下伏采空區高填路基的穩定性分析

沈曉平 段高飛

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210096 ）

0 引言

山區高速公路難免遇到煤礦采空區的工程地質問題，而煤礦采空區下高填路基的穩定性分析是一個多因素耦合的復雜問題[1]。現煤礦采空區高速公路治理多采用繞避法、橋跨板跨法、混凝土支撐法、注漿充填法等[2]。本文針對烏魯木齊某高速典型下伏采空區的高填路基為例，通過對采空區高速公路的彈塑性有限元計算，模擬了注漿充填法治理前后路基的變形及受力響應特征，探討高速公路下伏采空區的有效工程對策，為采空區高填路基方案設計提供科學參考。

1 工程背景

烏魯木齊某高速在K22+600～K22+920 處跨越煤田采空區，影響路段約為320m。設計原對采空區的治理進行了專項設計，由于采空區煤礦用地未能及時交付治理單位，露天煤礦在三年時間里一直存在開采現象，導致露天煤礦區域地貌發生巨大變化，在原初詳勘階段時其開采深度約30m，經過幾年的開采，最深處已達90m，如圖1 所示。

針對露天煤礦區域地貌發生巨大變化的情況，再次開展煤礦采空區的物探和鉆探勘察工作，以指導煤礦采空區治理工程設計變更，擬采用路基型式通過該煤礦露天礦坑，且路段存在超高路基填筑，技術難度大，國內類似工程處置案例較少。

圖1 采空區地形地貌

2 采空區工程地質特征

該煤田采空區煤礦年生產能力為9 萬噸。礦井位于烏魯木齊山前拗陷帶八道灣向斜南翼，呈陡傾單斜巖層構造，煤層平均傾角79°，水平厚度 46m。煤層頂板為細砂巖，底板為粉砂巖，開采深度250m。礦井開拓方式為立井開拓，采煤方法為倉儲式。根據原采空區勘察的地質情況，通過分析及理論計算，綜合考慮各種方案，原設計線路選擇從煤礦預留安全煤柱上通過。線路大部分處于移動區和變形區，必須經過處理才能滿足擬建道路工程要求。

擬建場地屬低山丘陵區，總體地勢南高北低，海拔高程在 778～893m 之間，現區域內存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區，局部已回填，可見較多塌陷坑。

煤礦采空區主要地層有侏羅系下統八道灣組、三工河組、侏羅系下統西山窯組、第四系。由上而下，主要為雜填土、黃土狀粉土、卵石、強風化砂巖、中風化基巖、煤層、微風化砂巖。采空區范圍內僅出露中侏羅統西山窯組（J2x）和第四系（Q）地層。

1、中侏羅統西山窯組（J2x）

為區內主要含煤地層，呈北東-南西向帶狀分布于治理區，為湖相及泥炭沼澤相沉積。巖性以灰色、深灰色泥巖、粉砂巖、細砂巖為主，含炭質泥巖及煤層，夾不穩定的灰及灰白色中砂巖。地層總厚762.65m。

2、第四系（Q）

區內第四系廣泛發育，均覆蓋在較老地層之上。厚度0-191.78m，平均50.34m。自下而上可分為中更新統（Q2）、上更新統（Q3）和全新統（Q4），分述如下：

（1）中更新統（Q2）

為鈣質半膠結或未膠結的礫石層，夾透鏡狀亞砂土層。礫石成分復雜，多為洪積、沖積的火成巖塊和變質巖塊，其次為砂巖塊。顏色一般為灰色、灰綠色、雜色，滾圓狀，分選性一般較差。厚0-99m。

（2）上更新統（Q3）

為風積的亞砂土、亞粘土，一般不含或含少量的砂及礫石。廣布全區，厚0-42.50m。

（3）全新統（Q4）

多分布于山麓及現代溝谷之中，為灰-灰黃色砂、礫石。為坡積、洪積、沖積松散堆積。厚0-15.30m。

3 采空區數值模擬

3.1 模型建立

本文基于Midas-GTS 構建下伏采空區高填路基的地質力學模型，分析采空區在自重及路堤荷載作用下的應力和位移變形規律。

根據物探、前期鉆探資料及采空區分布，建立起二維地質模型，給模型施加位移邊界條件。在路基縱向方向上，施加X 向鉸支座加以限制；在垂直方向上，底邊界施加固定鉸支座加以限制。模型上部邊界為自由邊界。本次計算有以下假設條件：由于巖體組成和結構的復制性，在計算中同一地層均按照各向同性介質處理，巖體中存在的節理裂隙的影響在物理參數的選取中進行統一的考慮。

根據物探結果顯示，本項目距離地表50m 以下存在形狀不規整的采空塌陷區，將空洞假定為方形斷面，尺寸為40m×40m。模型路基寬度37.5m，填高70m，采用1:2 坡率，每10m 填高設置5～10m 寬的邊坡平臺。模型各巖層分布情況如圖2 所示，第四系（黃土）厚度為160m，煤層最厚處480m，最薄處320m。本文采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，為準確獲取計算參數，項目進行了礦區典型地層、煤層鉆芯取樣進行了室內力學試驗。計算參數以工程地質勘察報告及最新物探勘察實驗數據為主要選用依據，同時參考了當地經驗值，對個別數據進行合理換算，原則上選用數據與現場實際一致。采用的巖體物理力學參數見表1、表2。

圖2 模型各巖層分布圖（單位:m）

表1 計算參數表

表2 加固處理后計算參數表

3.2 注漿治理前數值模擬

3.2.1 自重條件下場地應力平衡

圖3 為自重荷載作用下場地豎向應力場云圖，由于缺少該地區的地應力測試資料，計算中沒有考慮地層的構造應力。初始應力由自重應力場構成，且認為在自重荷載作用下，地基沉降已經完成。

圖3 自重荷載作用下場地豎向應力場云圖

由圖3 可以看出，豎向應力體現出層狀結構分布特征，豎向應力從上到下逐漸增大，符合巖體自重應力場的分布規律，且應力在采空區附近出現明顯的應力跌落，可見采空區區域無法承受較大的應力荷載，這與文獻[3]研究成果類似。

3.2.2 路堤穩定性分析

圖4 路堤填筑應力位移云圖

（1）第一主應力情況如圖4（a）所示（云圖中標記的值為采空區上部和下部對應應力的值），模型的應力呈層狀結構分布，在采空區周圍有部分應力集中表現，并以頂板中心為圓心呈弧狀向地面范圍延伸。最大主應力位于采空區頂部，其值為F1= 186.5kPa，該值比較接近該地區煤層的抗拉強度值。采空區頂部承受如此大的主拉應力，極易產生塑性破壞，造成采空區塌陷、路基失穩的后果。

（2）圖4（b）為第三主應力云圖，第三主應力即主壓應力，由云圖中可見，最大主壓應力值較小，滿足圍巖抗壓強度要求。

（3）結合圖4（c）和圖4（d）可知，路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降發生在第四系（黃土）土層，對應高速公路位置在路堤坡腳兩側，而兩側地面有隆起的趨勢。說明路堤填筑過程中坡腳兩側的形變較大，兩側基土極不穩定。

（4）由圖4（c）、圖4（d）可知，最大水平位移為約3.6m，最大沉降4.9m，說明巖體系統的相對平衡狀態被破壞，產生的變形量較大，需要采取相應的治理措施。

（5）路堤填筑過程中，圖4（d）采空區頂部產生了49.5cm 左右的沉降，采空區下部會產生29.6cm 的沉降。說明采空區頂部承受較大的拉應力，很容易在該區域發生塑性破壞。綜上所述，高填路堤可能出現的變形與失穩問題在數值模擬上基本得到反映，必須對采空區進行加固處理。

3.2.3 路堤邊坡穩定性分析

圖5 路堤邊坡滑動面位置及安全系數圖

采用Midas-GTS 內置的強度折減法對路堤邊坡穩定性進行計算分析，路堤邊坡安全系數Fs=1.76，滿足路堤邊坡穩定性要求。

3.3 注漿治理后數值模擬

本路段為高填路堤，路堤自身荷載大，沉降難控制，且空洞埋深較淺，項目采用注漿充填法處理采空區，并且對第四系（黃土）也相應的進行注漿處理。

3.3.1 自重條件下場地應力平衡

圖6 自重條件下場地豎向應力云圖

分析表明豎向應力仍體現出層狀結構分布特征，豎向應力從上到下逐漸增大，應力在采空區附近應力跌落的趨勢有所減緩但仍存在。

3.3.2 路堤穩定性分析

圖7 路堤填筑應力位移云圖

圖8 注漿前后地表位移變化曲線

（1）從圖7（a）、圖7（b）可以看出，經注漿治理后，模型的采空區處沒有受拉區域，減少了采空區附近發生塑性破壞的風險，說明從應力狀態看，治理方案效果明顯，采空區趨于穩定。

（2）結和圖7（c）和圖7（d），分析發現路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降仍發生在第四系（黃土）土層，其對應的高速公路位置為路堤兩側坡腳附近，說明兩側坡腳的形變控制需嚴格把關。工程中，應重視路堤填料的選取以及路堤填筑施工的質量，需對路堤填土充分壓實，待路堤沉降穩定后再進行路面施工。原設計已通過放緩邊坡、設置平臺分攤荷載，可進一步在路基中加鋪土工格柵控制差異沉降，增加路基的整體性[4]。

（3）注漿治理后，采空區范圍水平、豎向位移量整體減少，采空區頂部與下部沉降差較治理前減少了40.2%。路基最大水平位移約為0.3m，施工期最大沉降為0.6m 左右。說明路基的變形得到有效抑制，穩定性有所提升。由圖7（d）可知但路堤兩側地面仍存在隆起的趨勢，基土仍可能出現塑性擠出，不利于路堤穩定。邊坡外側設置一定高度的反壓護道是一種增強高填路堤穩定性的可行方案。

（4）圖8 為注漿前后地表位移變化曲線，橫坐標距離表示節點至路基中線的距離。治理前后的水平和豎直位移的峰值都在坡腳內側出現，工程中應重視該位置的形變控制。注漿治理后，路基中部的地表水平位移及地表沉降變化不大，而坡腳水平位移及地表沉降明顯減少，說明注漿治理有益于控制路基橫向差異沉降。

3.3.3 路堤邊坡穩定性分析

圖8 路堤邊坡滑動面位置及安全系數圖

由計算結果可知，路堤邊坡安全系數Fs=1.79，是滿足路堤邊坡穩定性要求的。通過注漿處治后路堤邊坡安全系數也得到了提高。

4 結論

(1)針對煤礦采空區的復雜地形，高填路堤可能出現的變形與失穩問題在數值模擬上基本得到反映。采空區頂部承受較大拉應力，極易產生塑性破壞；最大水平位移和最大沉降位于第四系土層，對應路基的坡腳兩側，說明兩側基土極不穩定，有必要采取治理措施。

(2)采空區及第四系（黃土）進行注漿加固處理后，采空區頂部塑性破壞的風險和路基變形量得到控制，邊坡穩定性也得到提升。

(3) 路堤在填筑過程中最大的水平位移和最大沉降發生在第四系（黃土）土層，對應高速公路位置在路堤坡腳兩側。鑒于此，應重視路堤填料的選取及路堤填筑施工的質量，確保路堤填土充分壓實，沉降穩定后再進行路面施工。并在路基中加鋪土工格柵控制差異沉降，增加路基的整體性。

（4）注漿治理后，路基兩側地面仍存在隆起的趨勢，基土仍可能出現塑性擠出，不利于路堤穩定。邊坡外側設置一定高度的反壓護道是一種增強高填

路堤穩定性的可行方案。