西露天礦周邊建筑物損害區位特征分析

高安琪，王金安，李 飛，謝 江

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083; 2.山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030002)

遼寧撫順西露天礦已有百年的開采歷史。隨著礦區地面建筑密度增大，開采影響區城市建筑物的穩定和安全問題越發突出。目前，關于地表沉陷影響下建筑物損害形式的研究很多，但大多數研究集中在地下開采引起的地表沉陷影響。如研究礦區不同位置下建筑物的損害規律[1]、殘余變形對建筑物地基的影響[2-3]、不同開采速度下的地表變形特征[4-7]、地下開采引起的復合地表變形對建筑物的影響[8-9]。對于邊坡移動導致地表沉陷的研究目前還僅限于實地測量和調查為主。

撫順市因采煤所造成的諸多房屋損害問題，早已引起國家的高度重視，但多年來國內外專家學者圍繞撫順西露天礦進行的研究主要集中于礦區地質災害勘探，如研究得到礦區北幫傾倒-滑移、沉陷-滑移變形機理，并提出一系列邊坡治理方法[10-14];通過弱層流變實驗，得到北幫蠕動變形規律以及巖石剪切強度隨時間變化函數[15];通過研究礦區南幫邊坡巖體節理發育情況，得到南幫邊坡穩定性因素，提出回填壓腳的治理方案[16-18]。對于坡頂變形與建筑物損害之間的關系、建筑物抗變形加固以及礦坑周邊城區安全尚待進一步研究。

盡管西露天礦已實施閉坑，但露天礦邊坡對周圍城區建筑影響仍未完全消除。筆者結合西露天礦邊坡坡頂變形規律、城區地質特征以及建筑損害現狀，重點分析西露天礦對周邊城區建筑物造成的影響，提出有針對性的加固措施與建議。

1 工程背景

遼寧撫順西露天礦位于望花區、新撫區、東洲區3區交界處，是人口、建筑密度最大的3個區。由于撫順市因礦而建，早年城市規劃不盡合理，礦區周邊新舊建筑物皆存在，分布如圖1所示。礦區周邊坐落著重要的公共設施、工業園區以及大量居民樓。礦區周邊城區建筑物對礦區開采引發的地質災害較為敏感，且災害影響范圍較廣、時間較長、后果較為嚴重。

撫順西露天礦地質復雜，局部地區呈倒轉向斜結構，巖石整體性較差。此外，南北幫斷層較多，巖層受構造運動影響節理十分發育，且多年地下開采導致礦區周邊導水裂隙帶進一步發育，邊坡水文地質發生變化，產生范圍較大的地表變形[19]。通過對北幫興平路W200～E3600地表進行監測，可知北幫地表變形主要發生于雨季，且E1200～E1400，E1800～E2400以豎直變形為主，其余部分以水平變形為主(圖2)。

圖2 北幫地表監測Fig.2 Surface monitoring in North side

南幫地表變形主要集中于W1000～E2300順層滑坡處，主要發生于2013—2014年，且以水平變形為主。由于南幫2013年發生特大型滑坡，地表變形值相比北幫較大，滑坡段邊坡最大變形量累計達到數十米，如圖3所示。

圖3 南幫地表監測Fig.3 Surface monitoring in South side

自2017年起，西露天礦停止露井聯合開采，現已完全停采。因此，礦區周邊范圍內坡頂城區地表監測的變形增量相對較小并趨于穩定。但由于礦區周邊水源眾多，巖層中的砂巖及軟弱夾層，在地下水的影響下遇水軟化，形成地層蠕變。且礦區周邊城區地表受到斷層活化的影響，地裂縫還在活躍。這些地表變形隨著時間的累計，仍對現有建筑物產生影響，造成基礎及墻體損害。

特殊的地質條件導致西露天礦區周邊城區地質災害叢生，如西露天礦以西1.5 km2塌陷區、石油一廠—中聯能源加氣站地裂縫帶、中聯能源加氣站-沈撫城際客運站地裂縫、千臺山南側地裂縫等，這些災害造成了礦區周邊建筑物的損害[20]。其中，最為典型的是石油一廠—中聯能源加氣站地裂縫帶，地裂縫的出現導致周邊石油一廠廠房墻體開裂、傾斜、錯動，地面起鼓，工廠被迫搬遷，直接損失約3 000萬元。經現場統計，結合三下采煤規程得出建筑物損害評定表[21-22]，見表1。

表1 建筑物損害評定Table 1 Damage assessment of buildings

可見，礦城協調建設與規劃已成為撫順市安全和可持續發展的重要戰略考量，這也向礦區周邊建筑物布局、建設和加固提出了迫切需求。

2 北幫地表變形與建筑物損害關系

西露天礦北幫城區建筑物大致分為工業區與居民區。由于建筑物密度大，對采動影響較為敏感。礦山開采導致的地表沉陷、地裂縫等地質災害，使得建筑物出現墻體開裂、錯動、外鼓、磚柱傾斜、地基脫離等現象，嚴重影響周邊居民生活[23-24]。

2.1 距礦坑邊界0～100 m建筑損害機制

距礦坑邊界0～100 m內常出現滑坡，影響區內建筑物多為20世紀60—70年代磚混結構平房，建筑物構件在受到滑坡影響后已不滿足安全性鑒定要求，如墻體沿受力方向產生超過層高1/2，出現寬度約50 mm的豎向裂縫、磚柱受地表不均勻沉降發生10°左右傾斜、基礎與地表脫離約30 mm、墻體出現撓曲鼓出約30 mm等現象，如圖4所示。

圖4 北幫0～100 m地質災害及城區建筑物損害情況Fig.4 Damage of buildings and geological disaster within 0-100 m from north side to mining area

為揭示北幫地表變形機制，采用FLAC3D數值模擬軟件對北幫E1800剖面進行開挖分析[25]，模型及位移矢量圖如圖5所示。由圖5可知，露天開采后，北幫邊坡坡頂產生指向坑內位移。出現此現象的原因是由于露天開采后，采場四周邊坡出現應力釋放區。由于邊坡巖體存在泥化夾層及大量節理，巖層整體性不高。因此，在卸荷變形過程中，節理數量的增多，導致北幫邊坡產生位移。隨著地表水平變形區域擴大，建筑物基礎下沉，甚至出現剪切破壞等現象，從而影響上部結構的安全性、使用性與美觀性，如圖6所示。

2.2 距礦坑邊界100～500 m內建筑損害機制

距礦坑邊界100～500 m內存在地表沉陷現象，影響區內建筑物主要為多層磚混結構，礦區西部建筑修建年代主要為20世紀60—70年代，礦區東部建筑物修建年代主要為20世紀80—90年代。建筑物底部墻體產生50 mm左右水平錯動，且部分建筑物墻體開裂，開裂寬度為1～500 mm，開裂形式主要有豎直裂縫、水平裂縫、“丁”字裂縫、網狀裂縫等，開裂位置主要為外墻體、門窗角處、窗間墻、女兒墻等，如圖7所示。

同樣以E1800剖面為例，揭示北幫100～500 m范圍內地表變形規律，北幫地表豎直位移云圖及最大豎直位移區矢量圖如圖8所示。由圖8可以看出隨著地表變形向北發展，北幫F1，F1A之間的“三角楔形體”由于底部的應力集中點應力釋放向南傾倒，且豎直位移主要集中于這一部分。

圖5 距北幫0～100 m數值模擬模型及位移矢量Fig.5 Numerical model and displacement vectors within 0-100 m from north-side slope

圖6 距北幫0～100 m城區建筑物損害機制Fig.6 Damage mechanism of buildings within 0-100 m from north-side slope

圖7 距北幫100～500 m地質災害及城區建筑物損害情況Fig.7 Damage of Buildings and Geological disaster within 100-500 m from north-side slope

圖8 距北幫100～500 m地表變形數值模擬結果Fig.8 Numerical simulation results of surface deformation within 100-500 m from north-side slope

據文獻[26]可知，坡頂變形受采空區下沉以及邊坡傾斜因素共同影響，最初位移與邊坡傾斜方向一致，隨著時間的推移，變形逐漸由坑內轉向城區地表[27]。北幫F1斷層距礦坑邊界0～300 m、F1A斷層距礦坑邊界0～700 m，當兩斷層間“三角楔形體”南傾后，F1A斷層受拉產生裂隙。抗剪力差的第四紀土與白堊紀砂巖受重力以及滲流的作用向下填充至深部孔隙內，從而產生地表沉陷區，位于外邊緣區建筑物底部墻體受拉產生水平變形[28]，如圖9所示。

圖9 距北幫100～500 m城區建筑物損害機制Fig.9 Damage Mechanism of Buildings within 100-500 m from north-side slope

2.3 距礦坑邊界500～700 m內建筑損害機制

距礦坑邊界500～700 m存在兩條地裂縫，影響區內建筑物主要為20世紀80—90年代多層磚混結構。由于地表向南移動，斷層處地表變形變化率過大，使得地表受拉破壞，產生地裂縫，而位于地裂縫周圍的建筑物墻體受剪破壞。

以E1800剖面為例的數值模擬中也表示，隨著F1，F1A間的“三角楔形體”向南傾倒，F1A以北各斷層附近地表水平位移增大，易產生地裂縫，如圖10所示。

Ⅰ號地裂縫位于礦區北部W1100～E1300內撫順石油一廠周邊工業區，西起石油一廠西側，東至中聯能源加氣站，橫穿石油一廠及發電廠，長度約為2.5 km，如圖11所示。受Ⅰ號地裂縫影響，石油一廠墻體出現上下貫通裂縫，裂縫寬度均大于30 mm，廠區地面不均勻沉降嚴重，沉降最大值約為200 mm。廠房大多為磚混結構，由于墻體開裂嚴重，廠房頂部采用外包型鋼加固，如圖12所示。

圖10 距北幫500～700邊坡與地表變形數值模擬結果Fig.10 Numerical simulation results within 500-700 m from north-side slope

圖11 Ⅰ號地裂縫位置Fig.11 Position of ground fissure No.1

圖12 Ⅰ號地裂縫影響區建筑物損害情況Fig.12 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.1

Ⅱ號地裂縫位于E1400～E2400范圍內居民區，西起中聯能源加氣站東側，東至沈撫城際客運站，橫穿西四路至西七路內居民區，長約為1 km，如圖13所示。地裂縫導致其上建筑物墻體開裂、陽臺損害。其中，最為典型的是西四街8號、沈陽凱萊國際雙語幼教園南側房屋、西三街11號、解放路13號以及西七路9號，這5棟住宅樓均處于Ⅱ號地裂縫上，且建筑物長軸方向均垂直于地裂縫走向。由于地裂縫南部地區沉降較北部地區大，導致裂縫上建筑物墻體受剪破壞[29]，出現4 mm左右、方向為自北向南延伸、北高南低的斜裂縫，且部分房屋沉降縫被破壞，如圖14所示。

圖13 Ⅱ號地裂縫位置Fig.13 Position of ground fissure No.2

3 南幫地表變形與建筑物損害關系

西露天礦南幫地質災害主要為地裂縫，影響區內建筑物主要為20世紀60—70年代低層磚混結構。Ⅲ號地裂縫位于千臺山南側W700～E2300內，西起煉油廠，東至F5斷層，長約3.1 km，最大寬度為40 m，最大落差為18 m，如圖15所示。受地裂縫的影響建筑物墻體超出其極限承載能力，產生2～10 mm“人”字型裂縫，甚至出現10 mm左右墻體水平錯動，如圖16所示。

圖16 Ⅲ號地裂縫影響區建筑物損害情況Fig.16 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.3

為揭示南幫地表變形機制，采用CDEM數值模擬軟件對南幫E400剖面進行模擬[30]，如圖17所示。結果表明，順層滑坡發生于邊坡的中上部，巖體隨著滑移面的貫通開始向下運動，并在邊坡的后緣產生一系列張拉地裂縫。

發生此現象的原因主要為南幫順傾巖層受小型斷層切割，巖石整體性下降。且由于礦區采場地勢較低，巖層多年受楊柏、劉山舊河道及周邊城區污水的定水位補給，導致沖積層內水量豐富。水源通過巖石孔隙、巖層間接觸面以及斷層裂隙帶向礦坑滲流，導致巖層軟化，強度降低，使得邊坡產生蠕變現象。在雨水沖刷的影響下，南幫順層巖層發生滑坡，從而產生Ⅲ號地裂縫。

4 撫順城區地質災害影響區位特征

根據以上分析得出撫順城區地質災害影響分區,如圖18所示。邊坡卸荷影響區主要為礦坑北部0～100 m，地表沉陷影響區主要為礦坑北部100～500 m，地裂縫影響區主要為礦坑北部500～700 m以及南部0～600 m。

圖17 南幫邊坡損害機制模擬分析Fig.17 Simulation analysis of the damage mechanism of the southern slope

匯總建筑物區位特征見表2，由表2可以看出建筑物損害嚴重區主要集中于北幫0～100 m以及南幫0～200 m，該范圍內工業廠房較多，建筑物損害主要為墻體開裂、錯動、外鼓以及地基脫離等。其余區域內建筑物損害較輕，且損害主要集中于磚混結構。

5 建筑物抗變形加固措施

采動區地表建筑物抗變形加固措施有很多種，主要分為2類:① 剛性保護措施，② 柔性保護措施。

圖18 撫順城區地質災害影響分區Fig.18 Geological hazard impact zoning in Fushun urban area

表2 建筑物損害區位特征Table 2 Location characteristics of damaged buildings

5.1 北幫建筑物加固措施

距礦坑0～100 m:建議此區域建筑物的抗變形加固工作重點放在基礎加固。對于既有建筑物，用水泥漿或混凝土基礎環氧樹脂進行基礎注漿加固。在無法進行注漿加固的情況下，可以將獨立基礎改為條形基礎、條形基礎改為筏板基礎或增加基礎連系梁。對于少量樁基礎建筑物可采用錨桿靜壓樁的方法進行建筑物糾偏。對于新建建筑物，應選擇對地表變形有更好適應能力的筏板基礎或者楔形基礎，若選用條形基礎則應增設基礎連系梁，并在基礎與上部結構之間設置水平滑動層。

(1)距礦坑100～500 m:建議此區域建筑物的抗變形加固工作重點放在墻體以及梁柱加固。對于既有建筑物在將現有裂縫填充的基礎上，還可采用增大梁柱截面積、外加鋼板、外包碳纖維等方法。對于新建建筑物設置構造柱、圈梁等。

(2)距礦坑500～700 m:建議此區域建筑物的抗變形加固工作重點放在墻體以及陽臺梁加固。對于既有建筑物可以選用在陽臺梁底端增加三角型型鋼的方式，或在陽臺梁與外墻之間設置鋼拉桿的方式，且重點加固窗下墻體。對于新建建筑物設置構造柱、變形縫，門窗洞口處設置加強帶等。

(3)距礦坑700～1 000 m:由于此區域建筑物距礦坑較遠，損害情況較輕，只有少數建筑物出現陽臺損害現象，因此在進行抗變形加固時只需將現有裂縫用砂漿填充即可。

5.2 南幫建筑物加固措施

(1)距礦坑0～200 m:建議此區域建筑物的抗變形加固工作重點放在基礎加固，增大基礎底面積，以增強基礎的抗變形能力。對于上部結構設置構造柱、圈梁等。

(2)距礦坑200～600 m:建議此區域建筑物的抗變形加固工作重點放在墻體以及梁加固。通過加鋼筋網或增加配筋的方式，提高梁、墻的抗變形性能。

6 結 論

(1)西露天礦北幫周邊城區建筑物較為集中，主要受邊坡卸荷變形、地表沉陷、地裂縫的影響，損害類型較多，且磚混結構建筑物損害情況較框架結構建筑物嚴重，修建年代早的建筑物較修建年代晚的建筑物嚴重。

(2)西露天礦南幫周邊城區建筑物主要受地下水滲流、順層滑坡、地裂縫的影響，損害情況較北幫輕微，距離礦坑邊界越近的建筑物，損害情況越為嚴重。

(3)通過綜合分析建筑物修建年代、結構形式、破壞程度，得出礦區周邊城區建筑物破壞區位特征。

(4)提出了各類建筑物的抗變形加固建議:距北幫0～100 m內地面建筑物重點加固基礎，100～1 000 m內建筑物重點加固上部結構;距南幫0～200 m內地面建筑物重點加固基礎，200～600 m內建筑物重點加固上部結構。