晋阳高速公路改扩建工程下伏采空区稳定性评价

李效广，刘亚明

(1. 山西省交通开发投资集团有限公司 太原市 030006；2. 山西省交通科技研发有限公司 太原市 030032)

※基金项目：山西交通控股集团有限公司科技项目(20-JKKJ-55)，山西交通控股集团有限公司重点研发科技项目(20-JKKJ-2)

0 引言

近年来，随着山西省高速公路建设的持续进行，多条高速公路不可避免地穿越采空区，采空区不良地质作用成为了山西省高速公路建设不可避免的难题。自太旧高速公路修建以来，大量学者开展了公路穿越采空区方面的研究[1-7]。

晋阳高速公路是山西省“九五”公路建设的重点工程，是继太旧高速公路之后的第二条高速公路，1997年建成通车，并于2009年9月完成大修工程。本次晋阳高速改扩建工程综合考虑路网规划，扩建形式主要有新建与加宽两种类型，新建段在多处穿越采空区，对采空区上方拟建的桥梁、路基和边坡造成了影响。在对晋阳改扩建工程新建段穿越采空区的地质条件和要素特征充分查明的基础上，针对不同类型采空区的特点，开展采空区的稳定性研究，为晋阳改扩建工程的建设和后期安全运营提供一定的技术支持。

1 晋阳高速公路改扩建工程煤矿采空区分布情况

通过调查与实测、物探与钻探等手段，探明晋阳高速公路改扩建工程沿线涉及到8座煤矿，分别为晋普山煤矿、吴王山煤业有限公司、华阳煤业、下掌煤矿、大树煤矿、北西村小窑煤矿、尧沟村煤矿、沟西联办煤矿，具体分布情况及参数见表1。

表1 晋阳高速公路改扩建工程煤矿采空区分布情况表

2 采空区稳定性评价

采空区变形是一个复杂长期的过程，采空区地基稳定性受地质条件、采矿条件、开采方式、采深、采厚、开采规模、开采时间等多种因素影响，参照工程实践，本次采用的采空区场地稳定性评价方法有：巷道式采空区采用极限平衡法，不规则房柱式采空区采用采深采厚比法。

2.1 采深采厚比

沿线采空区多由村办煤矿采用巷道式、房柱式等非正规开采方式开采，且开采年代己久，巷道分布无规律，采空区范围无法实测，根据钻孔揭露3号煤层厚度3.5～4.8m，9号煤层厚度1.3～1.7m，15号煤层厚度2～3m。对房柱式采空区采用采深采厚比法评价采空区场地稳定性，评价标准见表2，评价结果见表3。

表2 不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准

表3 采深采厚计算评价结果表

根据判定结果，晋阳高速公路改扩建工程沿线房柱式采空区场地均处于不稳定状态。

2.2 极限平衡法

根据采空区专项调查及钻探揭露，沿线采空区3#、9#煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩，15#煤层顶板岩性为灰岩。利用各钻孔揭露地层资料，计算巷道顶板稳定的临界深度，松散土层的重度取值18.6kN/m3，岩石重度取27.5kN/m3，φ取值30°，巷道宽2～3m，交叉、拐角处宽度为5～6m。上覆岩土层平均重度γ=(18.6×h+27.5×H)/(h+H)kN/m3，桥梁P0=340kN/m2，路基P0=16kN/m2，临界采深Hcr，可按式(1)计算。

松散岩体计算公式：

(1)

式中：B为采空区巷道宽度(m)；p0为公路路基基底压力，包括行车荷载及路基、路面荷载(kPa)；γ为上覆岩层加权平均重度(kN/m3)；φ为上覆岩层加权平均内摩擦角(°)。

对比采空区的实际埋藏深度及临界深度，按下式可求得采空区顶板的稳定系数Fs，按照《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03—2011)评价小窑采空区场地的稳定性，单一巷道式采空区场地稳定性等级评价标准见表4。

(2)

式中：H为巷道顶板的实际深度(m)；Hcr为巷道顶板的临界深度(m)。

表4 单一巷道式采空区场地稳定性等级评价标准

代入式(2)计算，各段落巷道稳定性计算及评价结果见表5。

表5 巷道稳定性计算评价结果表

2.3 地基稳定性评价

沿线采空区多为村办、镇办小型煤矿，以开采3#、9#、15#煤层为主，多为巷道式、房柱式开采。房柱式采空区，根据采深采厚比计算评价煤层采空区场地均为不稳定，易引起地表非连续变形，且存在时间和空间上的不确定性，地基不稳定，不满足桥梁和路基的容许变形值。

沟西联办煤矿和华阳煤矿K22+600～K23+470段，路线范围内为巷道穿越，根据极限平衡法评价煤层采空区场地为基本稳定～稳定，单一巷道对公路工程影响较小，且根据工程地质类比法，该路段原晋阳高速公路路基未发现由采空引起的变形，采空区满足路基的容许变形值。

2.4 综合评价及处治方案建议

根据采空区专项调查、物探及钻探等综合分析，本项目采空区未垮落或垮落不充分，地表塌陷形式为不连续，具突发性、不可预测性，综合各种因素，采用多种评价方法，结合工程类型的重要性等级，依据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T D31-03—2011)进行综合稳定性评价，并提出处治建议。

根据采空区埋深及塌落特征，桥梁段浅层采空区采用桩基穿越法，如发现空洞及时用混凝土回填，桥梁段深层采空区和路基段推荐采用全充填压力注浆法来处治采空区，未处治的路基段可考虑加铺土工布、土工格栅等材料，提高路基的整体稳定性，路面设计可采用柔性材料，以满足采空区剩余变形要求，并设置警示标志措施等，避免后期可能出现突发变形。

3 结论与建议

在对晋阳改扩建工程新建段穿越采空区的地质条件和要素特征充分查明的基础上，对晋阳高速公路改扩建工程沿线采空区进行了稳定性评价，巷道式开采非充分采动条件下，采空区的稳定性采用极限平衡法进行评价，房柱式开采非充分采动条件下，采空区的稳定性采用采深采厚比进行评价，在此基础上，对场地的稳定性进行了综合评价并给出了处治建议：

(1)晋阳高速公路改扩建工程沿线房柱式采空区场地均处于不稳定状态。

(2)沟西联办煤矿和华阳煤矿路线范围内为巷道穿越，评价结果为基本稳定～稳定，单一巷道对公路工程影响较小，且根据工程地质类比法，该路段原晋阳高速公路路基未发现由采空引起的变形，采空区满足路基的容许变形值。

(3)桥梁段浅层采空区采用桩基穿越法，如发现空洞及时用混凝土回填，桥梁段深层采空区和路基段推荐采用全充填压力注浆法来处治采空区，未处治的路基段可考虑加铺土工布、土工格栅等材料，提高路基的整体稳定性，路面设计可采用柔性材料。