西露天矿周边建筑物损害区位特征分析

2021-05-21高安琪王金安

煤炭学报 2021年4期

高安琪，王金安，李飞，谢江

(1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083; 2.山西省建筑科学研究院有限公司，山西太原 030002)

辽宁抚顺西露天矿已有百年的开采历史。随着矿区地面建筑密度增大，开采影响区城市建筑物的稳定和安全问题越发突出。目前，关于地表沉陷影响下建筑物损害形式的研究很多，但大多数研究集中在地下开采引起的地表沉陷影响。如研究矿区不同位置下建筑物的损害规律[1]、残余变形对建筑物地基的影响[2-3]、不同开采速度下的地表变形特征[4-7]、地下开采引起的复合地表变形对建筑物的影响[8-9]。对于边坡移动导致地表沉陷的研究目前还仅限于实地测量和调查为主。

抚顺市因采煤所造成的诸多房屋损害问题，早已引起国家的高度重视，但多年来国内外专家学者围绕抚顺西露天矿进行的研究主要集中于矿区地质灾害勘探，如研究得到矿区北帮倾倒-滑移、沉陷-滑移变形机理，并提出一系列边坡治理方法[10-14];通过弱层流变实验，得到北帮蠕动变形规律以及岩石剪切强度随时间变化函数[15];通过研究矿区南帮边坡岩体节理发育情况，得到南帮边坡稳定性因素，提出回填压脚的治理方案[16-18]。对于坡顶变形与建筑物损害之间的关系、建筑物抗变形加固以及矿坑周边城区安全尚待进一步研究。

尽管西露天矿已实施闭坑，但露天矿边坡对周围城区建筑影响仍未完全消除。笔者结合西露天矿边坡坡顶变形规律、城区地质特征以及建筑损害现状，重点分析西露天矿对周边城区建筑物造成的影响，提出有针对性的加固措施与建议。

1 工程背景

辽宁抚顺西露天矿位于望花区、新抚区、东洲区3区交界处，是人口、建筑密度最大的3个区。由于抚顺市因矿而建，早年城市规划不尽合理，矿区周边新旧建筑物皆存在，分布如图1所示。矿区周边坐落着重要的公共设施、工业园区以及大量居民楼。矿区周边城区建筑物对矿区开采引发的地质灾害较为敏感，且灾害影响范围较广、时间较长、后果较为严重。

抚顺西露天矿地质复杂，局部地区呈倒转向斜结构，岩石整体性较差。此外，南北帮断层较多，岩层受构造运动影响节理十分发育，且多年地下开采导致矿区周边导水裂隙带进一步发育，边坡水文地质发生变化，产生范围较大的地表变形[19]。通过对北帮兴平路W200～E3600地表进行监测，可知北帮地表变形主要发生于雨季，且E1200～E1400，E1800～E2400以竖直变形为主，其余部分以水平变形为主(图2)。

图2 北帮地表监测Fig.2 Surface monitoring in North side

南帮地表变形主要集中于W1000～E2300顺层滑坡处，主要发生于2013—2014年，且以水平变形为主。由于南帮2013年发生特大型滑坡，地表变形值相比北帮较大，滑坡段边坡最大变形量累计达到数十米，如图3所示。

图3 南帮地表监测Fig.3 Surface monitoring in South side

自2017年起，西露天矿停止露井联合开采，现已完全停采。因此，矿区周边范围内坡顶城区地表监测的变形增量相对较小并趋于稳定。但由于矿区周边水源众多，岩层中的砂岩及软弱夹层，在地下水的影响下遇水软化，形成地层蠕变。且矿区周边城区地表受到断层活化的影响，地裂缝还在活跃。这些地表变形随着时间的累计，仍对现有建筑物产生影响，造成基础及墙体损害。

特殊的地质条件导致西露天矿区周边城区地质灾害丛生，如西露天矿以西1.5 km2塌陷区、石油一厂—中联能源加气站地裂缝带、中联能源加气站-沈抚城际客运站地裂缝、千台山南侧地裂缝等，这些灾害造成了矿区周边建筑物的损害[20]。其中，最为典型的是石油一厂—中联能源加气站地裂缝带，地裂缝的出现导致周边石油一厂厂房墙体开裂、倾斜、错动，地面起鼓，工厂被迫搬迁，直接损失约3 000万元。经现场统计，结合三下采煤规程得出建筑物损害评定表[21-22]，见表1。

表1 建筑物损害评定Table 1 Damage assessment of buildings

可见，矿城协调建设与规划已成为抚顺市安全和可持续发展的重要战略考量，这也向矿区周边建筑物布局、建设和加固提出了迫切需求。

2 北帮地表变形与建筑物损害关系

西露天矿北帮城区建筑物大致分为工业区与居民区。由于建筑物密度大，对采动影响较为敏感。矿山开采导致的地表沉陷、地裂缝等地质灾害，使得建筑物出现墙体开裂、错动、外鼓、砖柱倾斜、地基脱离等现象，严重影响周边居民生活[23-24]。

2.1 距矿坑边界0～100 m建筑损害机制

距矿坑边界0～100 m内常出现滑坡，影响区内建筑物多为20世纪60—70年代砖混结构平房，建筑物构件在受到滑坡影响后已不满足安全性鉴定要求，如墙体沿受力方向产生超过层高1/2，出现宽度约50 mm的竖向裂缝、砖柱受地表不均匀沉降发生10°左右倾斜、基础与地表脱离约30 mm、墙体出现挠曲鼓出约30 mm等现象，如图4所示。

图4 北帮0～100 m地质灾害及城区建筑物损害情况Fig.4 Damage of buildings and geological disaster within 0-100 m from north side to mining area

为揭示北帮地表变形机制，采用FLAC3D数值模拟软件对北帮E1800剖面进行开挖分析[25]，模型及位移矢量图如图5所示。由图5可知，露天开采后，北帮边坡坡顶产生指向坑内位移。出现此现象的原因是由于露天开采后，采场四周边坡出现应力释放区。由于边坡岩体存在泥化夹层及大量节理，岩层整体性不高。因此，在卸荷变形过程中，节理数量的增多，导致北帮边坡产生位移。随着地表水平变形区域扩大，建筑物基础下沉，甚至出现剪切破坏等现象，从而影响上部结构的安全性、使用性与美观性，如图6所示。

2.2 距矿坑边界100～500 m内建筑损害机制

距矿坑边界100～500 m内存在地表沉陷现象，影响区内建筑物主要为多层砖混结构，矿区西部建筑修建年代主要为20世纪60—70年代，矿区东部建筑物修建年代主要为20世纪80—90年代。建筑物底部墙体产生50 mm左右水平错动，且部分建筑物墙体开裂，开裂宽度为1～500 mm，开裂形式主要有竖直裂缝、水平裂缝、“丁”字裂缝、网状裂缝等，开裂位置主要为外墙体、门窗角处、窗间墙、女儿墙等，如图7所示。

同样以E1800剖面为例，揭示北帮100～500 m范围内地表变形规律，北帮地表竖直位移云图及最大竖直位移区矢量图如图8所示。由图8可以看出随着地表变形向北发展，北帮F1，F1A之间的“三角楔形体”由于底部的应力集中点应力释放向南倾倒，且竖直位移主要集中于这一部分。

图5 距北帮0～100 m数值模拟模型及位移矢量Fig.5 Numerical model and displacement vectors within 0-100 m from north-side slope

图6 距北帮0～100 m城区建筑物损害机制Fig.6 Damage mechanism of buildings within 0-100 m from north-side slope

图7 距北帮100～500 m地质灾害及城区建筑物损害情况Fig.7 Damage of Buildings and Geological disaster within 100-500 m from north-side slope

图8 距北帮100～500 m地表变形数值模拟结果Fig.8 Numerical simulation results of surface deformation within 100-500 m from north-side slope

据文献[26]可知，坡顶变形受采空区下沉以及边坡倾斜因素共同影响，最初位移与边坡倾斜方向一致，随着时间的推移，变形逐渐由坑内转向城区地表[27]。北帮F1断层距矿坑边界0～300 m、F1A断层距矿坑边界0～700 m，当两断层间“三角楔形体”南倾后，F1A断层受拉产生裂隙。抗剪力差的第四纪土与白垩纪砂岩受重力以及渗流的作用向下填充至深部孔隙内，从而产生地表沉陷区，位于外边缘区建筑物底部墙体受拉产生水平变形[28]，如图9所示。

图9 距北帮100～500 m城区建筑物损害机制Fig.9 Damage Mechanism of Buildings within 100-500 m from north-side slope

2.3 距矿坑边界500～700 m内建筑损害机制

距矿坑边界500～700 m存在两条地裂缝，影响区内建筑物主要为20世纪80—90年代多层砖混结构。由于地表向南移动，断层处地表变形变化率过大，使得地表受拉破坏，产生地裂缝，而位于地裂缝周围的建筑物墙体受剪破坏。

以E1800剖面为例的数值模拟中也表示，随着F1，F1A间的“三角楔形体”向南倾倒，F1A以北各断层附近地表水平位移增大，易产生地裂缝，如图10所示。

Ⅰ号地裂缝位于矿区北部W1100～E1300内抚顺石油一厂周边工业区，西起石油一厂西侧，东至中联能源加气站，横穿石油一厂及发电厂，长度约为2.5 km，如图11所示。受Ⅰ号地裂缝影响，石油一厂墙体出现上下贯通裂缝，裂缝宽度均大于30 mm，厂区地面不均匀沉降严重，沉降最大值约为200 mm。厂房大多为砖混结构，由于墙体开裂严重，厂房顶部采用外包型钢加固，如图12所示。

图10 距北帮500～700边坡与地表变形数值模拟结果Fig.10 Numerical simulation results within 500-700 m from north-side slope

图11 Ⅰ号地裂缝位置Fig.11 Position of ground fissure No.1

图12 Ⅰ号地裂缝影响区建筑物损害情况Fig.12 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.1

Ⅱ号地裂缝位于E1400～E2400范围内居民区，西起中联能源加气站东侧，东至沈抚城际客运站，横穿西四路至西七路内居民区，长约为1 km，如图13所示。地裂缝导致其上建筑物墙体开裂、阳台损害。其中，最为典型的是西四街8号、沈阳凯莱国际双语幼教园南侧房屋、西三街11号、解放路13号以及西七路9号，这5栋住宅楼均处于Ⅱ号地裂缝上，且建筑物长轴方向均垂直于地裂缝走向。由于地裂缝南部地区沉降较北部地区大，导致裂缝上建筑物墙体受剪破坏[29]，出现4 mm左右、方向为自北向南延伸、北高南低的斜裂缝，且部分房屋沉降缝被破坏，如图14所示。

图13 Ⅱ号地裂缝位置Fig.13 Position of ground fissure No.2

3 南帮地表变形与建筑物损害关系

西露天矿南帮地质灾害主要为地裂缝，影响区内建筑物主要为20世纪60—70年代低层砖混结构。Ⅲ号地裂缝位于千台山南侧W700～E2300内，西起炼油厂，东至F5断层，长约3.1 km，最大宽度为40 m，最大落差为18 m，如图15所示。受地裂缝的影响建筑物墙体超出其极限承载能力，产生2～10 mm“人”字型裂缝，甚至出现10 mm左右墙体水平错动，如图16所示。

图16 Ⅲ号地裂缝影响区建筑物损害情况Fig.16 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.3

为揭示南帮地表变形机制，采用CDEM数值模拟软件对南帮E400剖面进行模拟[30]，如图17所示。结果表明，顺层滑坡发生于边坡的中上部，岩体随着滑移面的贯通开始向下运动，并在边坡的后缘产生一系列张拉地裂缝。

发生此现象的原因主要为南帮顺倾岩层受小型断层切割，岩石整体性下降。且由于矿区采场地势较低，岩层多年受杨柏、刘山旧河道及周边城区污水的定水位补给，导致冲积层内水量丰富。水源通过岩石孔隙、岩层间接触面以及断层裂隙带向矿坑渗流，导致岩层软化，强度降低，使得边坡产生蠕变现象。在雨水冲刷的影响下，南帮顺层岩层发生滑坡，从而产生Ⅲ号地裂缝。

4 抚顺城区地质灾害影响区位特征

根据以上分析得出抚顺城区地质灾害影响分区,如图18所示。边坡卸荷影响区主要为矿坑北部0～100 m，地表沉陷影响区主要为矿坑北部100～500 m，地裂缝影响区主要为矿坑北部500～700 m以及南部0～600 m。

图17 南帮边坡损害机制模拟分析Fig.17 Simulation analysis of the damage mechanism of the southern slope

汇总建筑物区位特征见表2，由表2可以看出建筑物损害严重区主要集中于北帮0～100 m以及南帮0～200 m，该范围内工业厂房较多，建筑物损害主要为墙体开裂、错动、外鼓以及地基脱离等。其余区域内建筑物损害较轻，且损害主要集中于砖混结构。

5 建筑物抗变形加固措施

采动区地表建筑物抗变形加固措施有很多种，主要分为2类:① 刚性保护措施，② 柔性保护措施。

图18 抚顺城区地质灾害影响分区Fig.18 Geological hazard impact zoning in Fushun urban area

表2 建筑物损害区位特征Table 2 Location characteristics of damaged buildings

5.1 北帮建筑物加固措施

距矿坑0～100 m:建议此区域建筑物的抗变形加固工作重点放在基础加固。对于既有建筑物，用水泥浆或混凝土基础环氧树脂进行基础注浆加固。在无法进行注浆加固的情况下，可以将独立基础改为条形基础、条形基础改为筏板基础或增加基础连系梁。对于少量桩基础建筑物可采用锚杆静压桩的方法进行建筑物纠偏。对于新建建筑物，应选择对地表变形有更好适应能力的筏板基础或者楔形基础，若选用条形基础则应增设基础连系梁，并在基础与上部结构之间设置水平滑动层。

(1)距矿坑100～500 m:建议此区域建筑物的抗变形加固工作重点放在墙体以及梁柱加固。对于既有建筑物在将现有裂缝填充的基础上，还可采用增大梁柱截面积、外加钢板、外包碳纤维等方法。对于新建建筑物设置构造柱、圈梁等。

(2)距矿坑500～700 m:建议此区域建筑物的抗变形加固工作重点放在墙体以及阳台梁加固。对于既有建筑物可以选用在阳台梁底端增加三角型型钢的方式，或在阳台梁与外墙之间设置钢拉杆的方式，且重点加固窗下墙体。对于新建建筑物设置构造柱、变形缝，门窗洞口处设置加强带等。

(3)距矿坑700～1 000 m:由于此区域建筑物距矿坑较远，损害情况较轻，只有少数建筑物出现阳台损害现象，因此在进行抗变形加固时只需将现有裂缝用砂浆填充即可。