浅议公路下伏采空区路线方案研究

浅议公路下伏采空区路线方案研究

兰志雄卢冬生党高峰孙钊

(湖北省交通规划设计院武汉430051)

摘要针对公路项目区域内存在的采空区，按照公路路线选线原则，分别拟定了经过采空区、绕避采空区2种路线方案，并结合采空区的治理对2种路线方案进行综合比选，最终提出绕避采空区的路线推荐方案。

关键词采空区公路采空区治理选线

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.032

收稿日期：2014-11-07

公路下伏采空区路段，由于采空区地表的移动变形，会使公路路基受到相应的影响，产生多种病害。如由公路路基的过量沉陷或差异沉陷引起的路基开裂；由地表水平移动与变形导致的公路路基压缩或拉伸形变；由地表沉降与变形共同导致的公路纵坡及竖曲线现状改变，从而产生的地表倾斜变化，等等。由于采空区引起的公路病害严重影响行车安全，因此，设计阶段严把选线关成为公路建设的重要环节[1]。

本文遵从“以人为本、环境友好、资源节约，可持续发展”的设计原则，遵循安全、环保、舒适、和谐等设计新理念[2]，对公路项目经过采空区段路线选线及采空区工程治理方案进行研究探讨。

1项目简介

黄石至阳新一级公路位于湖北省东南部，东经115°06′～ 115°13′、北纬29°48′～30°10′之间，路线走廊北起黄石市，南止于阳新县。全线采用设计速度为80 km/h的4车道一级公路标准，路基宽度24.5 m。

由于大冶湖横亘于黄石市与阳新县城之间，本项目不可避免地需要跨越大冶湖。考虑路线的顺直便捷、项目总里程最短等因素，本项目优先考虑在金海开发区以西直接跨越大冶湖(见图1中A方案)，但该方案大冶湖湖面宽约3.3 km，桥梁规模大，投资大。而大冶湖在金海开发区以北区域则湖面狭窄，最窄处湖面宽约1.8 km，虽然路线总体迂回，但跨湖桥梁规模小，具备较大的比较优势，因而项目组在该段附近布设了比较方案(见图1中B方案)。

但经实地勘察，B方案沿线大冶湖南岸煤炭储量丰富，地下采煤活动强烈，存在一定规模的采空区。如何确定推荐方案，需要对A，B 2方案进行综合的比选。由于B方案沿线存在一定规模的采空区，因而首先需要对采空区的综合治理进行详细的分析。

图1　跨大冶湖两方案示意图

2采空区简介

根据本项目相关专题《黄石至阳新一级公路工程大冶湖南岸地质灾害危性评估报告》(以下简称《评估报告》)提供的资料，B方案位于阳新县七约山矿区红家咀井田和瓦咀井田境内，区域内采空区面积约为1.33 km2。

根据采空区钻探成果资料，该项目采空区分布2层，第一层采空深度范围22.8～26.4 m，平均深度24 m，采厚约1.9 m。第二层采空深度范围100 m左右，采厚约3 m，采深采厚比(H/M)<40。煤层倾角在10°～33°之间，倾角较缓。采煤方法采用走向长壁、巷采、房柱式开采等，顶板管理方法采用陷落法。

3采空区的危害

由于较长时间的地下采煤和疏干排水，致使区域内发生了一系列地质环境问题和地质灾害。根据《评估报告》资料显示，煤矿采空区导致项目区域先后形成塌陷20余个，破坏小学2座，40多户民房搬迁或报废，破坏土地面积约26.67 hm2，涉及8个自然湾，人口1 950人。经济损失极大，社会影响较大。而公路下伏采空区时，由于采空区地表的移动变形，会使公路路基受到相应的影响，产生多种病害，如路基开裂、压缩或拉伸形变等等，这直接破坏了路基的强度、稳定性、耐久性[3]。因此，需要对采空区进行必要的工程治理。

4采空区工程地质条件

(1) 地形地貌。采空区处于湖积平原地貌与垅岗地貌过渡地段，湖积平原地貌地面高程在12.00～17.00 m之间，地表覆盖层主要由第四系全新统黏土、粉质黏土、砂土等组成。垅岗地貌地势起伏较大，低处多为河流水系，沿线地面高程多在25～70 m之间，区内局部基岩出露，绝大部分为第四系松散层所覆盖。

(2) 地层岩性。采空区的地层情况自上而下为杂填土，层厚1.9～3.5 m；第四系(Q4)地层，大部分为耕植土、湖滨部分为湖积淤泥，层厚0～18.45 m；白垩-第三系东湖群(K-R)，主要为紫红色细砂岩-含砾砂岩，偶见灰棕-暗紫色块状玄武岩，厚层状，最大厚度为306.74 m。

5采空区治理方法

(1) 采空区治理原则。根据相关标准规范及国内外案例，针对不稳定采空区位于路肩范围内的路基工程段，采用注浆、干(浆)砌支撑法、明挖回填夯实处理等；桥梁工程当其墩台位于塌陷区或变形区时，其桩基应设置在采空区底板以下1～2 m，具体可视底板地质条件确定；如隧道区域内存在采空区时，隧道应尽量绕避采空区，确因路线总体走向限制无法绕避时，当采空区位于隧道拱顶时，可采用注浆、浆砌回填处理措施，若采空区位于仰拱以下，可视采空区深度采用开挖回填或注浆处理等措施。

(2) 采空区稳定性评价标准。不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准见表1。

作者贡献声明 林仲：收集数据，参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文；对编辑部的修改意见进行修改。吴荣瀚：参与选题、设计和修改论文的结果结论

表1　不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准

根据钻探资料揭示，B方案所经的采空区埋深范围平均约100 m，采空区厚度平均约3 m，因此其采深采厚比(H/M)<40，路段场地稳定性等级为不稳定状态，因而需要进行治理。

(3) 治理方法。根据相关规范及国内现有案例，采空区处理措施主要方法有注浆法、干(浆)砌支撑法、开挖回填法、强夯法、跨越法等。结合本项目采空区情况，由于项目区域内煤层采空区的直接顶板为砂质泥岩和泥质粉砂岩，岩质较软，岩石质量等级为IV-I级，岩体稳定性差，易发生坍塌、冒顶，适合注浆治理，不适合开挖回填、砌筑等非注浆方法。由于采空区开采方法采用了走向长壁、巷采、房柱式开采等方法，且顶板管理为陷落法，亦适合注浆治理。再者，本项目区域内采空区有上下2层，第一层深度在24 m左右，第二层深度在100 m左右,采深采厚比(H/M)<40,整体处于不稳定状态，且煤层倾角在10°～33°之间，且采空形成时间较长，也适宜选用注浆法进行采空区处理。

综上所述， 选用注浆法进行采空区处理。

6采空区治理计算

根据相关行业标准《采空区公路设计与施工技术细则》[4]，采空区治理范围包括沿公路轴线方向上的治理长度、垂直轴线方向上的治理宽度及垂向上的治理深度。

(1) 治理长度计算。根据项目组实地勘察以及专题研究单位勘察的结论，本项目B方案需要治理的采空区长度为1 400 m。

(2) 治理宽度计算。采空区处治的宽度B由路基或桥隧宽度、围护带宽度、采空区覆岩移动的影响宽度3部分组成，示意图见图2，计算公式见下式：

B=D+2d+D′

式中：D为路基或桥隧宽度，m；d为围护带宽度，m；D′为采空区覆岩移动影响宽度，m。

图2　水平矿层采空区治理宽度计算简图

路基或桥隧宽度确定：路堤部分以公路两侧路堤坡脚为界；路堑部分以两侧堑顶边界为界；桥梁以桥宽为界；隧道以隧道宽为界。围护带宽度宜按表2的规定取值。

表2　公路采空区治理维护带宽度 [4]

该段煤层倾角在10°～33°，考虑本项目尚处于前期研究阶段，为简化计算，本研究报告按水平矿层采空区治理宽度计算，具体计算如下。

B=D+2d+D′=24.5+2×10+2×

(20×cot45°+80×cot65°)=159.1m

根据规范公式理论计算，该处治理宽度达到159.1 m，考虑未来剩余沉降量影响范围有限，本次实际计算取横向治理宽度100 m计算。

(3) 钻孔设置。钻孔设置参照国内现有案例及规范要求，采用“梅花形”布孔,见图3。沿路线中线上排距按照20 m设置，路基范围内(按照30 m界限)每排注浆孔距按照15 m设置，路基范围以外(30～70 m范围内)孔距设置为20 m，边缘帷幕孔孔距为15 m。预计注浆钻孔总量为690个，钻孔总长为69 000延m。

图3采空区治理钻孔布置示意图

(4) 注浆总量计算，根据相关规范标准，采用下列公式：

式中：S为采空区处治面积，m2；M为矿层平均采出厚度，m；ΔV为采空区剩余空隙率，%；K为回采率，%，通过实际调查确定；A为浆液损耗系数，可取A=1.0～1.2；η为充填率，%，取η=80%～95%；C为浆液结合率，%，经实验确定，无实验数据时可取C=70%～95%；为岩层倾角，(°)。

本项目注浆总量计算为：

0.8×1=476 280m3

(5) 治理费用估算。根据相关规范，并结合黄石地区实际情况，注浆材料选用水泥+粉煤灰混合料做填充物，填充造价约需10 478万元；灌浆填充施工需要钻孔，每延米需300元，总体约需2 070万元；此外，本项目压覆矿产约需赔付283万元；因此本项目煤矿采空区治理费用约需12 831万元。

(6) 相关计算结论。黄石至阳新一级公路B方案由于存在一定规模的地下采空区，根据勘察揭示，采空区治理长度为1 400 m，拟采用注浆法进行治理。根据现行相关标准规范计算方法，该方案采空区注浆治理总费用约需12 831万元。

考虑本项目尚处于工可研究阶段，因此仍有必要针对A，B 2个方案进行综合比选。

7方案研究比选结论

在B方案采空区治理费用明确之后，继续对A，B 2个方案进行综合比选，见表3。

表3　A，B方案综合比较一览表 [5]

由表3可见，尽管B方案所经大冶湖最狭窄区域，跨湖大桥规模小，且距离金海开发区城镇较近，存在一定的优势。但综合考虑采空区治理费用之后，其总体造价却高于A方案。而且未来若实施B方案，则采空区治理从施工技术、施工管理、施工质量、施工周期、治理费用、后期运营、后期管理等诸方面，均存在一定的困难及风险。因而本项目本阶段推荐绕避金海采空区，即推荐A方案。