北方某高速公路路基下伏采空區穩定性評價及處治方案研究

賈 濤

(中鐵投資集團有限公司 北京市 100071)

近年來,公路建設持續推進。部分公路不可避免地穿越采空區,因此在采空區內建設公路存在諸多難點,需要針對采空區的規模、空間分布、路基參數等特征選取適宜的處治方案[1]。

1 工程概況

K54+300～K54+725區段為遼寧省新修高速道路的填土段,路堤高度介于6～10m,地處本溪市本溪滿族自治縣的堿廠鎮王家崴子村域內。此路段部分路堤橫跨煤礦采空區,區域內交通便捷。

2 勘察方法

該空洞區域勘測主要利用工程地質繪圖調查、坑道勘察和現場測試等技術,應用華測RTK91系統對鉆探點的地理坐標進行精準控制。同時,從各個地質層面獲取典型土石樣本,用以進行室內分析試驗。基于既往勘察和物理勘探數據,進一步部署密集的物理探測作業,在該區域運用彈性波頻率共振技術和高密度電阻率法等方法進行測線探測,設置了11條垂直探測剖面和7條橫向剖面,線間距為13m,點間距通常為10m,對于異常區段則縮短至5m。此過程中,彈性波頻率共振法累計完成1289個測點,總長11304m,高密度電阻率法完成699個測點,總長6500m,具體見圖1。

圖1 物探布置示意圖

從探測結果可知,采空區分布在K54+400～K54+700段落范圍內,在線路區下部20～30m處發現異常。經雙管單動鉆具對物探異常區進行鉆探驗證,該處異常為節理裂隙發育和局部夾煤層導致的巖體破碎,具體見圖2。

圖2 采用雙管單動鉆具鉆出的完整巖芯

根據物探結果,結合鉆孔驗證發現,采空區為2條煤礦巷道,平均埋深約11m,采空區高2m。

3 公路釆空區穩定性評價

3.1 剩余變形量預測計算

根據鉆探揭露采空頂板情況來看,該段采空區目前并未完全垮落,而是形成了懸頂。依據《采空區公路設計與施工技術細則》以及《礦山開采沉陷學》等相關規程,上述空洞區域地面移動變形的極限值可通過式1～式5得出:

(1)地表最大下沉量(mm)

Wmax=mqcosα

(1)

式1中:m表示挖掘的煤炭厚度,單位為m;q為下沉系數,需通過查詢數據表確定;α指煤礦層的傾角,單位為(°)。

(2)地表最大傾斜值(mm/m)

Imax=Wmax/r=Wmax/(H/tgβ)

(2)

式2中:r代表地面在采空區邊界受影響的主要范圍的半徑,單位為m;H為采空區底板的深度;β為主要的開采影響角,需通過查閱數據表確定數值。

(3)地表曲率最大值(mm/m2)

Kmax=±1.52Wmax/r2

(3)

(4)最大水平變形值(mm/m)

εmax=±1.52bWmax/r

(4)

(5)地表最大水平移動(mm)

Umax=bWmax

(5)

式4和式5中:b為水平移動系數,通過查表取值。

未垮落完成采空區處的地表移動變形最大值詳見表1。

表1 未垮落完成采空區處地表移動變形表

空洞區域的剩余空隙率可以借助孔中空洞和裂縫分布情況的勘查統計數據確定:即將孔內空洞與裂縫的平均發展高度與采礦層開掘厚度的比值視為空隙率。通過剩余空隙率計算地表移動變形剩余值,具體見表2:

表2 剩余空隙率計算地表移動變形剩余值表

3.2 公路釆空區穩定性評價及危害程度評價

采用不同方式進行場地穩定評估時,需兼顧多種因素,包括開采技術、作業周期以及采空區的類別、尺寸、覆蓋層厚度、采深采厚比和巖層性質等。對于長壁全陷法開采煤礦,可采用停采時間、地表剩余下沉量、采深采厚比作為評價依據,而針對單巷道作業方式,地面殘余形變值則是可供參考的評估標準。

3.2.1相關評價標準

(1)按照開采條件判別法確定釆空區穩定性的規定

采用長壁全陷法開采的采空區域,地面位移和形變與停止開采的時長緊密相關。通常情況下,未進行開采時間越長,地面的位移和形變越趨向平衡[2],評價標準見表3。

表3 按采空區停采時間確定穩定性評價標準表

大量的地表形變監測數據顯示,使用長壁全陷法開采時,地面的形變持續期主要受覆巖性質和采深采厚比影響。基于采深采厚比,可以確定采空區穩定性的級別評定標準,具體如表4所示。

表4 按釆深釆厚比確定采空區穩定性等級評價標準表

(2)根據地表移動變形值確定采空區穩定性的規定

地表移動延續期可分為初始期、活躍期和衰退期三個階段[3]。伴隨著采礦作業停止開采時間遞延,地表剩余移動變形值逐漸減小,采空區逐漸趨于穩定,因此以地表剩余移動變形值來評估采空區穩定性的方法較為直觀。

根據地表位移及變形數據,表5列出了長壁式采空區穩定性級別的評價標準。

表5 按地表移動變形值確定長壁式釆空區穩定性等級評價標準表

3.2.2釆空區場地穩定性評價

(1)根據開釆條件判別法進行場地穩定性評價

按照停采時間、開采方式、采深采厚比、覆巖性質等評價指標,根據采掘平面圖確定煤礦采空區穩定性等級。

開釆條件判別法穩定性評價見表6。

表6 開釆條件判別法穩定性評價表

(2)根據地表變形預測法進行場地穩定性評價

根據采空區處地表移動變形剩余值評價場地穩定性,具體見表7。

表7 采空區處地表移動變形剩余值評價場地穩定性表

3.3 釆空區路基工程危害程度評價

該工程涉及的快速通道為甲級道路,遵照現行《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)中第7.7.1條,針對該段道路在設計使用年限內出現的剩余沉降(即施工完成后的沉降)提出如下標準限值:靠近橋梁部分的基礎沉降要求控制在0.1m內,對于涵洞或箱式通道區域沉降限度為0.2m,而道路區域的沉降則通常限制在0.3m內。同樣,在《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)表4.2.2中,對已開采區域內的甲級道路地基所允許的變形指標也做出明確限定[4],其中傾斜度i宜≤±4.0mm/m,水平位移ε宜≤±3.0mm/m,曲率K宜≤±0.3mm/m2。

根據以上標準及采空區剩余變形值計算結果,對采空區路基的穩定性評價見表8。

表8 采空區路基穩定性評價表

4 釆空區處治方案

4.1 防治等級與標準

4.1.1防治工程等級

根據《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)規定,須對高速公路路基采取二級保護措施。同時按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》要求,應將高速公路列入一級保護區域。綜合分析確定該項目保護等級為一級。

4.1.2采空區治理工程設計選取標準

《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)和《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)對采空區公路地表容許變形值的規定如表9所示。

表9 公路采空區地表變形容許值表

根據上述規定,選取路基采空區治理設計標準如下:傾斜值i≤±3.0mm/m;水平變形ε=±2.0mm/m;豎曲率K≤±0.2mm/m2。

4.2 采空區處治設計

4.2.1處治方案

K54+300～K54+725段煤礦采空區治理采用水泥粉煤灰漿液充填方案,方案設計詳見圖3～圖4。

圖3 采空區治理設計平面圖

圖4 采空區治理設計斷面圖

4.2.2主要設計參數

(1)注漿材料:應用于注漿工序的材料包括水泥、粉煤灰及各類添加劑等。

(2)水泥及粉煤灰混合液配比方案:水固比為1∶1.2,依據實際注漿工況可調節混合液的稀稠度,水泥占固相的20%,粉煤灰占固相的80%。

(3)注漿壓力:需根據工地注漿實驗確定,并以地面不得隆起作為控制標準。注漿時施加的壓力應控制在有效止漿段上部巖體自重的1倍范圍內,終孔壓力不宜超過1.2～1.5MPa。路基下伏采空區注漿壓力宜控制在1.0～1.5MPa。

(4)漿液充填率η:充填率規范取值范圍為80%～95%,在規范允許范圍內路基取值為85%。

(5)漿液結石率c:漿液結石率規范取值為70%～95%,在規范允許范圍內路基取值為75%。

4.2.3治理范圍

(1)治理長度

根據《采空區公路設計與施工技術細則》第6.2.2條規定,采空區的管理長度必須涵蓋公路鋪設路徑上方實際采空區部分的長度,也應包括地面巖石層變形影響角所涉及的周邊區域,計算示意圖見圖5。

圖5 采空區處治長度計算示意圖

K54+300～K54+725段的采空區上部第四系地層移動角為40°,β為70.5°,γ為77°,注漿治理區治理長度具體見表10。

表10 注漿治理區治理長度表

(2)治理寬度

根據《采空區公路設計與施工技術細則》相關公式進行計算,采空區的治理寬度通常取路基寬度+維護帶寬度,具體見圖6。

圖6 采空區處治寬度計算示意圖

對于K54+300～K54+725段的采空區,圍護帶寬度設定為10m。基于地質勘探結果,采空區上部第四系地層移動角為40°,β為70.5°,γ為77°,詳見表11。

表11 治理區治理寬度表

4.2.4帷幕孔、注漿孔及檢查孔布設

(1)帷幕孔布設

帷幕孔是采空區處理區域最外側排列的一排孔,孔間隔設定為3～12m。

(2)注漿孔布設

填注漿孔的分布沿道路中央及兩旁,呈梅花形式排列,注漿孔排距為5～10m,孔距為3～10m。

(3)檢查孔布設

為檢查施工質量,在治理區域內按照范圍大小設置不同數量的檢查孔。

(4)孔深

鉆孔深度取地表至采空區底部1m以下位置。治理區鉆孔統計見表12。

表12 治理區鉆孔統計表

4.2.5采空區注漿量計算

根據《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)規定,確定采空區灌漿總需求量,按照式6計算:

(6)

式6中:Q總為采空區總注漿量;S表示采空區治理面積(m2);A為漿液損耗系數,取1.0～1.2;m為礦層平均采出厚度(m);K為回采率(%);ΔV為采空區剩余孔隙率(%);η為充填率(%),在85%～95%范圍內選取,此次取95%;c為漿液結石率(%),需通過試驗得出,若缺乏試驗數據,可取值介于70%～95%;α為巖層傾角(°)。

經計算,K54+510～K54+635路基段采空區注漿總量為13754m3。

5 結論

綜上,在公路路基采空區處治設計過程中,應結合地質資料、采空區實際規模形態等因素對采空區進行穩定性評價。評價若為“不穩定”或“欠穩定”時,應對采空區進行處治,以保證高速公路安全。處治時應根據地質資料及相關規范,計算選取合適的注漿孔深度及間距,并準確計算注漿量。