利用城市垃圾进行采空区路基加固技术初探

许志琴

(山西吕梁路桥有限公司，山西吕梁 033000)

近年来，我国公路建设取得了巨大成就。随着基础设施建设向中西部的转移，公路(特别是高速公路)穿越采空区的情况越来越多。以山西为例，因长期煤炭开采形成的采空区面积达2万km2，是山西土地面积的1/8。山西孝义某村采空区塌陷情况见图1。在公路建设中，采空区的存在给公路路基稳定及行车安全留下了严重的安全隐患。在陕西榆林地区，长期的煤炭开采造成神木(见图2)、府谷、榆阳等县区大面积采空区，采空区自然塌陷形成了塌陷地震，每年至少10余起，造成路面开裂、塌陷等。采空区如不及时处治，导致的地表沉陷、山体滑落、路桥凹陷等，将对工农业生产和人民群众生命财产安全造成严重的影响。公路穿越采空区的路基稳定是我国公路建设者必须面对的一个难题。在我国，主要是采用注浆提高路基的稳定性。本文介绍了利用城市垃圾回填来提高采空区路基稳定性的新思路。

图1 山西孝义某村采空区塌陷

图2 陕西神木采空区塌陷形成的路面裂缝

1 采空区对路基的影响

公路路基下伏煤矿采空区是一类特殊的岩土工程问题。采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，隐伏性强、空间分布规律差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测。在采空区上方修建公路时，公路路基的承载力及稳定性受采空区顶板的沉陷变动影响极大，会出现突然塌陷、开裂、隆起等，造成路面局部破坏，产生裂缝、波浪状起伏、凹陷等病害。公路路基下伏的采空区给公路建设带来了巨大困难，一般尽量避开。但是，在公路建设中，又不可避免地要穿越采空区，相应地给路基、路面及桥隧等的正常运行带来风险与潜在危害。

近年来，随着我省高速公路建设的飞速发展。晋焦高速、太旧高速等都不可避免的遇到了煤矿采空区难题，进行了一定的试验研究，取得了不小的成果。从总体效果来看，采空区治理最有效的处治是进行填充，是提高采空区稳定性最有效的方法。2009年，河北进行了尾矿回填矿山采空区的充填采矿技术推广，取得了明显的环境效益、资源效益、经济效益和社会效益。总体上说，在我国，采空区公路建设尚处于初步阶段，特别是对于多层复杂煤矿采空区的处理问题尚缺乏成功经验。

城市垃圾是城市中固体废物的混合体，包括工业垃圾，建筑垃圾和生活垃圾。我国是世界上城市垃圾包袱最沉重的国家之一。据统计，目前全国城市垃圾历年堆放总量高达70亿t，绝大部分是露天堆放，造成了土地浪费，不仅影响城市景观，还容易造成二次污染等。城市垃圾处治方式主要有填埋、堆肥、焚烧，其中在我国以填埋为主要处理方式，不仅占地面积大，还存在严重的二次污染。

有学者提出，将地面堆放的城市垃圾处治与地下采空区填充治理理念相结合，利用城市垃圾填充采空区，变两废为两利，从而遏制环境污染，减少国土损失，寻求人和自然的和谐统一。

2 城市垃圾填充采空区的研究现状

在目前，采空区加固主要有封闭、崩落、加固和充填四类方法。其中，填充法是使用充填材料对采空区进行充填处理，使得充填体与围岩共同作用，达到有效控制地压和防止地表塌陷等目的，是最有效、最彻底、环保效果最好的加固方法。

2.1 传统的采空区填充加固措施

在我国的金属矿山中，充填开采技术成熟，应用较多。在煤矿中，已经推广如膏体充填、矸石充填、无煤柱充填等充填技术并进行实践研究，取得了一些成果。但是，全国上万座矿山，历年累积的井巷、采空场面积巨大，有效的处理方法是胶质(高聚物)充填，其成本太高(包括填充材料及设备等)，且工程量大、工艺复杂、效率相对较低，充填技术在煤炭行业应用不广泛。因此，在采空区治理中，主要得通过降低充填材料成本和选择各类充填置换方法来实现有效治理。

2.2 利用城市垃圾充填采空区开展的一些研究

利用城市垃圾充填采空区的基本思路是:将经过集中、筛选、分类回收后废弃的固体垃圾废弃物，进行预处理后，用于采空区填充，从而提高地表稳定性。可以看出，进行城市垃圾和采空区的复合处理，不仅有利于城市垃圾的洁净处理，而且还有利于采空区灾害的治理和国土资源的再生利用，从而形成垃圾处理产业格局，降低垃圾处理费用，避免垃圾堆放占地。

目前，在我国利用城市垃圾充填采空区的研究较少。2000年，中国科学院武汉岩土力学研究所谷志孟等提出了关于用城市垃圾回填矿山采空区的环境治理问题，为城市垃圾处理和解决矿山采空区的问题提供了新思路。2002年，冯长根提出了用城市垃圾充填采空区是缓解耕地紧缺和填埋垃圾占地的一种良好方法。2009年，河南科技大学李一帆等以某城市垃圾充填附近矿山采空区为例，采用离散单元法对利用垃圾充填和自然崩落两种采空区处理产生的力学效应进行了分析。可以看出，在我国，利用城市垃圾进行采空区处治的应用尚无实例，处于起步阶段，还需要探索和研究。在国外也没有关于这类型的学术文献和应用实例。可以说，开发和研究利用城市垃圾进行采空区处治，是一项开创性的环境综合治理举措。

将城市垃圾的消纳和采空区处治作为一项系统工程，是行之有效的环境综合治理方法，有利于推进经济和环境的可持续发展。将其应用于公路穿越采空区的地基加固，对于解决公路穿越采空区这一难题，大幅降低工程成本具有重要意义，具有广阔的应用前景。

3 利用城市垃圾进行采空区路基加固需解决的问题

山西煤炭资源分布广泛，采掘历史悠久。在过去几十年的公路建设历程中，大部分高速公路和部分一、二级公路都遭遇到了采空区这一难题，给公路建设增加不小的难度。公路穿越采空区，一般通过采空区注浆处治的方法解决，还有跨越法、强夯法、开挖回填法等，总的来说成本较高。

在交通部颁布的JTG/T D31-03-2011采空区公路设计与施工技术细则中，对公路穿越采空区的地基容许变形、回填料压实度、回填质量控制标准等提出了很高要求。

表1为《采空区公路设计与施工技术细则》中的公路穿越采空区的地基容许变形值。

表1 公路穿越采空区的地基容许变形值

采空区的移动变形具有隐蔽性、复杂性、突发性、长期性等特点，公路穿越采空区时，其路基处治的质量直接决定着公路建设和使用质量。利用城市垃圾进行采空区加固在我国仅是起步阶段，将其应用于路基加固，投入工程实例，还需要解决好以下几个技术问题:

1)需解决垃圾的分类及压缩固化技术，固化后的承载性能技术;

2)在地基加固中，垃圾材料充填的方法、工艺与设备等技术;

3)必须考虑到城市垃圾填充后有可能导致的新的环境问题。

把城市垃圾的消纳和矿山采空区的处理复合成一项系统工程，使两害变为两利，推进社会经济与生态的可持续协调发展，具有广阔的推广应用价值。

4 结语

在我国，采空区沉陷造成的地质灾害及城市垃圾堆积产生的危害十分严重。将城市垃圾处理与采空区充填技术相结合，是一种行之有效的环境综合治理新思路。利用城市垃圾充填采空区的技术进行采空区地基加固，解决好亟需解决的几个关键问题，可丰富资源开采充填和垃圾处理方面的科学理论，对于提升我国在相关领域的国际地位起到积极作用，对于我国社会经济与环境的可持续协调发展具有重大的现实意义。

［1］刘 音，郭晓葭.城市垃圾充填煤矿采空区控制地表沉陷技术研究［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，2010(4):7-9.

［2］谷志孟，白世伟.利用城市垃圾充填废弃采矿空场的环境综合治理建议［J］.科技进步与对策，2000(1):54-56.

［3］王亚伟.公路下伏采空区处治技术研究［J］.山西交通科技，2013(1):10-11.

［4］JTG/T D31-03-2011，采空区公路设计与施工技术细则［S］.