某高速穿越采空区段地质选线研究

朱俊霖

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

近年来，随着高速公路网的加密，新增高速路线走廊的选择受到既有高速公路网布局和拟建高速衔接功能定位的限制，尤其在遇到采空区此类面域较大的不良地质时，路线可选走廊狭窄，往往难以完全绕避大型采空区。因此，针对采空区采用综合勘探手段，分析场地稳定性及工程建设适宜性，为路线方案在采空区范围内进行工程地质比选，并提出合理的治理措施尤为关键[1]。本文以川东南地区某拟建高速为例，通过对采空区的综合勘探与研究，得到了路线穿越采空区段的较优方案。

1 工程概况

拟建高速位于四川省东南部，总体呈东西走向，为新增规划的高速联络线之一，对于完善川渝两地高速连接网络，融入成渝双城经济圈具有重要意义。路线起于自贡市沿滩区，跨越沱江后在富顺县与S66自隆高速交叉，止于四川与重庆交界处，路线全长54.65km。

2 采空区工程地质条件

2.1 地形地貌

调查区位于隆昌市山川镇与泸县嘉明镇之间，地处梯子崖背斜，整体为北东—南西向延展的长条状山岭，山脊及两侧斜坡区域地形坡度较大，余下地形较为平缓，为构造剥蚀低山丘陵地貌。

2.2 地层岩性

调查区内出露地层由新至老为第四系（Q），侏罗系中统新田沟组（J2x）、侏罗系中下统自流井组（J1-2zl）、侏罗系下统珍珠冲组（J1zh）以及三叠系上统须家河组（T3xj）。

区内可开采煤层主要为须家河组第五段中的外山炭、内山炭，以及第三段的石包炭、厚炭，平均厚度0.33～0.54m，局部夹矸。灰岩矿层赋存于侏罗系中下统自流井组大安寨段，由灰色泥晶灰岩、生物碎屑灰岩等组成，平均厚度约2.50m。

2.3 地质构造

调查区沿线地质构造形迹相对简单，主要为北东—南西向构造带，以梯子崖背斜、黄泥垭断层为主。背斜核部平缓，由须家河组构成。两翼不对称，地层为珍珠冲组、上沙溪庙组，北西翼倾角15°～20°，南东翼倾角40°～70°，呈单箱状，以珍珠冲组为标准层圈闭构造，核部被黄泥垭压性逆断层破坏，次级断层、褶曲不甚发育。

3 采空区勘察结果

3.1 资料收集

调查区内采煤历史悠久，规模性煤矿较多，拟建公路沿线穿越隆昌煤矿井田、泸县马园煤矿、嘉明煤矿、石燕煤矿、大众煤矿等，上述矿山开采须家河组第五段和第三段煤层且形成了大面积采空区，开采方式均以长壁式开采为主，早年存在不规则柱式开采，自然垮落法管理顶板，各煤矿自1990年至2015年陆续关闭。

此外，调查区内拟建公路附近多处进行过石灰岩开采，老窑分布众多，此类老窑多由私人承包开挖，因开采难度增加、矿石质量差、资源枯竭等问题而陆续关闭，各老窑基本在2000年前后停止开采，废弃时间达20年以上。

依据各矿山关闭前最新采掘工程平面图，各路线均未穿越石灰岩矿山，K线K40+030～K42+700段穿越大众煤矿、嘉明煤矿以及马园煤矿，C2线C2K40+660～C2K42+800 段穿越大众煤矿、石燕煤矿以及马园煤矿，C4 线C4K40+060～C4K42+370段穿越大众煤矿、嘉明煤矿。拟建路线与各矿山采空区相对位置关系如图1所示。

图1 拟建路线采空区分布示意

3.2 现场调查

根据现场调查，区内石灰岩矿层地表露头多位于山脊之上，采空区浅埋段多无人居住，地表没有发现陷落、台阶和裂缝等现象，现阶段整体较稳定。煤矿采空区范围内房屋整体结构基本完好，未发生明显的由煤矿采空区引起的地面塌陷、沉降、开裂等不良地质现象，区内既有的公路及铁路也未出现明显的下沉、变形或开裂现象，既有桥隧等构筑物结构也保存较完好，如图2、图3所示。

图2 采空区内砖混楼房

图3 既有隧道

3.3 物探测试

为进一步查明煤层采空区的空间分布，本次工作利用瞬变电磁法对初步圈定的采空区影响范围进行物探测试，共布置瞬变电磁法测线22 条，长度共计29.4km，点间距为20m，对采空巷道密集区间距适当加密，测点共计1492个。

物探测试共划出41个异常，除大众煤矿禁采区旧巷积水以及断层破碎带的综合电性反应外，其余异常均推测为采空区引起的电性异常，经对比，物探探测采空区异常反应和收集采空区资料基本一致。

3.4 地质钻探

根据物探解译成果与收集资料综合分析，并结合路线方案与采空区的相对位置关系，共布设6个钻探分析验证点。其中4个钻探点在采取岩芯中含木屑等杂质或钻进过程中出现掉钻、漏浆，钻探异常位置与物探解译的异常区基本一致。另2个钻探点在物探异常区段取芯破碎，推测因钻孔直径一般较小，可能未坐落于采空巷道上方，钻进取芯段落位于采空巷道侧壁或影响带内[2]。

4 采空区稳定性及工程建设适宜性评价

4.1 覆岩破坏高度计算

路线所穿越的各煤矿采空区均采用自然垮落法管理顶板，未对采空区进行回填等处理。根据已有资料，覆岩饱和抗压强度多在20～40MPa，部分小于20MPa，根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）[3]中附表对煤层开采形成的冒落带和裂隙带进行计算。

冒落带高度：

裂隙带高度：

式中：Hm——冒落带最大高度（煤层法线高度），m；

Hli——裂隙带最大高度（煤层法线高度），m；

∑M——累计采厚，m。

根据区内煤层厚度及开采矿山资料，将∑M取值综合考虑为1.2m[4]，带入式（1）、式（2），得到Hm=4.26m，Hli=27.34m。

4.2 采空区地表移动变形计算

根据已有煤矿资料及邻近工程资料，区内覆岩可划分为中硬岩，按照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044-2014）[5]表H.0.8-1 及《工程地质手册》（第五版）[6]，主要计算参数见表1。

表1 移动变形计算主要参数

根据上述煤矿采空区的主要变形参数，采用《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）[3]附录D中公式，计算各煤矿采空区的主要变形参数，统计结果见表2。

表2 各煤矿采空区移动变形计算结果

本次地表移动的延续时间T根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）[3]中附录D 表D.0.3-1中列出煤炭行业规程推荐地表移动延续时间的回归关系式来计算。矿山总移动延续时间采用T=2.5H0来确定，H0取最大开采深度300m，则各矿山最大延续时间T=750d。

根据上述计算，各矿山最大延续时间T=750d，而调查区关闭矿山的最短时间也已大于4年，其延续时间t=1460d，t/T＞1，下沉量=1，即最大下沉量与现阶段下沉量相当，因此判定本区关闭矿山的剩余下沉量为0。

4.3 采空区稳定性综合判断

各煤矿采空区稳定性根据形成的采空区地质平纵面、停采时间及计算成果，按照《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）[3]，采空区与停采的年限及采深采厚比的关系见表3、表4。

表3 按照停采时间确定长壁式采空区场地稳定性等级评价标准

表4 不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准

区内煤矿主要为长壁式开采，但考虑到开采年限较为久远，资料记载不详实，同时调查访问中发现部分矿山也存在不规则柱式开采的情况，所以参照不规则柱式采空区进行采深采厚比计算，也作为稳定性综合判定的因素之一。

此外，通过采深采厚比计算稳定条件下的煤层采空区顶板的安全厚度：

式中：H——顶板的安全厚度，m；

M——矿层采高或煤层综合作用厚度，此处取1.2m；

K——安全系数，取120；

通过上述计算，稳定条件下的煤层采空区顶板安全厚度H=144m，结合川南地区采空区稳定性判断的经验值，本次煤层采空区安全厚度综合考虑取值为150m。

4.4 各路线方案工程建设适宜性评价

根据对区内煤矿采空区的综合判断，并以停采年限为基础，以移动变形计算结果、采深采厚比为量化指标，K线K40+700～K42+500段为采空区不稳定—欠稳定段，长度约1.8km，影响段落内构筑物主要为2座桥梁及1座隧道；C2线C2K42+000～C2K43+800段为采空区不稳定—欠稳定段，长度约1.8km，影响段落内构筑物主要为1座隧道；C4线C4K40+850～C4K42+250段为采空区不稳定—欠稳定段，长度约1.4km，影响段落内构筑物主要为1 座桥梁。拟建公路穿越赋矿地层及采空区段落近6km，影响段落为1.4～1.8km，总体处于基本适宜区，但需要对不稳定段落进行处置后方可进行建设。

4.5 路线方案比选

K线、C2线均为项目隧道方案，隧道长度、工程地质条件及采空区影响段落长度基本相当，K线需进行采空区处置的构筑物多出2座桥梁；C4线为明线方案，影响段落相较于K线、C2线减少400m，主要影响的构筑物为1座桥梁。隧道方案在采空区的处置相对更为复杂，同时还存在瓦斯等不良地质。

根据规范规定，公路勘察设计时应避让采空区，难以避让时宜以一般路基方式通过，对路基进行加固处理，并采取抗变形措施，同时采取柔性路面设计。依据采空区综合勘察成果，在工程地质条件上，该项目C4线优于C2线，C2线优于K线[7]。

5 结束语

该项目走廊带较狭窄，煤矿及石灰石采空区呈片状分布，小型石灰井、私采小煤窑采空区无序杂乱分布，给选线带来了较大难度，选线时需要做到以下几点要求：

（1）对采空区的调查应在充分分析地质基本概况、收集已有矿山资料的基础上，加强对现场的调查及走访，并通过物探、钻探等手段进行综合勘察，为路线选择提供地质依据。

（2）路线难以实现对采空区的完全绕避时，应选择影响段落最小的方案，并宜选择以一般路基形式通过为主的方案。

（3）采空区作为隐蔽于地下的不良地质，在勘察设计阶段虽选择了相对较优的路线方案，但在项目建设期间及建成后仍应加强变形监测，发现问题并及时处理。