路基沉陷段采空區穩定性評估分析

張文成 楊柯

中交第一公路勘察設計研究院有限公司 陜西 西安 710075

1 采空區概況

陜西省榆林至神木高速公路屬省級高速公路榆商線，2010年12月8日，榆神高速公路建成通車。其中K668+650-K668+960段路基于2019年9月17日發生嚴重沉陷，最大沉降量約33cm，路面下沉開裂、局部位置路面隆起、涵洞洞身開裂，嚴重威脅榆神高速公路行車安全[1]。

發生路基沉陷的榆神高速公路路段位于神木縣棗稍溝煤礦采空區之上。棗稍溝煤礦為一村辦煤礦，已于2005年12月關閉。該礦開采3-1號煤層，平均開采厚度3.2m，路基沉陷段埋深約76.2～78.8m。3-1號煤層直接頂板巖性以泥巖為主，有少量粉砂巖，底板巖性以粉砂巖為主，厚約24～48m，煤層穩定，結構簡單。該礦煤層回采后，頂板采取全陷冒落法管理。

2 評估工作范圍

在公路路線縱向上為榆神高速公路K668+650-K668+960采空區路基沉陷段，長約310m，在橫向上評估寬度為公路路基中心線向兩側水平橫向各外延50m。評估面積為31000m2，勘探深度為采空區底板以下不小于3m[2]。

3 工作方法與手段

通過收集前期棗稍溝煤礦采空區勘察、設計、變形監測以及工后檢測等資料，獲得評估區已有的各種自然地理、地層巖性、工程地質、水文地質、采礦情況等資料，根據現場地面調查結合變形監測成果來分析判斷采空區的變形范圍，通過鉆探揭示采空區目前的三帶特征和巖體破碎情況，進行采空區覆巖穩定性分析。

4 采空區穩定性評價

4.1 采空區地表變形破壞形式

棗稍溝煤礦采用了房柱式開采方式，采空區范圍及影響范圍內存在大量地面裂縫和涵洞洞身裂縫。房柱式開采形成的采空區，地表變形破壞形式主要為抽冒型和切冒型破壞，分述如下：

4.1.1 抽冒型破壞。該類型破壞主要表現為煤柱相對穩定，煤房的頂板巖層發生破壞而冒落，冒落堆積體充填采空區。這種破壞形式在未發生破壞的煤柱間形成平衡拱結構，由于局部應力集中或構造作用，頂板部分垮塌，形成小范圍沖擊波，裂隙帶未與地表貫通，采空區能夠重新保持穩定。

4.1.2 切冒型破壞。該類型破壞主要表現為煤柱失穩，同時伴隨頂板巖層破壞，最終地表產生大面積瞬時切冒型塌陷。在煤柱垮塌的過程中，應力不斷向周邊煤柱轉移，頂板巖層逐漸向上破壞并發育至地表，形成陷落，此時采空區塌陷已脫離煤柱支撐為開采特征的基本模式和范疇，成為地層運動的地質災難。

調查發現，評估區路基呈對稱的弧形下沉盆地狀，地面有大量裂縫，結合鉆探驗證的采空區冒落情況，綜合判定該區域采空區目前破壞以切冒性破壞為主，同時部分煤柱也在上覆地層壓力作用下產生失穩破壞，致使裂縫發育至地表。

4.2 采空區穩定性定性判斷

根據鉆孔揭露評估區為軟弱覆巖結構，且埋深較淺，大致位于74.5～75m，采厚較大（平均采厚3.2m），其采深采厚比僅為H/M=23.4＜40。國內外采礦經驗認為，按停采采深采厚比確定采空區穩定性等級評價標準，采深與采厚比小于40，采空區處于不穩定狀態。故依此標準判斷采空區的覆巖容易產生塌陷冒落，根據勘察資料，在2008年該采空區的地表已經出現了塌陷變形，加上采空區地下水比較發育，該采空區上邊分布有第四系孔隙弱～中等富水含水層、碎屑巖類裂隙弱富水含水層，在地下水的作用下泥巖軟化開裂易碎，加速了采空區的變形。

根據2019年6月至2019年9月22日對采空區路段進行的變形監測資料顯示，該路基沉陷段形成了中間下沉量最大（達273.36mm）緊挨K668+806涵洞，兩側幾乎對稱的下沉盆地。

根據鉆探成果，采空區部位無掉鉆現象，巖芯較破碎，巖芯采取率較低，大約30%～40%，采空區高度從1.7m～3m，平均高度2.4m，僅有1個鉆孔漿液最大漏失量為26m3，其余位于鉆孔中的鉆孔雖有漿液漏失，僅有10～12m3，數量較小，且所有鉆孔孔口沒有吸風現象[3]。

綜上所述，初步判斷采空區已基本塌陷，但還存在采空區上覆基巖冒落之后形成架空結構的空隙。

4.3 剩余地表移動變形預測

根據前述成果，沿線的下伏采空區為房柱式結構，頂板采用全部垮落法管理，房柱式開采形成的采空區其穩定性與采空區礦層的開采條件、采深采厚比、覆巖性質等他因素密切相關，采空區的地表變形長表現為突發性，這類采空區一般難以進行地表沉陷的變形預測，對于規范中推薦的地表變形預測，可借鑒參考。

根據《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/TD31-03-2011）推薦的經驗計算公式和有限單元法對采空區的地表變形進行預測。

4.3.1 預測模型、參數選取。

4.3.1.1 預測模型。國內外地表移動研究表明，地表殘余移動分布規律符合概率積分模型，可以近似采用概率積分法進行計算。

4.3.1.2 預測參數。根據國內外采空區殘余移動變形的經驗，結合本區的地質采礦條件進行選取。

4.3.1.3 預測計算簡化公式。

最大沉降量： Wmax=ηm

最大剩余沉降量： W=αWmax

最大剩余傾斜量： i=W/r

最大剩余豎曲率： K=±1.52W/r2最大剩余水平位移： U=bW

最大剩余水平變形： ε=±1.52U/r

式中：η—為下沉系數，與礦層傾角、開采方法和頂板管理方式有關，單層開采時全部垮落法一般為0.6～0.8；多層重復開采時最大可達0.95；m—采厚；r—地表主要影響半徑，其值與埋深（H）呈正比，與煤層影響角（β=70°）的正切值成正比。即：r=H/tgβ；b—水平移動系數，取值范圍在0.25～0.35之間；α—綜合剩余沉降系數，根據地面調查、采礦調查、鉆探結果等因素綜合確定。

4.3.2 采空區殘余移動變形計算。3-1號煤的平均采厚為3.2m，采深74.5～75m，房柱式開采，頂板全陷式垮落法管理，煤層采取率約≥60%。根據鉆探成果，采空區目前幾乎全部塌陷。根據取芯情況，預計最大剩余沉降量可達總沉降量的10%（即α≤0.10）。由于屬單層開采，且上覆巖層為軟弱巖，下沉系數取η=0.80，tgβ=2.75，r=27.3，水平移動系數b=0.35，估算的剩余變形量結果為：

最大沉降量： Wmax=2560.00mm

最大剩余沉降量： W=256.00mm

最大剩余傾斜量： i=9.37mm/m

最大剩余豎曲率： K=±0.52mm／m2

最大剩余水平位移： U=89.6mm

最大剩余水平變形： ε=±4.99mm/m

4.4 采空區穩定性預測分析評價

不同等級的公路與不同類型的公路工程對地基的穩定性要求不同，當公路采空區剩余的地表變形量小于或等于公路工程的容許變形值時，對公路工程不會造成影響，當公路采空區剩余的地表變形量大于公路工程的容許變形值時，對公路工程產生較大影響。

根據現行的部頒《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）表7.6.4-2條和《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（JTJ 017-96）第5.1.2條的規定，以及根據交通部《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG D31-03-2011)表4-3采空區公路工程地質容許變形值規定。綜合考慮煤礦采空區以及第四系不良工程地質可能產生的地面下沉對公路運營質量和壽命的影響，對路基允許變形值規定如下：橋臺與路堤毗鄰處≤0.1m、涵洞或箱型通道處≤0.2m、一般路段≤0.3m、最大剩余傾斜量 i≤±4.0mm/m、最大剩余水平變形ε≤±3.0mm/m、最大剩余豎曲率 K≤±0.3mm／m2。

評估區采空區最大剩余沉降量為W=256.00mm、最大剩余傾斜量i=9.37mm/m、最大剩余豎曲率K=±0.52mm／m2、最大剩余水平變形ε=±4.99mm/m，各項指標中最大剩余沉降量W滿足一般路基的要求，其余指標稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道處≤0.2m的要求，綜上所述，該采空區對于一般路基目前處于穩定狀態，對于涵洞或箱型通道處于基本穩定狀態[4]。

5 采空區對路基的危害及治理方案建議

5.1 采空區對公路工程的危害性評價

煤層開采之后形成的采空區因煤柱留設不合理、煤柱失效、頂板強度下降等原因，在神木縣乃至榆林多數煤礦均造成大范圍的地面塌陷。調查數據顯示，截至2007年底，榆林市因煤炭開采形成的采空區面積達339.57Km2，且以每年10Km2以上的速度增加；已塌陷面積64.25Km2，造成大量的地表設施損毀。據不完全統計，因煤礦采空區塌陷造成受災戶已達2805戶9585人。地表塌陷直接損毀和影響房屋4500多間，損毀水澆地、旱地、林草地各數萬畝。此外，還有道路、工廠、水壩、輸電線路等設施也被損壞。

由于采空區覆巖厚度大，塌陷后碎脹的巖石壓實擠密仍然需要一個較長的過程，使采空區的沉陷將在一個較長時期內仍會繼續進行，對高速公路的運營產生一定的危害。

采空區冒落塌陷對高速公路路基造成破壞表現在以下幾個方面：

5.1.1 造成公路路基下沉。

5.1.2 路基在下沉同時，將伴有水平方向的位移。垂直于路線方向的橫向移動將改變路基原有的方向；沿路基縱向的水平變形，使路基受到拉伸和壓縮。由于這兩種移動的不均勻性，會使高速公路坡度發生變化、豎曲線形態的變化和路線方向的變化等。

5.1.3 路基隨地表的下沉而下沉。因地表變形的不連續與無規律下沉，使得路面的原有坡度出現無規律的變化。如果地表傾斜方向和路線坡度方向一致，路線坡度將增大；反之路線坡度將減小或形成反坡。路線坡度的增減，將使移動盆地內各段路線的運行阻力有所增減，長久運行，路面會產生下沉[5]。

5.2 治理方案建議

采空區治理方案主要依據地表的變形特征、地質與采礦特征等因素確定，該項目下伏采空區目前已經基本完全塌陷，無剩余空洞，不會再發生冒落這樣的突然地面產生較大下沉的狀況，但因為還存在著采空區上覆基巖冒落之后形成架空結構的空隙，在以后的時間里巖土體還存在著一定的壓實擠密的過程，從而產生一定的下沉量，但這個過程是長期緩慢的，目前還無法準確預測。由于評估項目下伏采空區的剩余變形量中的最大剩余沉降量W=256.00mm滿足一般路基的要求，其余指標稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道處≤0.2m的要求，綜上所述，該采空區對于一般路基目前處于穩定狀態，對于涵洞或箱型通道處于基本穩定狀態。所以，對于治理方法，建議對一般路基可采用維修路基路面的方案，并持續進行地表沉降觀測，對于對變形比較敏感的構造物（涵洞）部位采用注漿方法進行處治。

維修方案是指在采空區路段可考慮先修建高速公路，然后在運營期間，對該路段進行路基路面修復，但該方案僅適用于剩余變形量較小，不會產生突然嚴重冒落的高速公路下伏采空區。

注漿法治理方案是在地面上打孔，通過注漿孔將水泥粉煤灰漿注入采空區和上覆巖層的裂隙中，在阻止上覆巖層進一步的塌陷冒落的同時，消除上覆基巖因為擠密固結而產生的沉陷變形。