某下伏采空区公路滑坡变形机理分析及工程设计

覃 浩

（山西省公路局 临汾分局勘察设计院，山西 临汾 041000）

0 引言

采空区上边坡稳定性有三种情况：产生滑坡或崩塌；虽然地表严重开裂但边坡和山体仍长期保持稳定；虽处采空塌陷区外侧，但因位于塌陷盆地外边缘鼓张区而发生地面隆起[1]。在工程实践中，公路穿过下伏采空区的实例越来越多，这中间遇到的一个重要问题就是路基边坡的稳定问题及其治理对策。在资金充足的条件下，能够完全采用《采空区公路设计与施工技术细则》[2]和《公路路基设计规范》[3]的相关要求进行勘察设计。然而，主要受项目投资额度和公路等级等多种因素的限制，下伏采空区的公路路基失稳问题可能需要采取新的工程措施来进行处理，达到既要考虑采空区影响，又要保证公路安全的目的。本文就是采用锚索微型桩挡墙对一处下伏采空区路基滑坡进行的工程治理，以期提供一个有用的工程设计实例，为类似地区公路滑坡的治理提供借鉴。

1 工程概况

某山区三级公路里程为K95+665—K95+805，该段路线以半填半挖路基形式通过，路基左侧为填方，填方最宽处约20 m，厚度最大约13 m。据现场施工技术人员反映，该段路基自施工完成后就一直在缓慢下沉开裂，虽经多次简易处理，路面弧形裂缝一直在变宽，最宽处为15 cm，左侧路肩处下沉最多达60 cm，左侧的填方路基坡面也出现多道弧形拉张裂缝，宽度约20 cm。该滑坡已经形成，正在缓慢变形发展中。

该段路基边坡变形破坏严重，已危及该段公路的行车安全和顺利交工，急需进行治理。

图1 左侧路缘石处下沉

2 工程地质特征

2.1 基本特征

该滑坡平面形态上呈“长椅”形，主滑方向71°，与新建公路正交。该滑坡位于一山前洼地中后部，滑坡前侧为一宽缓平台，最宽处约110 m，已种松树。剪出口位于填方坡脚处，发育鼓胀裂缝，宽度约15 cm，长度较短。滑坡后缘为新建公路中线附近，左半幅路面变形开裂严重，中后部裂缝已经贯通。滑坡左侧边界清晰，有纵向剪切裂缝，右侧边界不清晰，以基岩出露处小型冲沟为界。滑体纵向长约75 m，横向宽约 140 m，厚度平均 14 m，面积为8.6×103m2，体积约 12.0×104m3，为中型中层堆积层工程滑坡。

2.2 地层结构

经地质调绘及钻探揭露，滑坡区附近分布的地层主要为第四系人工填土（Q4me）、第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）、第四系全新统滑坡堆积物（Q4del）和石炭系上统太原组（C3t）。

2.2.1 滑体

滑体主要为路基填方和覆盖层的碎石、块石，母岩岩性为粉砂岩和泥质砂岩，松散，粉质黏土充填，碎石粒径2～20 cm占70%，块石粒径约30 cm，含量约15%，局部架空，稍湿。

2.2.2 滑带

滑带为岩土界面的软弱粉质黏土，受地表水下渗后软化形成滑带。

2.2.3 滑床

滑床为强风化中砂岩。灰色，长石、石英为主，钙质胶结，薄层构造，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状。

2.3 采空区

据附近煤矿提供资料显示：该滑坡区正下方为煤矿运输巷道，主要受到正在开采的五采区影响。滑坡区位于目前五采区采空区外侧，但属于将来采空区范围内。该煤矿开采煤层为2号、3号、8号3个煤层，多层开采相互影响，采动变形严重。采煤方法为综采一次采全高，顶板自然塌落。滑坡区地面高程1 000～1 048 m，采煤顶板高程680～740 m，采深为260～320 m，总计开采厚10～12 m，综合回采率80%，采深采厚比为26～27，不稳定。按山西西山地区煤矿移动盆地的一般资料，移动角为69°～72°，目前五采区采空区影响周界距该滑坡最近处为65 m（如图2中虚线范围所示），但根据开采规划，后期五采区的采空区将影响到该滑坡范围内50%左右坡体的稳定（如图2中粗线范围所示），见滑坡区与采空区相对关系图。并且，滑坡区所在场地区域岩体破碎，不利于采空区稳定。综上所述，目前滑坡的形成与下伏采空区没有直接关系，但后期进一步开采，将导致该段公路发生塌陷。因此，工程治理方案应考虑后期可能的采空区塌陷影响。

图2 滑坡与采空区相对关系图

3 滑坡的成因和稳定性评价

3.1 滑坡的成因分析

研究分析影响该段滑坡稳定的因素，目前主要为地形地质条件、大气降水和绿化浇灌、路基填方等，具体分析如下。

3.1.1 地形地质条件

项目区原地形较陡，该段路基填方位于一洼地后部边坡上，原坡面较陡，地质条件较为复杂，地层主要为路基填方的粉质黏土夹碎块石、砂岩和泥岩，强度低，因此，岩土界面的粉质黏土为易滑地层，复杂的地形地质条件为坡体滑动提供了有利条件和地质背景。

3.1.2 大气降水和绿化浇灌

项目区气候属温带半干旱大陆性气候，年均降水量500 mm左右，降雨主要集中在7—8月，雨季时降雨集中，降雨强度和降水量大。降雨以及森林公园绿化浇灌用水入渗到坡体内，一方面增加坡体重度，另一方面粉质黏土软弱层遇水软化、解体，大大降低了坡体的抗剪强度。

3.1.3 路基填方

西山农村旅游及防火通道公路路基填方加载，改变了自然坡体的平衡状态，为滑坡的形成提供了滑动空间，使坡体的稳定性降低，导致坡体沿不利的软弱地层产生变形和滑动。

如上所述，复杂的地形地质条件是滑坡形成的主要内因，人工填方改变自然坡体的平衡状态、大气降水和绿化浇灌是滑坡形成的主要外因。在内外因共同作用下，形成滑坡灾害。

3.2 滑坡的稳定性分析与评价

根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），按滑体厚度、体积和滑体组成物质分别对滑块进行分类，该滑坡为中层中型堆积层滑坡。

结合类似滑坡治理工程经验及滑坡反算成果，选取如下参数对该滑体主滑断面的稳定性进行了计算：根据野外大重度试验测定滑坡体容重为19 kN/m3，计算中碎块石天然容重取19.0 kN/m3，饱和容重为19.6 kN/m3。取稳定系数K=0.99，滑面内黏聚力c=14 kPa，φ=18°，主体断面上该滑体的稳定性计算结果见表1[4]。

采用不平衡推力法进行计算，滑坡计算条分图见图3，滑坡稳定性计算结果见表1。

表1 滑坡稳定性计算一览表

图3 滑坡主断面条分图

经综合分析，判定该段滑坡在天然状态下处于欠稳定状态，在暴雨或持续降雨状态下以及地震状态均处于不稳定状态。

4 滑坡的治理设计

4.1 滑坡下滑推力计算

经计算，在设计支挡工程位置的下滑推力计算结果如下，并以3种工况下的最大值作为设计滑坡推力。

表2 滑坡剩余下滑推力计算结果一览表

4.2 滑坡治理工程设计

根据勘察报告可知，该段滑坡滑体松散，其物质成分主要为粉质黏土夹碎石，在区内降雨及绿化浇灌等不利因素影响下，后部变形严重，且一直在缓慢发展中。附近煤矿五采区的下一步开采将影响到该滑坡约50%的坡体稳定。

为了保证该段公路安全稳定，需要对该段滑坡进行加固支挡。受本项目投资额度限制，没有条件对该段下伏采空区进行工程治理。之所以拟定锚索微型桩挡墙进行滑坡治理，是考虑该种结构能将路基形成一个整体，即使将来下伏采空区发生塌陷，该段路基只可能出现因采空区区域沉陷导致的整体下沉，而不会出现局部塌陷而威胁到公路安全。

因此，该滑坡治理采用微型桩挡墙对该段路基进行抗滑支挡，同时采用嵌入式水工砖对该段进行铺砌，待采空区稳定后再铺筑沥青混凝土路面。

4.2.1 抗滑支挡工程

在左侧路肩外侧设置一道微型桩挡墙进行抗滑支挡，墙高3.0 m，埋深3.0 m，顶宽1.5 m，面坡坡率1∶0.25，背坡直立。挡墙墙身配筋，采用C30混凝土浇筑。距墙顶1.0 m的位置设一排锚索进行加固，锚索孔横向间距6 m，锚索长18 m，锚固段10 m，孔径130 mm，孔内设6根φs15.2无黏结钢绞线，采用M30纯水泥浆压力注浆。挡墙基础内设置微型桩，微型桩共3排，采用梅花型布置，行距0.75 m，排距1.0 m，微型桩长18 m，其中1.5 m伸入到挡墙内。微型桩桩径为130 mm，内设3束φ28钢筋，注浆采用M30水泥砂浆灌注，注浆终止压力0.3 MPa。微型桩挡墙共计135 m。

4.2.2 路面修复工程

清除填方范围内现有的沥青路面，重新平整基层，上方铺设10 cm厚的砂石垫层，最后铺砌嵌入式水工砖。铺砌水工砖路面长度约140 m。

该段滑坡治理工程已于2013年10月顺利完工。根据竣工后的定期监测资料，坡体已经稳定，治理工程取得了圆满成功。

5 结语

本文在分析某下伏采空区路基滑坡变形机理的基础上，主要采用了锚索微型桩挡墙对下伏采空区滑坡进行加固支挡。这种锚索微型桩挡墙能将路基形成一个整体，即使将来下伏采空区发生塌陷，该段路基只可能出现因采空区区域沉陷导致的整体下沉，而不会出现局部塌陷而威胁到公路安全。这一工程实例可以在兼顾采空区后期塌陷影响的基础上保证新建公路的稳定安全，可为采空区地区公路的勘察、设计和施工技术的完善提供详实的实践资料。