晉陽高速公路改擴建工程下伏采空區穩定性評價

李效廣，劉亞明

(1. 山西省交通開發投資集團有限公司 太原市 030006；2. 山西省交通科技研發有限公司 太原市 030032)

※基金項目：山西交通控股集團有限公司科技項目(20-JKKJ-55)，山西交通控股集團有限公司重點研發科技項目(20-JKKJ-2)

0 引言

近年來，隨著山西省高速公路建設的持續進行，多條高速公路不可避免地穿越采空區，采空區不良地質作用成為了山西省高速公路建設不可避免的難題。自太舊高速公路修建以來，大量學者開展了公路穿越采空區方面的研究[1-7]。

晉陽高速公路是山西省“九五”公路建設的重點工程，是繼太舊高速公路之后的第二條高速公路，1997年建成通車，并于2009年9月完成大修工程。本次晉陽高速改擴建工程綜合考慮路網規劃，擴建形式主要有新建與加寬兩種類型，新建段在多處穿越采空區，對采空區上方擬建的橋梁、路基和邊坡造成了影響。在對晉陽改擴建工程新建段穿越采空區的地質條件和要素特征充分查明的基礎上，針對不同類型采空區的特點，開展采空區的穩定性研究，為晉陽改擴建工程的建設和后期安全運營提供一定的技術支持。

1 晉陽高速公路改擴建工程煤礦采空區分布情況

通過調查與實測、物探與鉆探等手段，探明晉陽高速公路改擴建工程沿線涉及到8座煤礦，分別為晉普山煤礦、吳王山煤業有限公司、華陽煤業、下掌煤礦、大樹煤礦、北西村小窯煤礦、堯溝村煤礦、溝西聯辦煤礦，具體分布情況及參數見表1。

表1 晉陽高速公路改擴建工程煤礦采空區分布情況表

2 采空區穩定性評價

采空區變形是一個復雜長期的過程，采空區地基穩定性受地質條件、采礦條件、開采方式、采深、采厚、開采規模、開采時間等多種因素影響，參照工程實踐，本次采用的采空區場地穩定性評價方法有：巷道式采空區采用極限平衡法，不規則房柱式采空區采用采深采厚比法。

2.1 采深采厚比

沿線采空區多由村辦煤礦采用巷道式、房柱式等非正規開采方式開采，且開采年代己久，巷道分布無規律，采空區范圍無法實測，根據鉆孔揭露3號煤層厚度3.5～4.8m，9號煤層厚度1.3～1.7m，15號煤層厚度2～3m。對房柱式采空區采用采深采厚比法評價采空區場地穩定性，評價標準見表2，評價結果見表3。

表2 不規則柱式采空區場地穩定性等級評價標準

表3 采深采厚計算評價結果表

根據判定結果，晉陽高速公路改擴建工程沿線房柱式采空區場地均處于不穩定狀態。

2.2 極限平衡法

根據采空區專項調查及鉆探揭露，沿線采空區3#、9#煤層頂板巖性為泥巖、砂質泥巖，15#煤層頂板巖性為灰巖。利用各鉆孔揭露地層資料，計算巷道頂板穩定的臨界深度，松散土層的重度取值18.6kN/m3，巖石重度取27.5kN/m3，φ取值30°，巷道寬2～3m，交叉、拐角處寬度為5～6m。上覆巖土層平均重度γ=(18.6×h+27.5×H)/(h+H)kN/m3，橋梁P0=340kN/m2，路基P0=16kN/m2，臨界采深Hcr，可按式(1)計算。

松散巖體計算公式：

(1)

式中：B為采空區巷道寬度(m)；p0為公路路基基底壓力，包括行車荷載及路基、路面荷載(kPa)；γ為上覆巖層加權平均重度(kN/m3)；φ為上覆巖層加權平均內摩擦角(°)。

對比采空區的實際埋藏深度及臨界深度，按下式可求得采空區頂板的穩定系數Fs，按照《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)評價小窯采空區場地的穩定性，單一巷道式采空區場地穩定性等級評價標準見表4。

(2)

式中：H為巷道頂板的實際深度(m)；Hcr為巷道頂板的臨界深度(m)。

表4 單一巷道式采空區場地穩定性等級評價標準

代入式(2)計算，各段落巷道穩定性計算及評價結果見表5。

表5 巷道穩定性計算評價結果表

2.3 地基穩定性評價

沿線采空區多為村辦、鎮辦小型煤礦，以開采3#、9#、15#煤層為主，多為巷道式、房柱式開采。房柱式采空區，根據采深采厚比計算評價煤層采空區場地均為不穩定，易引起地表非連續變形，且存在時間和空間上的不確定性，地基不穩定，不滿足橋梁和路基的容許變形值。

溝西聯辦煤礦和華陽煤礦K22+600～K23+470段，路線范圍內為巷道穿越，根據極限平衡法評價煤層采空區場地為基本穩定～穩定，單一巷道對公路工程影響較小，且根據工程地質類比法，該路段原晉陽高速公路路基未發現由采空引起的變形，采空區滿足路基的容許變形值。

2.4 綜合評價及處治方案建議

根據采空區專項調查、物探及鉆探等綜合分析，本項目采空區未垮落或垮落不充分，地表塌陷形式為不連續，具突發性、不可預測性，綜合各種因素，采用多種評價方法，結合工程類型的重要性等級，依據《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)進行綜合穩定性評價，并提出處治建議。

根據采空區埋深及塌落特征，橋梁段淺層采空區采用樁基穿越法，如發現空洞及時用混凝土回填，橋梁段深層采空區和路基段推薦采用全充填壓力注漿法來處治采空區，未處治的路基段可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩定性，路面設計可采用柔性材料，以滿足采空區剩余變形要求，并設置警示標志措施等，避免后期可能出現突發變形。

3 結論與建議

在對晉陽改擴建工程新建段穿越采空區的地質條件和要素特征充分查明的基礎上，對晉陽高速公路改擴建工程沿線采空區進行了穩定性評價，巷道式開采非充分采動條件下，采空區的穩定性采用極限平衡法進行評價，房柱式開采非充分采動條件下，采空區的穩定性采用采深采厚比進行評價，在此基礎上，對場地的穩定性進行了綜合評價并給出了處治建議：

(1)晉陽高速公路改擴建工程沿線房柱式采空區場地均處于不穩定狀態。

(2)溝西聯辦煤礦和華陽煤礦路線范圍內為巷道穿越，評價結果為基本穩定～穩定，單一巷道對公路工程影響較小，且根據工程地質類比法，該路段原晉陽高速公路路基未發現由采空引起的變形，采空區滿足路基的容許變形值。

(3)橋梁段淺層采空區采用樁基穿越法，如發現空洞及時用混凝土回填，橋梁段深層采空區和路基段推薦采用全充填壓力注漿法來處治采空區，未處治的路基段可考慮加鋪土工布、土工格柵等材料，提高路基的整體穩定性，路面設計可采用柔性材料。