淺議公路下伏采空區路線方案研究

淺議公路下伏采空區路線方案研究

蘭志雄盧冬生黨高峰孫釗

(湖北省交通規劃設計院武漢430051)

摘要針對公路項目區域內存在的采空區，按照公路路線選線原則，分別擬定了經過采空區、繞避采空區2種路線方案，并結合采空區的治理對2種路線方案進行綜合比選，最終提出繞避采空區的路線推薦方案。

關鍵詞采空區公路采空區治理選線

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.032

收稿日期：2014-11-07

公路下伏采空區路段，由于采空區地表的移動變形，會使公路路基受到相應的影響，產生多種病害。如由公路路基的過量沉陷或差異沉陷引起的路基開裂；由地表水平移動與變形導致的公路路基壓縮或拉伸形變；由地表沉降與變形共同導致的公路縱坡及豎曲線現狀改變，從而產生的地表傾斜變化，等等。由于采空區引起的公路病害嚴重影響行車安全，因此，設計階段嚴把選線關成為公路建設的重要環節[1]。

本文遵從“以人為本、環境友好、資源節約，可持續發展”的設計原則，遵循安全、環保、舒適、和諧等設計新理念[2]，對公路項目經過采空區段路線選線及采空區工程治理方案進行研究探討。

1項目簡介

黃石至陽新一級公路位于湖北省東南部，東經115°06′～ 115°13′、北緯29°48′～30°10′之間，路線走廊北起黃石市，南止于陽新縣。全線采用設計速度為80 km/h的4車道一級公路標準，路基寬度24.5 m。

由于大冶湖橫亙于黃石市與陽新縣城之間，本項目不可避免地需要跨越大冶湖。考慮路線的順直便捷、項目總里程最短等因素，本項目優先考慮在金海開發區以西直接跨越大冶湖(見圖1中A方案)，但該方案大冶湖湖面寬約3.3 km，橋梁規模大，投資大。而大冶湖在金海開發區以北區域則湖面狹窄，最窄處湖面寬約1.8 km，雖然路線總體迂回，但跨湖橋梁規模小，具備較大的比較優勢，因而項目組在該段附近布設了比較方案(見圖1中B方案)。

但經實地勘察，B方案沿線大冶湖南岸煤炭儲量豐富，地下采煤活動強烈，存在一定規模的采空區。如何確定推薦方案，需要對A，B 2方案進行綜合的比選。由于B方案沿線存在一定規模的采空區，因而首先需要對采空區的綜合治理進行詳細的分析。

圖1　跨大冶湖兩方案示意圖

2采空區簡介

根據本項目相關專題《黃石至陽新一級公路工程大冶湖南岸地質災害危性評估報告》(以下簡稱《評估報告》)提供的資料，B方案位于陽新縣七約山礦區紅家咀井田和瓦咀井田境內，區域內采空區面積約為1.33 km2。

根據采空區鉆探成果資料，該項目采空區分布2層，第一層采空深度范圍22.8～26.4 m，平均深度24 m，采厚約1.9 m。第二層采空深度范圍100 m左右，采厚約3 m，采深采厚比(H/M)<40。煤層傾角在10°～33°之間，傾角較緩。采煤方法采用走向長壁、巷采、房柱式開采等，頂板管理方法采用陷落法。

3采空區的危害

由于較長時間的地下采煤和疏干排水，致使區域內發生了一系列地質環境問題和地質災害。根據《評估報告》資料顯示，煤礦采空區導致項目區域先后形成塌陷20余個，破壞小學2座，40多戶民房搬遷或報廢，破壞土地面積約26.67 hm2，涉及8個自然灣，人口1 950人。經濟損失極大，社會影響較大。而公路下伏采空區時，由于采空區地表的移動變形，會使公路路基受到相應的影響，產生多種病害，如路基開裂、壓縮或拉伸形變等等，這直接破壞了路基的強度、穩定性、耐久性[3]。因此，需要對采空區進行必要的工程治理。

4采空區工程地質條件

(1) 地形地貌。采空區處于湖積平原地貌與垅崗地貌過渡地段，湖積平原地貌地面高程在12.00～17.00 m之間，地表覆蓋層主要由第四系全新統黏土、粉質黏土、砂土等組成。垅崗地貌地勢起伏較大，低處多為河流水系，沿線地面高程多在25～70 m之間，區內局部基巖出露，絕大部分為第四系松散層所覆蓋。

(2) 地層巖性。采空區的地層情況自上而下為雜填土，層厚1.9～3.5 m；第四系(Q4)地層，大部分為耕植土、湖濱部分為湖積淤泥，層厚0～18.45 m；白堊-第三系東湖群(K-R)，主要為紫紅色細砂巖-含礫砂巖，偶見灰棕-暗紫色塊狀玄武巖，厚層狀，最大厚度為306.74 m。

5采空區治理方法

(1) 采空區治理原則。根據相關標準規范及國內外案例，針對不穩定采空區位于路肩范圍內的路基工程段，采用注漿、干(漿)砌支撐法、明挖回填夯實處理等；橋梁工程當其墩臺位于塌陷區或變形區時，其樁基應設置在采空區底板以下1～2 m，具體可視底板地質條件確定；如隧道區域內存在采空區時，隧道應盡量繞避采空區，確因路線總體走向限制無法繞避時，當采空區位于隧道拱頂時，可采用注漿、漿砌回填處理措施，若采空區位于仰拱以下，可視采空區深度采用開挖回填或注漿處理等措施。

(2) 采空區穩定性評價標準。不規則柱式采空區場地穩定性等級評價標準見表1。

作者貢獻聲明 林仲：收集數據，參與選題、設計及資料的分析和解釋；撰寫論文；對編輯部的修改意見進行修改。吳榮瀚：參與選題、設計和修改論文的結果結論

表1　不規則柱式采空區場地穩定性等級評價標準

根據鉆探資料揭示，B方案所經的采空區埋深范圍平均約100 m，采空區厚度平均約3 m，因此其采深采厚比(H/M)<40，路段場地穩定性等級為不穩定狀態，因而需要進行治理。

(3) 治理方法。根據相關規范及國內現有案例，采空區處理措施主要方法有注漿法、干(漿)砌支撐法、開挖回填法、強夯法、跨越法等。結合本項目采空區情況，由于項目區域內煤層采空區的直接頂板為砂質泥巖和泥質粉砂巖，巖質較軟，巖石質量等級為IV-I級，巖體穩定性差，易發生坍塌、冒頂，適合注漿治理，不適合開挖回填、砌筑等非注漿方法。由于采空區開采方法采用了走向長壁、巷采、房柱式開采等方法，且頂板管理為陷落法，亦適合注漿治理。再者，本項目區域內采空區有上下2層，第一層深度在24 m左右，第二層深度在100 m左右,采深采厚比(H/M)<40,整體處于不穩定狀態，且煤層傾角在10°～33°之間，且采空形成時間較長，也適宜選用注漿法進行采空區處理。

綜上所述， 選用注漿法進行采空區處理。

6采空區治理計算

根據相關行業標準《采空區公路設計與施工技術細則》[4]，采空區治理范圍包括沿公路軸線方向上的治理長度、垂直軸線方向上的治理寬度及垂向上的治理深度。

(1) 治理長度計算。根據項目組實地勘察以及專題研究單位勘察的結論，本項目B方案需要治理的采空區長度為1 400 m。

(2) 治理寬度計算。采空區處治的寬度B由路基或橋隧寬度、圍護帶寬度、采空區覆巖移動的影響寬度3部分組成，示意圖見圖2，計算公式見下式：

B=D+2d+D′

式中：D為路基或橋隧寬度，m；d為圍護帶寬度，m；D′為采空區覆巖移動影響寬度，m。

圖2　水平礦層采空區治理寬度計算簡圖

路基或橋隧寬度確定：路堤部分以公路兩側路堤坡腳為界；路塹部分以兩側塹頂邊界為界；橋梁以橋寬為界；隧道以隧道寬為界。圍護帶寬度宜按表2的規定取值。

表2　公路采空區治理維護帶寬度 [4]

該段煤層傾角在10°～33°，考慮本項目尚處于前期研究階段，為簡化計算，本研究報告按水平礦層采空區治理寬度計算，具體計算如下。

B=D+2d+D′=24.5+2×10+2×

(20×cot45°+80×cot65°)=159.1m

根據規范公式理論計算，該處治理寬度達到159.1 m，考慮未來剩余沉降量影響范圍有限，本次實際計算取橫向治理寬度100 m計算。

(3) 鉆孔設置。鉆孔設置參照國內現有案例及規范要求，采用“梅花形”布孔,見圖3。沿路線中線上排距按照20 m設置，路基范圍內(按照30 m界限)每排注漿孔距按照15 m設置，路基范圍以外(30～70 m范圍內)孔距設置為20 m，邊緣帷幕孔孔距為15 m。預計注漿鉆孔總量為690個，鉆孔總長為69 000延m。

圖3采空區治理鉆孔布置示意圖

(4) 注漿總量計算，根據相關規范標準，采用下列公式：

式中：S為采空區處治面積，m2；M為礦層平均采出厚度，m；ΔV為采空區剩余空隙率，%；K為回采率，%，通過實際調查確定；A為漿液損耗系數，可取A=1.0～1.2；η為充填率，%，取η=80%～95%；C為漿液結合率，%，經實驗確定，無實驗數據時可取C=70%～95%；為巖層傾角，(°)。

本項目注漿總量計算為：

0.8×1=476 280m3

(5) 治理費用估算。根據相關規范，并結合黃石地區實際情況，注漿材料選用水泥+粉煤灰混合料做填充物，填充造價約需10 478萬元；灌漿填充施工需要鉆孔，每延米需300元，總體約需2 070萬元；此外，本項目壓覆礦產約需賠付283萬元；因此本項目煤礦采空區治理費用約需12 831萬元。

(6) 相關計算結論。黃石至陽新一級公路B方案由于存在一定規模的地下采空區，根據勘察揭示，采空區治理長度為1 400 m，擬采用注漿法進行治理。根據現行相關標準規范計算方法，該方案采空區注漿治理總費用約需12 831萬元。

考慮本項目尚處于工可研究階段，因此仍有必要針對A，B 2個方案進行綜合比選。

7方案研究比選結論

在B方案采空區治理費用明確之后，繼續對A，B 2個方案進行綜合比選，見表3。

表3　A，B方案綜合比較一覽表 [5]

由表3可見，盡管B方案所經大冶湖最狹窄區域，跨湖大橋規模小，且距離金海開發區城鎮較近，存在一定的優勢。但綜合考慮采空區治理費用之后，其總體造價卻高于A方案。而且未來若實施B方案，則采空區治理從施工技術、施工管理、施工質量、施工周期、治理費用、后期運營、后期管理等諸方面，均存在一定的困難及風險。因而本項目本階段推薦繞避金海采空區，即推薦A方案。