常文偉
(山西路橋集團(tuán) 陽(yáng)蟒高速公路有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)
山西省是煤炭資源大省,改革開(kāi)放以來(lái)累計(jì)產(chǎn)出原煤百億噸,為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的能源保障。煤礦開(kāi)采方式多樣,產(chǎn)生的采空區(qū)分布范圍廣,地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的加速實(shí)施,山西省許多地方修建高速公路都不可避免地要通過(guò)采空區(qū)。采空區(qū)不良地質(zhì)問(wèn)題已經(jīng)成了困擾山西省高速公路建設(shè)的難題之一,在很大程度上阻礙了山西省高速公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。
大量學(xué)者對(duì)高速公路穿越采空區(qū)的問(wèn)題進(jìn)行了研究[1-5],但由于不同礦區(qū)的地質(zhì)條件不同且差異較大、采空區(qū)影響高速公路的范圍不同、采空區(qū)上方的公路基礎(chǔ)設(shè)施類型不同,因此,為了保證穿越采空區(qū)公路的運(yùn)營(yíng)安全,應(yīng)針對(duì)不同地質(zhì)條件、不同開(kāi)采方式的采空區(qū)進(jìn)行具體的研究和分析。
陽(yáng)蟒高速位于山西省晉城市陽(yáng)城縣境內(nèi),作為陽(yáng)城至濟(jì)源高速公路的重要組成部分,是山西省與河南省對(duì)接的省際公路通道之一。在前期工程地質(zhì)勘察中,發(fā)現(xiàn)陽(yáng)蟒高速設(shè)計(jì)路線在多處穿越采空區(qū),對(duì)采空區(qū)上方的擬建路基、橋梁、邊坡等造成了威脅。本文在充分掌握采空區(qū)路段地質(zhì)條件、開(kāi)采方式、采深、采厚、回采率等參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
通過(guò)資料搜集、調(diào)查與實(shí)測(cè)、物探與鉆探等手段,探明沿線涉及到的煤礦有3座,分別為西河煤業(yè)演禮煤業(yè)采空區(qū)、西河煤業(yè)采空區(qū)、村辦小煤窯采空區(qū),其具體分布情況及參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 陽(yáng)蟒高速采空區(qū)分布情況表
采空區(qū)變形是一個(gè)復(fù)雜長(zhǎng)期的過(guò)程,采礦條件、地質(zhì)條件、開(kāi)采時(shí)間、開(kāi)采規(guī)模等多種因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。參照工程實(shí)踐和煤礦地表移動(dòng)變形觀測(cè)資料,綜合各種因素,采空區(qū)地基穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、開(kāi)采方式、采深、采厚、開(kāi)采時(shí)間等多種因素影響,因此,對(duì)于房柱式開(kāi)采非充分采動(dòng)條件下,采空區(qū)的穩(wěn)定性采用采深采厚比的參數(shù)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)于巷道式開(kāi)采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
經(jīng)調(diào)查訪問(wèn)、鉆探,在西河樞紐巷道采空區(qū)、中寨大橋及北梁大橋下存在巷道式采空,采用極限平衡法計(jì)算,按松散巖體計(jì)算。
松散巖體計(jì)算公式:
式中:B為采空區(qū)巷道寬度,m;p0為公路路基基底壓力,包括行車荷載及路基、路面荷載,kPa;γ為上覆巖層加權(quán)平均重度,kN/m2;φ為上覆巖層加權(quán)平均內(nèi)摩擦角,(°)。
對(duì)比采空區(qū)的實(shí)際埋藏深度及臨界深度,按式(2)可求得采空區(qū)頂板的穩(wěn)定系數(shù)Fs,按照采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則評(píng)價(jià)小窯采空區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性。
式中:H為巷道頂板的實(shí)際深度,m;Hcr為巷道頂板的臨界深度,m。
2.1.1 西河煤業(yè)下方巷道
該區(qū)微地貌為黃土陡坡和沖溝,巷道位于地表下埋深125~180 m,上覆巖土層平均厚度24 m,基巖平均厚度126 m。
根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料,松散土層的重度取值18.6 kN/m3,巖石重度取 27.5 kN/m3,φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 γ=(18.6×24+27.5×136)/160=26.2 kN/m3,p0=50 kN/m2。巷道底板標(biāo)高均為620 m,巷道高度均為4.3 m,其中巷道寬度均為7 m。
代入式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算,可得 Hcr=38.27 m,巷道頂板位于路線設(shè)計(jì)標(biāo)高下120~160 m,穩(wěn)定系數(shù)Fs=3.1~4.2,根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),巷道對(duì)高速公路的穩(wěn)定性無(wú)影響。
表2 單一巷道式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
2.1.2 中寨大橋
該區(qū)微地貌為黃土陡坡和沖溝,巷道位于地表下埋深130~153 m,采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下135~153 m,上覆土層平均厚度24 m,基巖平均厚度111 m。
根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料,松散土層的重度取值18.6 kN/m3,巖石重度取 27.5 kN/m3,φ 取 30°。上覆巖土層平均重度 =(18.6×24+27.5×111)/135=29.52 kN/m3,p0=150 kN/m2。 巷 道 底 板 標(biāo) 高 均 為620 m,巷道高度均為3 m,其中巷道寬度均為5 m。
代入式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算,可得 Hcr=30.9 m,巷道頂板位于路線設(shè)計(jì)標(biāo)高下100~153 m,穩(wěn)定系數(shù)Fs=3.2~4.9,根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),巷道對(duì)高速公路的穩(wěn)定性無(wú)影響。
2.1.3 小窯采空區(qū)
該采空區(qū)上方公路設(shè)施類型為大橋,上覆巖土層平均重度 γ=(18.6×5+27.5×15)/20=25.28 kN/m3,p0=150 kN/m2,路線下巷道拐角處寬度為3 m,代入式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算,可得Hcr=20.2 m,地面與巷道頂間距平均H=20 m,穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.98,根據(jù)表2穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),此巷道不穩(wěn)定,對(duì)樁基礎(chǔ)的橋梁有較大影響。
西河煤業(yè)和演禮煤業(yè)均為房柱式開(kāi)采,采用采深采厚比的參數(shù)對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
表3 不規(guī)則柱式采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
西河煤礦采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下46~180 m,采厚4.3 m,設(shè)計(jì)標(biāo)高下采深采厚比11~42,上部為中硬覆巖,因此不穩(wěn)定。演禮煤礦采空區(qū)位于地表下埋深 81~161 m,采空區(qū)位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下 46~102 m,采厚4.3 m,設(shè)計(jì)標(biāo)高下采深采厚比11~24,上部為中硬覆巖,因此為不穩(wěn)定。
本文在充分掌握采空區(qū)路段地質(zhì)條件、開(kāi)采方式、采深、采厚、回采率等參數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)陽(yáng)城至蟒河高速公路巷道式開(kāi)采和房柱式開(kāi)采兩種類型的采空區(qū)分別進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。巷道式開(kāi)采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行評(píng)價(jià),房柱式開(kāi)采非充分采動(dòng)條件下采空區(qū)的穩(wěn)定性采用采深采厚比進(jìn)行評(píng)價(jià)。
西河煤業(yè)和中寨大橋下方巷道式采空區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài),小煤窯巷道式采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài),會(huì)對(duì)上方擬建的樁基礎(chǔ)橋梁產(chǎn)生影響。西河煤業(yè)和演禮煤業(yè)房柱式采空區(qū)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。