750 kV渭延輸電線路150號塔采空區塌陷調查分析

王亞軍

1 工程概況

2009年12月27日接到施工單位反饋的信息，750 kV渭延輸電線路150號塔地面出現塌陷，裂縫，塔體傾斜，地面起始沉陷時間為2009年12月24日，根據調查，150號塔下及其附近地表出現裂縫是由于正在開采煤礦引起的地面沉陷，屬新近沉陷。到目前為止，地表裂縫及沉降情況比較嚴重，塔基周圍高角度張剪裂縫達數十條，裂縫延伸長度12 m～396 m不等，最大落距近0.8 m，最大寬度達0.5 m，塔基附近裂縫延伸方向與煤層開采方向大致成25°～40°夾角，地面呈臺階式向東南方向傾斜。

2 壓覆區地質條件

壓覆區地貌單元屬于黃土殘塬，三面臨黃土沖溝，黃土沖溝深度40 m～60 m，海拔高度為900 m～1 000 m。該區內地質構造簡單，整體為一向北西傾斜的單斜地層，地層產狀總體較平緩，傾角2°～9°。區內覆蓋層為第四系黃土，下伏基巖主要為二疊系粉砂巖、泥巖及細砂巖。壓覆區主要開采分布厚度穩定的5－2煤層。該煤層埋深222.39 m～325.38 m，平均埋深291.73 m，煤層厚度2.6 m;煤層上覆基巖厚度76.39 m～252.43 m，平均厚度175.10 m。

3 煤炭開采方式及150號塔在地表移動盆地中的位置

區內煤炭開采方式為機械回采，開采煤層厚度約2.6 m，開采作業面為條式布置，寬度約150 m，長度約700 m，采深采厚比為146，日開采進速度為2 m/d，回風、送料、運輸巷道寬度約20 m。

150號塔位于地表移動盆地中的外邊緣區，屬于采空區外側礦層的上方，目前150號塔底下煤層還未開采，塔周圍裂縫的性質屬張拉裂縫，裂縫最大寬度50 cm，垂直落差70 cm，地面向盆地中心傾斜，裂縫垂直落差逐漸變小。

4 建立變形觀測網

為了觀測鐵塔的傾斜度和塔腿的水平位移，在穩定地塊上埋設控制樁，建立測量控制網，用于監測150號塔及塔基周圍地表的變形規律。沿線路方向和垂直線路方向布設兩條剖面線，兩條剖面線交點通過塔位中心，分別是剖面Ⅰ和Ⅱ(見圖1)。在剖面線上選擇主要地裂縫，并在地裂縫上、下盤布設觀測點，觀測塌陷裂縫隨時間的發展情況。另外在有可能發生潛在滑坡的地段垂直塌陷裂縫布設觀測剖面Ⅲ，觀測采空區塌陷是否會誘發坡體滑坡。變形觀測的目的是為采空區塌陷完成后對鐵塔糾偏工作提供科學可靠的測量數據。變形觀測的任務是觀測150號塔的傾斜方向，分別觀測沿線路方向和垂直線路方向傾斜角度;觀測塔基中心水平方向的位移;觀測主要地裂縫的變化情況。

4.1 地表下沉變形

從表1中累計沉降量可以看出:距采空區越近，地表沉降越劇烈。地面最大沉降量為觀測點Ⅱ-5(距采空區最近)，沉降量為375 mm;最小沉降量為觀測點Ⅲ-1(距采空區最遠)，沉降量僅為5 mm。此外，受塔基處局部荷載較大的影響，等值線在塔位處出現了不平滑的突變，主要是因為該處應力較集中。

表1 觀測日起塔腿及部分點沉降結果表 mm

為了反映2010年3月9日四個塔腿沉降的不均勻性，以沉降量最小的150-2塔腿為基準，計算目前四個塔腿的沉降差，從表1中可以看出，四個塔腿沉降量具有不均勻沉降的特點。

4.2 下沉速度

下沉速度是相鄰兩次觀測時間內單位時間的下沉值，它反映了變形劇烈程度。一般將下沉速度大于1.7 mm/d的這段時間稱為地表移動活躍期，150號塔中心點及四個塔腿沉降、下沉速度及變形時期見表2。可見各監測點下沉速度均大于1.7 mm/d，目前處于地表移動的活躍期。而且，離采空區較遠的點(150-2，150-3)下沉速度小于離采空區較近的點(150-1，150-4和Ⅰ-0)。從下沉速度降低幅度一欄可以看出，降幅均在40%以上，150號塔四個塔腿及塔中心下沉速度已經明顯趨于變緩，根據對該煤田老采空區調查，劇烈變形需要3個～5個月可以完成，隨后下沉速度減弱，沉降進入衰退期。

表2 150號塔四個塔腿及塔中心下沉速度

4.3 塔腿及塔腿中心水平位移

水平位移與沉降有相似的分布規律:距采空區越近，水平位移值越大(見表3)。各塔腿的水平位移方向大致與等值線垂直。將水平位移與沉降值進行矢量合成，可得到某點的總位移方向。

表3 塔腿及塔腿中心水平位移結果表 mm

4.4 鐵塔傾斜變形

觀測工作到目前為止共進行了4次鐵塔測斜工作，測量結果見表4。

表4 鐵塔傾斜觀測結果表

可以看出，鐵塔偏移量隨時間增加，偏移速度逐漸變緩(見圖2)，這也印證了地表變形速度在變緩。

鐵塔的傾斜方向與沉降等值線基本垂直。

5 地表變形的規律

區內煤炭開采方式為機械回采，開采作業面為條式布置，位于地表移動盆地外邊緣區的150號塔及其附近土體受張拉力作用，多出現張拉裂縫，裂縫寬度最大為0.5 m，由移動盆地外邊緣區向移動盆地中心區裂縫寬度變小，移動盆地外邊緣區影響范圍約60 m，向上擴散角度約80°，隨著開采工作面向前推進，150號塔變形逐漸變緩，在開采工作面前部又出現新的拉張裂縫。目前，該條帶式開采作業面從2009年4月開始～2009年4月完畢，形成了一個近似橢圓形的沉陷盆地。

6 地表變形的預測及處理措施

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》相關公式預測地表最終最大沉降、地表最大下沉速度和地表移動延續時間:

地表最終最大沉降Wmax=2.35 m(移動盆地中心區)。

地表最大下沉速度vmax=24.9 mm/d(活躍期盆地中心區)。

地表移動延續時間T=2.3年。

經過計算及對附近已經開采過的地面塌陷情況調查，該條塊地面完成塌陷尚需要2.3年，在150號塔劇烈變形末期應根據塔的鐵塔傾斜偏移量和水平位移量需要對塔進行垂直糾偏和水平糾偏，同時對150號塔四個塔腿包圍的范圍用素填土加高30 cm～50 cm，設置散水坡，使雨水集中排放到附近沖溝之中;對塔周圍地裂縫用3∶7灰土進行夯實處理，防止自然降水滲入地裂縫，使地面沉降加劇。

7 結語

1)由于150號塔位于地表移動盆地的外邊緣區，塔基變形經受了水平移動變形和塔體傾斜兩種變形方式，該塔下部煤層開采時還要經過第二次水平移動變形和塔體傾斜變形的影響。

2)該工程基礎設計時采取了結構措施，采用了復合大板式基礎形式，通過調平地腳螺栓，分期復位，可以對塔側斜進行糾偏，水平復位可用千斤頂將基礎進行水平復位，采空區采用復合大板式基礎是一種切實可行的方法。

3)對于線路跨越未來采空區，應走訪煤礦開采部門，詳細了解未來開采計劃，開采方式，采深采厚比，開采邊界，回風巷及送料巷寬度，使塔位選在未來煤礦開采形成的移動盆地的中心區，移動盆地中心區主要以下沉變形為主，地面裂縫較窄，上下盤錯距小，塔整體均勻下沉，水平位移不大，只需要預先加高與煤層厚度相等的塔身，不會影響線路的正常運行，另外移動盆地的中心區具有一次變形的特點，有利于日后對塔進行糾偏工作。

［1］林宗元.巖土工程勘察設計手冊［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，2007.