露天煤矿排土场地基处理方式分析

2022-04-16陈凤阁

露天采矿技术 2022年2期

陈凤阁

（中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120）

大型露天煤矿排土场排土厚度多在百米以上，一般采用“由上向下，自然堆积，平整顶部，不断延伸”的排放方式，排土未分层碾压，均匀性差，长期处于欠固结状态，沉降大，历时时间长。针对排土场土石混合体的强度、渗透性等问题，国内外学者开展了很多有意义的基础性的研究[1-4]，排土场多通过土地复垦的方式实现再利用，很少进行工程建设。而矿区由于生产需要，在排土场建设输煤系统、小型场地不可避免，该类建（构）筑物重要性等级低，荷载小，变形要求不高，对全部填土深度范围进行地基处理可行性差，亦无必要。如何在保证安全、维持运行、降低造价之间找寻平衡点，是该类项目地基处理方式选择的关键，很多工程采用强夯、强夯置换、碎石桩等地基处理方式，取得了一定的效果[5-7]。为此，通过对露天煤矿排土场深厚抛填土特点进行分析，对一般地基处理原则进行探讨，为后续工程建设提供参考。

1 排土场深厚抛填土特点分析

露天煤矿排土场为通过汽车等方式将采掘场内煤层上覆土、岩运输至固定位置抛填而形成，多呈土石混合状态，其物理力学性质和变形特性与常规意义上的第四纪堆积物有着明显的区别，常具有如下特点：

1）排土场多采用“由上向下、机械抛填、平整顶部、不断延伸”的排放方式，填土回填过程中没有经过人工分选，颗粒大小严重不均，颗粒间接触不规则，且剥离岩层易风化，浸水易软化；填土孔隙发育，钻机钻进过程泥浆无法形成循环，漏浆异常严重；回填过程未采取分层碾压等相关措施，导致密实度差异较大，土质严重不均匀。

2）自卸堆积剥离岩物沿斜坡的滚落具有一定的分选性（粒度偏析现象），整体上来说大颗粒滚落到每一级边坡坡脚位置，中等粒度分布在该级边坡中部，较细颗粒留在顶部，但由于抛填土的性质不一，平面上及垂直方向上的地层性质变化很大。

3）抛填土颗粒骨架大小不一、性质不同，相互之间接触不规则，临时稳定后，在外力及雨水侵入等作用下极易发生二次变形。

4）在自身固结沉降以及雨水等的作用下，排土场形成后1～2 年是沉降集中发生的阶段，随着时间的推移，沉降速率逐渐趋缓。

5）汽车运输使得每一级边坡顶部一定深度范围内（汽车荷载影响深度）的抛填土体具有一定的压实作用，且只限于汽车经过区域，下部依靠自重固结，整体压实度差，如此形成1 个排土分层。

6）排土场分为多层进行“抛填”覆土，每层厚度在30～40 m 左右，整个排土深度范围内相当于多个排土分层，每个排土分层整体上由上而下颗粒逐渐变大，下部相对上部工程性质相对较差，但由于抛填土水平及垂直方向的严重不均匀性，并无严格的规律性。

7）场地的沉降和差异沉降较大并长期存在，规律性差，难以准确计算；生产过程中，排土场平面及竖向经常产生变化，局部裂缝渗水、排水不畅汇集渗水等原因又加剧了排土场的差异沉降问题。

2 某原煤运输系统地基处理实践及问题分析

基于排土场深厚抛填土厚度大、不均匀、颗粒间稳定性差等特点，仅对上部土层进行处理一般情况下无法满足变形要求，而实现全部填土深度范围的处理以达到处理后的地基同时满足地基承载力、变形和稳定性要求可行性较低，尤其是针对小型建设场地、非重要建（构）筑物，目前多是采取措施对地基主要受力层深度范围填土进行加固，满足地基承载力、稳定性要求的前提下，通过建筑结构、后期管理等措施降低对平均沉降的要求，最大限度地控制差异沉降，以达到使用要求。

2.1 工程建设条件

某原煤运输系统位于大型露天煤矿内排土场，主要建（构）筑物包括转载点、栈桥、机道等。根据搜集资料，1 号转载点至2 号转载点填土厚度在160 m左右，底部为二叠系砂岩，排土场分层填土厚度一般介于30～40 m，最后1 分层填土时间均在10 年以内，其中1 号转载点、破碎站区域最后1 分层填土时间最晚，为工程实施前2 个月完成。

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根据场地勘察资料，拟建场地地层主要为素填土，由矿坑开挖后搬运“抛填”而成，色杂，密实度差异大，稍湿，主要由砂岩、泥岩岩块及少量煤矸石组成，局部以黏性土、风化岩碎屑为主，钻进过程塌孔、卡钻、埋钻现象时有发生。

2.2 地基处理方式及基础沉降情况

考虑拟建建（构）筑物等级、造价、工期等因素，确定场地地基处理方案时，仅对基底以下主要受力层范围内抛填土体进行加固，减少处理深度范围内抛填土体自身的沉降及差异沉降（直接影响拟建建（构）筑物的变形），减少建（构）筑物荷载引起的二次沉降。深层抛填土体的固结变形无法消除，允许拟建场地建成后继续发生一定的沉降，通过提高基础及上部结构的抗变形能力、编制后期加固维修预案、提升整体管理水平等方式来协调场地的沉降问题。

基于以上原则，仅对转载点、栈桥等建（构）筑物采用了表层强夯（8 000 kN·m）的地基处理方式，针对后期的沉降问题，按照可能出现的情况编制了应急预案，明确了使用期间重点关注问题及紧急处置措施，主动作为减少周边裂缝、渗水等原因造成的沉降隐患，使其满足使用功能要求。

主要建（构）筑物于2019 年9 月完成基础施工，开始进行沉降观测，期间由于上部结构施工时观测点整体遭到损坏，重新设置观测点，分前后2 个阶段进行统计。第1 阶段主要建（构）筑物沉降统计见表1，第2 阶段主要建（构）筑物沉降统计见表2。表中：单体最大差异沉降为当次观测沉降最大值与最小值之差；单体平均沉降为各阶段最后1 次观测与初次观测观测点平均标高变化情况，正数表示下沉。

表1 第1 阶段主要建（构）筑物沉降统计

表2 第2 阶段主要建（构）筑物沉降统计

根据观测结果，各单体建（构）筑物均产生了较大的沉降，且沉降仍在继续，整体尚未达到稳定标准，但沉降速率逐渐趋缓；除2 号转载点因距离边坡坡顶较近，受竖向沉降及水平变形双重作用，差异沉降仍在持续发展，其余单体建（构）筑物差异沉降整体处于逐渐减缓的趋势。

2 号转载点室外消防管路埋设施工期间，发现东南侧筏板基础与地基土局部出现脱离现象，也说明地基在持续产生沉降及差异沉降。建设后期及使用期间及时对周边裂缝等进行了处理，对局部地基基础脱离进行了灌浆，并要求根据排土场生产情况适时调整场地为竖向布置，保证有效的截排水措施。目前该工程验收运行至今已近2 年，项目整体运行情况良好。

2.3 沉降原因分析

根据现场情况分析，拟建原煤运输系统沿线地基产生不同程度的沉降及差异沉降的主要原因为：

2）场地建设以及附近排土场排土等原因导致周边环境变化较大，而当年雨季雨量较大，局部截排水措施未及时进行调整造成排水不畅汇集，且场地及周边地表出现裂缝后未及时对裂缝进行处理，雨水汇集下渗加剧了场地的沉降及差异沉降。

3）2 号转载点区域差异沉降最为明显，除抛填土自身竖向沉降外，该区域距离边坡较近，边坡水平变形也加剧了转载点基础变形。

4）机道沿线周边排土点持续排土，在附加应力作用下，加剧了周边建（构）筑物的沉降。

3 地基处理原则

深厚抛填土场地建造非重要建（构）筑物，仅通过地基处理方式进行一次性彻底治理难度大、造价高，采用合理的平面布置、采取适当地基处理措施对一定深度范围填土进行加固，并结合基础、上部结构以及后续使用期间的维护加固措施，可实现建（构）筑物功能的正常使用。

1）优化平面布置，协调排土计划。拟建建（构）筑物平面布置时应尽量避免位于2 年以内回填土场地，与边坡保持安全距离，并与矿方沟通排土计划，使新排土场地位于影响范围以外，以减少抛填土前期剧烈沉降、边坡变形以及新排土场地引起的附加应力的影响。降低水害对建（构）筑物沉降的影响，应做好周边的截排水工作，并根据排土场生产情况及时调整排水方案，使雨水等顺利排离开。

2）建立地基处理、结构措施配合后期维修加固的整体处理理念。地基土均存在一定的压缩性，在上部结构和基础刚度不变的情况下，地基土越软弱，基础的相对挠曲和内力就越大[8]，产生差异沉降的几率就越大，增加主要受力层范围内地基的刚度可以有效减少差异沉降。对于转载点、栈桥等建（构）筑物，可采用高（超高）能级强夯结合上部一定厚度加筋土垫层的地基处理方式，对于长距离的输煤带式输送机基础，可采用中等能级强夯的地基处理方式，以增加地基主要受力层范围内地层的刚度，减少差异沉降。基础设计在增加基础刚度的同时，对高栈桥等构筑物可考虑设置基础变形调节装置，以实现发生差异沉降后的变形调节功能。使用期间发生差异沉降后，应采取对应的维修加固措施。可在变形调节装置调节的基础上，采用陶土纠偏、水平或竖向注浆加固等处理方式；对于长距离的运煤带式输送机基础等，可采用调整地脚螺栓长度或增加垫块的设备基础调整方式。

3）树立全过程管理的理念。对深厚抛填土场地，地基处理无法一次到位，只能通过相关措施来减缓沉降及差异沉降对建（构）筑物的影响，并且由于沉降的发展是长期的，进行地基加固可能要经过多次才能趋于稳定。即在通过以上措施满足地基承载力及稳定性要求的前提下，通过工程的全过程管理实现变形的全过程管控，以满足使用功能要求。因此在编制项目设计文件时，应同时编制使用期间出现不同程度沉降和差异沉降时的应急加固预案，明确使用期间周边平面变化、人员巡查巡视重点内容等要求，使管理人员熟悉了解可能出现的问题，尤其重视局部裂缝渗水、排水不畅汇集渗水等造成的差异沉降问题，以便使用过程中做到遇见问题及时处理，避免影响建（构）筑物功能的正常使用。