方法、頂板管理方法及上覆巖層力學性質的不同，上述“三帶”不一定同時存在，采用正規開采方法開采的、采深較大的、水平或緩傾斜煤層表現比較明顯，非正規開采的、采深較小的、急傾斜煤層表現不明顯。

本場地及附近煤層傾角5°～25°，采空區的采深為80～355m，采空區屬緩傾斜、中深～深層采空區，開采方法均為長壁法，頂板管理方法為陷落法，采空區覆巖破壞類型屬“三帶型”。該場地自2006年3月13日閉坑以來，土體的變形與沉陷已趨于穩定。

3 結構方案的確定

在建筑方案設計前，甲方委托徐州中國礦大巖土工程新技術發展有限公司對場地穩定性和工程建設適宜性進行評價，并組織召開了專家論證會。

3.1 房屋層數的確定

因地上建筑物層數與荷載的差異，附加應力在土層中的分布也不盡相同。上部荷載越大，附加應力的影響深度也越大。

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB51044-2014（2017年版）），運用荷載臨界深度判別法、附加應力分析法來評估淮海21城采空區的穩定性。

3.1.1 荷載臨界影響深度判別法

運用《工程地質手冊》（第五版）提供的驗算巷道頂板穩定性的公式，當建筑物對地基土施加附加應力時，巷道頂板恰好保持自然平衡狀態時的臨界深度HD：

式中：HD—臨界深度（m）

P0—建筑物基底單位壓力，單層取20kPa

B—巷道寬度（m）

γ—巷道上覆巖層的重度（kN/m3）

φ—巷道上覆巖體內摩擦角（°）

根據本次收集的采礦資料和巖土試驗資料，按不利因素考慮，取B=4.0m、γ=25.0kN/m3、φ=30°，單層荷載按20kPa考慮，計算結果如下：

擬建工程荷載臨界影響深度計算結果 表1

本場地下巷道埋深大于80m，根據表1和表2確定，本項目對場地采空區穩定性的影響程度較小。

3.1.2 附加應力分析法

在開采活動進行后，上覆巖層穩定后會形成“三帶”。通常來說，穩定后的巖層中垮落斷裂帶處于應力平衡狀態，在受到附加荷載作用后可能會破壞其原有的平衡狀態，從而引起二次活化。

圖2 垮落斷裂帶與附加應力影響深度的關系

荷載臨界影響深度評價標準 表2

圖2中，當附加應力影響深度與垮落斷裂帶層頂之間有安全距離時，通常認為垮落斷裂帶是穩定的；當附加應力影響深度與垮落斷裂帶層頂深度相等時，垮落斷裂帶處于臨界狀態；當附加應力影響深度低于垮落斷裂帶層頂標高時，此時判斷垮落斷裂帶是不穩定的。

擬建建筑按邊85m，短邊15m，分別取6層、12層、18層建筑物進行計算，單層荷載按20kPa考慮，計算結果參見表3。

擬建工程附加應力影響深度計算結果 表3

根據前述幾種采空場地工程建設適宜性評價方法的結果，對本項目地基變形及穩定性進行判別，綜合確定本項目場地內建筑物層數限值，擬建建筑物不得超過18層，局部較小范圍不得超過6層。

3.2 結構形式及基礎形式的確定

根據本場地的特殊地質情況以及存在地面沉陷和地基過量沉降和不均勻沉降變形，為保證建筑物的正常使用，所有建筑全部采用整體性好的框架或者剪力墻結構，并加強上部結構的整體剛度。洋房采用整體性好的筏板基礎，高層部分根據專家意見，未采用施工速度較快的剛性樁，而是采用整體性好的CFG樁+筏板基礎。對于合院部分，為了增強結構的整體剛度，減小地基的不均勻沉降，在獨立基礎間設置拉梁。

4 沉降觀測

本工程對高層部分，按規范要求設置沉降觀測點；洋房及合院層數為8層及3層，由于所處場地的特殊地質條件，仍然設置沉降長期監測點，及時掌握地面塌陷的變化情況。

5 防治措施

根據擬建場地穩定性、工程建設適宜性及鄰近同類型場地相似工程經驗，擬建場地應采取以下的防治措施。

①今后嚴禁在對擬建場地有影響的區域內進行煤層的開采或復采。

②禁止在擬建場地及附近大量抽取地下水。

③減少上部結構自重，采用輕質隔墻，以減少建筑物荷載影響深度。

④本項目在基槽開挖過程中發現礦井，后通過補勘、礦井頂部增加蓋板的方式予以解決，耽誤了一定的工期。因此，在設計前期，應加強與地礦局的溝通，收集建設范圍內的礦井資料，避免在設計施工過程中礦井帶來的不利影響。

⑤采空區的產品由于受到場地限制，在產品定位時，應考慮建筑層數的影響，適當降低容積率，提高產品品質。

圖3 場地范圍內的礦井

6 結語

通過對這個項目的設計管理，如果不可避免的在抗震不利地段建造房屋，設計中應盡可能多的考慮各種不利因素，使建筑物更加安全可靠，以保證人民的生命財產安全以及房屋建筑的正常使用。