劉書杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

老采空區(qū)上方擬建高層建筑物穩(wěn)定性評估

劉書杰1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對老采空區(qū)建設(shè)高層建筑物穩(wěn)定性差的難題，利用理論分析和數(shù)值模擬對老采空區(qū)擬建高層建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行評估，得出9#煤層垮落帶最大高度為12.4 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為54.4 m。10-2#煤層垮落帶最大高度為9.2 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為35 m。高層建筑物建成后會(huì)造成9#煤層采空區(qū)二次活化，10-2#煤層采空區(qū)也會(huì)受到疊加活化效應(yīng)的影響；待建立18F高層建筑物后，地表發(fā)生二次沉降，地基下沉最大值為56.5 mm；9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)注漿充填后，地表沉降減小至6.58 mm左右，表明采用地面預(yù)注漿工藝能夠保證18F高層建筑物的穩(wěn)定。

老采空區(qū) 高層建筑物 穩(wěn)定性評估 地面預(yù)注漿

AbstractAiming at the poor stability of high-rise buildings above old gobs, the stability evaluation of proposed high-rise buildings above old gobs was studied by theoretical analysis and numerical simulation, which concluded that the maximum height of caving zone and water flowing fractured zone of No. 9 coal seam were 12.4 m and 54.4 m respectively, while that of No. 10-2 coal seam were 9.2 m and 35 m respectively. The gobs of No. 9 coal seam would reactivate after the completion of high-rise buildings, so that the gobs of No. 10-2 coal seam would be affected by superposition activation; the ground secondary settlement would be observed, and the foundation's maximum subsidence was 56.5 mm; after grouting in gobs of No. 9 coal seam and No. 10-2 coal seam, the maximum subsidence of foundation reduced to 6.58 mm. The results showed that ground pre-grouting technique could ensure the stability of the 18F high-rise buildings.

Keywordsold gobs, high-rise building, stability evaluation, ground pre-grouting

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷發(fā)展，老礦區(qū)改造為生活區(qū)的工程逐漸增多。在自重應(yīng)力作用下老采空區(qū)上覆巖層沉降變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。但是，在老采空區(qū)上方建設(shè)高層建筑會(huì)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，很可能會(huì)發(fā)生采空區(qū)上覆巖層的二次沉降與壓密，使地表發(fā)生豎向沉降與水平變形，從而導(dǎo)致高層建筑物地基的傾斜、曲率和水平變形，最終造成建筑物倒塌等事故。所以在老采空區(qū)上方建設(shè)高層建筑物之前，需要針對老采空區(qū)擬建高層建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

以山東省濟(jì)南市章丘區(qū)某擬開發(fā)住宅小區(qū)為背景，利用理論分析與數(shù)值模擬手段，對淺部老采空區(qū)上方擬建高層建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行評估。為老采空區(qū)改造生活區(qū)推廣和安全保障提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

山東省濟(jì)南市章丘區(qū)某擬開發(fā)住宅小區(qū)地處于原圣井煤礦老采空區(qū)上方。該煤礦只開采3#煤層、9#煤層、10-2#煤層，采煤方法為走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，煤層傾角平均為7°。3#煤層埋藏深度為35 m，厚度為1.21 m；9#煤層埋藏深度為125 m，厚度為1.9 m；10-2#煤層埋藏深度為170 m，厚度為2.12 m。

老采空區(qū)上方擬建設(shè)18層高層建筑物，擬建場地正下方為3#煤層、9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)，其中3#煤層已經(jīng)利用地面預(yù)注漿充填完畢。

2 擬建高層建筑物對老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性影響評估

2.1 擬建建筑物荷載影響深度計(jì)算

煤層回采后，上覆巖層會(huì)形成破裂帶、垮落帶、裂隙帶。雖然覆巖經(jīng)過長時(shí)間的自然下沉，但仍不可避免地存在區(qū)域裂縫、離層，使老采空區(qū)的覆巖抗壓、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于原始巖層。處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的上覆巖層如果受到了附加力，則很容易發(fā)生二次沉降，從而導(dǎo)致建筑物傾斜，影響建筑物安全。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，一般當(dāng)?shù)鼗懈郊討?yīng)力等于相應(yīng)位置處自重應(yīng)力的10%時(shí)，可以認(rèn)為該深度處建筑物荷載產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)均布荷載作用下條形地基附加應(yīng)力的計(jì)算方法，可得下式：

(1)

式中：H——建筑物荷載對地基影響深度，m；

p——基礎(chǔ)地面均布荷載值，kPa；

γ——巖層平均容重， kN/m3。

18層建筑物基礎(chǔ)地面均布荷載值為4121 kPa，沖積層平均容重取19 kN/m3，底界深度取15 m，下部基巖層平均容重取21 kN/m3。帶入到式(1)中，求得擬建18層建筑物荷載對地基的計(jì)算影響深度取50 m。

2.2 采空區(qū)上覆巖層破壞高度計(jì)算

圣井煤礦采用走向長壁式采煤方法，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，巖層垮落帶和裂隙帶高度可根據(jù)巖層性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。9#煤層、10-2#煤層上覆巖層以灰?guī)r為主，砂巖、泥巖砂質(zhì)為輔，垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度按中硬巖層計(jì)算。

式中：Hm——垮落帶厚度，m；

Hi——導(dǎo)水裂隙帶厚度，m；

∑M——累計(jì)采厚， 9#煤層累計(jì)采厚不大于8 m，10-2#煤層采厚不大于5 m。

帶入公式(2)、(3)可得9#煤層垮落帶最大高度為14.3～19.34 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為65.17～82.9 m。10-2#煤層垮落帶最大高度為16.3～21.3 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為37 m。

2.3 擬建高層建筑物對老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性影響

將采空區(qū)頂板埋深H與垮落帶高度Hm、導(dǎo)水裂隙帶高度Hi、18層建筑物附加荷載影響深度H0、荷載影響深度的安全距離Hs之和進(jìn)行對比。H≤Hm+Hi+H0+Hs，表明高層建筑物建成后會(huì)造成采空區(qū)二次活化。

9#煤層采空區(qū)頂板埋深為125～156 m，10-2#煤層采空區(qū)頂板埋深為170～185 m?？芍邔咏ㄖ锝ǔ珊髸?huì)造成9#煤層采空區(qū)二次活化，但不會(huì)對10-2#煤層采空區(qū)產(chǎn)生影響。

9#煤層和10-2#煤層之間最小距離約26.4 m，小于10-2#煤層采空區(qū)垮落帶高度。因此，兩煤層之間的疊加效應(yīng)很大，必須考慮9#煤層和10-2#煤層采空區(qū)活化疊加效應(yīng)。由于疊加活化效應(yīng)計(jì)算非常復(fù)雜，本文采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。

3 老采空區(qū)擬建高層建筑物穩(wěn)定性分析及地表沉降治理效果預(yù)測

3.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

選取ANSYS數(shù)值模擬軟件，以原圣井煤礦礦區(qū)東部已開采的3#煤層、9#煤層、10-2#煤層工作面為地質(zhì)原型。3#煤層完成注漿后，對采空區(qū)上方建設(shè)18層高層建筑后的覆巖沉陷規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。旨在分析老采空區(qū)擬建高層建筑物穩(wěn)定性，預(yù)測9#煤層、10-2#煤層注漿后地表沉降治理效果。

按照工程背景建立模型，如圖1所示，模型尺寸200 m×200 m×200 m(長×寬×高)，共計(jì)16800個(gè)單元、19393個(gè)節(jié)點(diǎn)。將18層樓簡化為46 m×12.1 m×60 m(長×寬×高)的立方體。兩棟18層建筑的樓間距為14 m。模型計(jì)算采用Drucker-Prager準(zhǔn)則計(jì)算。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)及邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算所用煤巖物理力學(xué)參數(shù)主要來自于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，具體巖層力學(xué)基本參數(shù)見表1。

模型四周和底部為位移邊界，重力加速度取9.8 m/s2，計(jì)算采用了自適應(yīng)阻尼。

3.3 老采空區(qū)擬建高層建筑物穩(wěn)定性分析

建立18層建筑物后，地面垂直位移和水平位移如圖2、圖3所示。

圖2 垂直位移云圖

表1 巖層力學(xué)基本參數(shù)

圖3 水平位移云圖

由圖2、圖3可知，待建立18層建筑物后，地表發(fā)生二次沉降。9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)二次活化導(dǎo)致高層建筑物地基下沉最大值為56.5 mm。地表沿地層傾斜方向有15 mm的水平位移，嚴(yán)重威脅18層建筑物地基的穩(wěn)定性。兩個(gè)高層建筑物之間的地表向上隆起36 mm，左側(cè)建筑物向左水平位移為16.4 mm，右側(cè)建筑物向右水平位移為15.1 mm。超過了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中關(guān)于建筑物損壞的3 mm規(guī)定?？梢妰蓸菍訉?huì)出現(xiàn)不均勻沉降，極有可能會(huì)出現(xiàn)相向傾斜的現(xiàn)象。

高層建筑物mise應(yīng)力云圖和水平位移云圖見圖4、圖5。

由圖4、圖5可知，高層建筑物地基部分的等效應(yīng)力達(dá)到43.2 MPa，超過地基基礎(chǔ)混凝土抗壓強(qiáng)度。表明如不注漿充填9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)，建設(shè)的18層高層建筑物將會(huì)相向傾斜，基礎(chǔ)破裂，嚴(yán)重威脅距離較近的18層建筑物的安全。

圖4 18F mise應(yīng)力云圖

圖5 18F水平位移云圖

3.4 地表沉降治理效果預(yù)測

對9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)進(jìn)行注漿充填后地表垂直位移情況如圖6所示。

圖6 注漿后垂直位移云圖

由圖6可知，當(dāng)對9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)進(jìn)行注漿充填后，地表自然沉降約為1 mm，可以忽略不計(jì)。表明9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)注漿充填能夠有效防治地表沉陷。

采空區(qū)注漿充填前后建筑物和地表位移對比情況如表1所示。

表1 采空區(qū)注漿充填前后對比表

由表1可知，9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)注漿充填，建設(shè)18層高層建筑物后地表沉降減小至6.58 mm左右，遠(yuǎn)小于地表沉降控制在30 mm范圍以內(nèi)的施工要求；地表沿地層傾斜方向有0.52 mm的水平位移，可以忽略不計(jì)。

18層高層建筑物地基部分的等效應(yīng)力減小至9.17 MPa，小于混凝土的抗拉強(qiáng)度；左側(cè)建筑物的樁基向左水平位移減小至2.28 mm，右側(cè)建筑物的樁基向右水平位移減小至1.6 mm。表明采用地面預(yù)注漿工藝充填9#煤層、10-2#采空區(qū)能夠有效減小高層建筑物修建后導(dǎo)致的地表沉降值，保證18層高層建筑物的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過理論分析與數(shù)值模擬，對淺部老采空區(qū)上方擬建高層建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行評估，得出有以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)根據(jù)均布荷載作用下條形地基附加應(yīng)力的計(jì)算方法，求得擬建18層建筑物荷載對地基的計(jì)算影響深度約為50 m。

(2)利用理論分析求得9#煤層垮落帶最大高度為19.34 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為82.9 m。10-2#煤層垮落帶最大高度為21.3 m，導(dǎo)水裂縫帶高度為37 m。根據(jù)松散層及其中粘性土層厚度，保護(hù)巖層的安全距離為10 m。高層建筑物建成后會(huì)造成9#煤層采空區(qū)二次活化，不會(huì)對10-2#煤層采空區(qū)產(chǎn)生影響，但要考慮采空區(qū)疊加活化效應(yīng)。

(3)由數(shù)值模擬可知，待建立18層高層建筑物后，地表發(fā)生二次沉降。地基下沉最大值為56.5 mm。兩個(gè)18層高層建筑物之間的地表向上隆起36 mm，左側(cè)建筑物水平位移向左為16.4 mm，右側(cè)建筑物水平位移向右為15.1 mm。地基部分的等效應(yīng)力達(dá)到43.2 MPa，均超過了規(guī)范，嚴(yán)重威脅距離較近的18層建筑物的安全。

(4)由數(shù)值模擬可知，9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)注漿充填后，建立高層建筑物，地表沉降減小至6.58 mm左右，左側(cè)建筑物的樁基向左水平位移減小至2.28 mm，右側(cè)建筑物的樁基向右水平位移減小至1.6 mm。表明采用地面預(yù)注漿工藝充填9#煤層、10-2#煤層采空區(qū)能夠有效減小高層建筑物修建后導(dǎo)致的地表沉降值，保證18層高層建筑物的穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Stabilityevaluationofproposedhigh-risebuildingsaboveoldgobs

Liu Shujie1,2

(1. Mines Construction Research Branch of China Coal Science Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

TD353

A

劉書杰. 老采空區(qū)上方擬建高層建筑物穩(wěn)定性評估[J]. 中國煤炭，2017，43(9)：68-72. Liu Shujie. Stability evaluation of proposed high-rise buildings above old gobs[J]. China Coal, 2017, 43(9)：68-72.

劉書杰(1981-)，男，河北保定人，碩士研究生，副研究員，主要從事注漿及鉆探技術(shù)研究。