某铁路立交桥采空区稳定性评价

张 强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610000)

随着公路、铁路工程建设的快速发展，有时无法绕避煤矿及其采空区，采空区对线路工程建设的影响也越来越大，其稳定性评价问题是首先需要迫切解决的关键技术问题。关于采空区的稳定性评价研究，学术界主要集中在开采沉陷及残余变形两个方面。如邹友峰[1]研究了地表下沉预计方法；郭增长[2]应用随机介质碎块体移动概率对地表下沉进行了研究；张玉卓[3]将岩层移动的位错理论解和边界元法应用于开采沉陷；刘天泉[4]对岩层移动与控制力学问题进行了研究；李仁民[5]、吴盛才等[6]采用概率积分法研究了高速公路下伏多层采空区的地表沉陷规律, 对采空区的稳定性进行评价；来兴平[7]、常江[8]、吴兆营[9]等通过工程地质调查、沉降计算等多种方法相结合综合分析和评价采空区稳定性；王少斌[10]采用不同硬度岩石条件下冒落带、裂隙带的经验公式法对柏树底铁路隧道下伏采空区稳定性进行了分析；朱友群[11]等人运用快速拉格朗算法分析了多层采空区路基不同工况下路基采空区受力变形和稳定特征；徐永明等[12]通过对采空塌陷稳定时间、安全深度、最大下沉量、最大下沉速度的分析,论证了大型煤矿采空区地基的稳定性；徐杨青[13]分析总结了露井联合开采条件下边坡变形规律及机理，并结合结构面组合判断、FLAC数值模拟及极限平衡验算等方法对边坡的破坏模式及稳定性进行分析评价。

开采沉陷主要是研究采岩层移动和覆岩变形的时空演化规律，而残余变形主要是结合具体工程来研究老采空区的场地稳定性评价及治理，确保工程建设的安全。从工程实践意义上来说，对工程影响较大的，工程师们比较关心的是残余变形。因此，评价采空区的稳定性首先仍要研究开采沉陷问题，特别是采空区顶板围岩稳定性问题。在此基础上，应定量确定出采空区的残余变形，以残余变形量为评价采空区稳定性的主要考量标准，并结合调研获得的定性分析结果，最终综合评定出采空区稳定性。

1 采空区工程地质概况

由于铁路立交桥经过的煤矿采空区尚未稳定，目前地表仍不断变形，准确评价采空区对铁路工程及公路桥的影响是极为必要的。研究区宏观地貌单元属河流阶地，地势南高北低，地表以填土为主，新建公路两侧为村庄和住房。总体构造形态为一单斜，地层产状稳定，走向290～310 °倾向NE，倾角18 °，发育有两条断层，历史上曾多次发生地震。根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，判定该区建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。桥址区上覆地层有杂填土(Q4ml)、素填土(Q4ml)、冲洪积中砂(Q4al+pl)、粉质黏土(Q4al+pl)，下伏石炭系上统太原组(C3t)砂岩、页岩、石灰岩及煤层。

2 采空区开采历史及现状稳定性

2.1 采空区开采概况

该矿区较早时期于20世纪50～70年代开采，主要开采7、9、11煤层，20世纪60～90年代先后在11、13、15煤层进行大面积开采，对17煤层局部开采，开采情况比较复杂。矿区范围内自上而下主要为7、9、11、13、15、17煤采空区，均以18 °北东向倾斜。各煤层开采方式均为一次采全高的方式开采，长壁式开采回采率可达80 %～90 %，少量采用房柱式或刀柱式开采，回采率可达70 %～80 %。

2.2 采空区现状稳定性

据现场勘查，该矿区范围内存在因煤层开采诱发的地面下沉、地面突然塌陷及房屋开裂等现象。附近村民房屋及厂房多处出现因采空区不均匀沉降引起的裂缝(图1、图2)。此外铁路附近农场院内部分民房出现多组倾斜大裂缝，宽3～5 cm，周围有较多次级裂缝(图3)，更为严重者会出现大小不一的塌落坑(图4)。

图1 民房外墙开裂

图2 厂房外墙开裂

图3 墙体及房屋裂缝

图4 塌陷坑

根据调绘、钻探、物探、调查访问及开采资料分析，桥址区为多层、重复开采，附近至今仍有多处地面塌陷、房屋开裂，采空区稳定性总体评价为不稳定区。

3 采空区稳定性定量评价

3.1 采空区影响范围的确定

采空区的塌陷变形对公路的影响范围，可按下述方法经计算确定：沿线路采空区地段的岩层走向与线路轴线方向近于垂直，计算时可按两者垂直情况考虑。当线路沿线均为采空区时，影响长度以立交桥起止位置向两侧第四系松散沉积层按移动角θ=45°考虑(图5)，基岩面以下分别以β、γ角作直线与煤层底板相交，两交点投影到地面的宽度即为采空区公路沿线影响长度L：

L=a+2b+2hcotθ+(h1-h)cotγ+(h2-h)cotβ

(1)

式中：a为立交桥基底长度；b为保护带宽度，取10 m；h为第四系覆盖层厚度，平均厚度10.0 m；h1、h2为煤层上山与下山方向的开采深度；β、γ为煤层下山与上山方向的基岩移动角，采用工程类比法取值为：tgβ=1.48，tgγ=1.95。

采空区影响立交桥两侧宽度，以两侧维护带(路基坡角或基础外10 m)为起点，向两侧第四系松散沉积层按移动角θ=45°考虑，基岩走向方向移动角δ=68°考虑，影响范围计算图式参见图6。

图5 沿立交桥方向采空区影响长度计算示意

图6 垂直立交桥方向采空区影响宽度计算示意

3.2 采空区顶板围岩稳定性

针对采空区采矿特点，即大部分采用长壁式开采，局部留有煤柱，且受断层影响局部开采不均匀，采空区顶板围岩稳定性计算可以根据小型采空区计算原理，采空区顶板岩块ABCD因重力G的作用将会下沉，两边的楔形体ABM和CDN，也对其施以水平压力P，因此，在AB和CD两个面上将存在着因P的作用而产生的摩阻力(F)，如图7所示。

图7 采空区顶板稳定性示意

取采空区单元长度为计算单元体，采空区单位长度顶板岩层侧壁摩阻力F(kPa)为：

(2)

则作用在采空区顶板上的压力Q为：

Q=G+2aR-2F

(3)

式中：Q为采空区单位长度顶板上所受的压力(kPa)；G为采空区单位长度顶板上岩层的总重，G=r×H×2a(kPa)；r为上覆岩层重度，取2.5(g/cm3)；H为采空区顶板埋藏深度(m)；R为建筑物基地的单位压力，根据设计要求取150 kPa；a为采空区宽度的一半(m)；φ为岩层内摩擦角。

根据式(2)、式(3)，可得：

Q=G+2aR-2F

(4)

当H增大到一定深度时，采空区上方顶板岩层的自拱力恰好能保持自然平衡(Q=0)而不塌陷，这时的H称为临界深度H0，则:

(5)

根据《铁路工程地质手册》，当埋藏深度H1.5H0时，顶板及地基稳定。

根据上述公式计算，采空区7、9、11、13、15、17各煤层采空安全临界埋藏深度见表1。至此，可根据煤层实际埋深与临界埋藏深度比较后便可确定出采空区顶板围岩稳定性，从表中数据可以看出，各煤层顶板围岩稳定性均处于不稳定。

3.3 采空区整体稳定性评价

根据《岩土工程手册》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐公式及《矿山开采沉陷学》基本理论，结合煤层倾斜程度、采厚、采煤方式及顶板管理方式、开采时间等对采空区稳定性进行计算，计算公式如下：

表1 采空区顶板安全临界埋藏深度 m

最大沉降量(mm)：Wmax=η×m×cosα

(6)

剩余沉降量(mm)：W′=n×Wmax

(7)

最大倾斜(mm/m)：imax=Wmax/r

(8)

剩余倾斜(mm/m)：i′=n×imax

(9)

最大水平变形(mm/m)：εmax=±1.52×b×Wmax/r

(10)

剩余水平变形(mm/m)：ε′=n×εmax

(11)

式中:η为下沉系数，与矿层倾角、开采方法及顶板管理方法有关，一般取0.01～0.95；n为剩余下沉系数，一般取0.2～0.3；m为煤层开采厚度(m)；α为煤层倾角；r为主要影响半径(m)，r=h/tgβ；tgβ为主要影响角正切值，取平均值1.45；b为水平移动系数，取平均值0.4；h为煤层开采深度。

采空区稳定性计算参数按表2选取。根据图1采空区典型纵断面图，可将沿线各区段包含的煤层数及充填情况对采空区进行分块，共分成2段，分别计算分析出各块段采空区稳定性，计算结果如表3所示。

表2 采空区稳定性计算参数

表3 块段法采空区稳定性分析评价结果

计算结果显示，桥址采空区剩余沉降量较大，参照采空区场地稳定性评价标准(表4)，采空区目前处于不稳定范围，且通过现场调查，目前仍存在地面塌陷及房屋变形，综合判定该采空区稳定性属不稳定。

表4 采空区场地稳定性评价标准

4 结论

(1)该采空区的空间分布较广泛，多层开采形成多层采空区，导致采空区变形较为复杂，且由于采空区埋深较浅，对铁路立交桥影响较大。

(2)开采资料、调查访问及工程勘察成果显示，目前该采空区附近多处出现地面塌陷、房屋开裂等变形迹象，表明采空区现状稳定性较差。

(3)定量计算了采空区的影响范围及顶板围岩稳定性，给出了铁路立交桥采空区影响长度、宽度及顶板安全临界埋藏深度的计算公式。

(4)采空区残余变形对具体工程实践具有重要的参考价值，分别对采空区整体剩余沉降、倾斜及水平变形进行了计算，并结合采空区现状稳定性，综合判定该采空区稳定性属不稳定，应对其加固处理。