郭軻軼

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

公路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通系統(tǒng)的重要組成部分，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位和作用[1]。但當(dāng)公路從礦區(qū)煤田上方通過(guò)時(shí)，不僅會(huì)壓占大量的煤炭資源，而且也給公路的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，特別是高等級(jí)公路，路面結(jié)構(gòu)特殊，行車速度快，對(duì)地表變形敏感。地下開(kāi)采將對(duì)公路造成一定的影響，使路基沉降、路面開(kāi)裂或者擠壓變形，形成陷坑、突起、波浪、路面位移及坡度改變等病害，影響公路的正常安全使用。

河南省安陽(yáng)市殷都區(qū)交通運(yùn)輸局?jǐn)M建設(shè)省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路工程項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目將壓覆安陽(yáng)大眾煤業(yè)有限責(zé)任公司南部區(qū)二1煤層。S303安姚路沿線經(jīng)過(guò)大眾煤礦部分已采二1煤層和未采區(qū)域，S301未經(jīng)過(guò)大眾煤礦井田區(qū)域，但距離大眾煤礦井田邊界約230 m，今后也會(huì)受到大眾煤業(yè)煤層開(kāi)采影響。

目前，我國(guó)關(guān)于公路下淺部煤層的開(kāi)采及普通公路的保護(hù)技術(shù)已經(jīng)有了一定方法和技術(shù)手段，也有一些針對(duì)高速公路下采煤的研究[2-3]，常見(jiàn)的技術(shù)手段有煤層采用條帶開(kāi)采、留下小的保護(hù)煤柱同時(shí)加強(qiáng)公路的監(jiān)測(cè)及維修等方法，這些方法和技術(shù)手段都是基于煤層開(kāi)采時(shí)井下采取的技術(shù)措施，而對(duì)于在不影響煤礦煤層開(kāi)采情況下，新建高等級(jí)公路會(huì)受到多大的采動(dòng)影響，同時(shí)對(duì)高等級(jí)公路的保護(hù)技術(shù)措施的研究并不多見(jiàn)，這仍然是需要解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

省道S301線木廠屯至積善段改建工程采用雙向兩車道二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度16.5 m，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。全線路面采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)形式。橋涵荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。S303安姚路項(xiàng)目建設(shè)里程35.351 km，采用雙向六車道一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度33 m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。橋涵荷載等級(jí)為公路-I級(jí),設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。

二1煤埋深250.0～892.0 m，為該礦區(qū)主要可采煤，平均厚4.29 m。開(kāi)采情況如圖1所示。二1煤上覆地層主要為泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖等，其中第四系+新近系厚度為13.75 m，整個(gè)覆巖巖性屬中硬。省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路位置以南為F1銅冶斷層，該斷層處于大眾煤礦井田最北部邊界處，落差100～130 m，傾角70°。其出露位置距離省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)新建公路造成影響。此外，省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路附近及下方還有些小斷層發(fā)育，會(huì)對(duì)新建公路造成一定的不利影響。

圖1 S303安姚路經(jīng)過(guò)大眾煤礦區(qū)域采掘工程平面圖

大眾煤礦井田與省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路位置關(guān)系如圖2～圖3所示。

圖2 省道S301線木廠屯至積善段改建工程與大眾煤礦井田邊界位置圖

圖3 S303安姚路與大眾煤礦井田邊界位置圖

2 地表沉陷變形預(yù)計(jì)

根據(jù)資料可知，目前大眾煤礦僅在井田中西部地區(qū)進(jìn)行了部分開(kāi)采，整個(gè)井田包括項(xiàng)目區(qū)下方及附近還有大量資源尚未開(kāi)采，隨著這些待采煤層開(kāi)采范圍的逐步擴(kuò)大，必將對(duì)省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路公路造成一定的破壞性影響。因此，在進(jìn)行老采空區(qū)的地表殘余沉陷變形預(yù)計(jì)的同時(shí)，也要計(jì)算今后煤層開(kāi)采的影響。

地表沉陷變形計(jì)算方法采用我國(guó)常用的概率積分法[4]。根據(jù)安陽(yáng)礦區(qū)及類似條件下礦井巖移參數(shù)，同時(shí)結(jié)合該場(chǎng)地的地質(zhì)采礦條件，選取的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 選取的計(jì)算參數(shù)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，求得了省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路公路的地表移動(dòng)變形值，如表2～表3所示。

表2 省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路線路最大移動(dòng)變形值

表3 S303安姚路線路最大移動(dòng)變形值

為保證新建公路的安全正常運(yùn)行，省道S301線木廠屯至積善段改建工程公路受影響路段中K13+405～K13+946段，最大下沉70 mm，最大傾斜變形-1.0 mm/m，最大水平變形1.5 mm/m，建議按Ⅱ級(jí)損害影響考慮；K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段，最大下沉50 mm，最大傾斜變形-0.5 mm/m，最大水平變形0.8 mm/m，可按Ⅰ級(jí)損害影響考慮。S303安姚路受影響路段中K15+650～K16+570段，最大下沉2 620 mm，最大傾斜變形-6.8 mm/m，最大水平變形-4.8 mm/m，建議按Ⅲ級(jí)損害影響考慮；K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段，最大下沉400 mm，最大傾斜變形0.5 mm/m，最大水平變形0.6 mm/m，可按Ⅰ級(jí)損害影響考慮。

3 地基穩(wěn)定性分析

由于新建公路的荷載向地下有一定影響深度，當(dāng)這個(gè)深度與地下采空區(qū)的垮落裂縫帶相交疊時(shí)，就會(huì)破壞垮落裂縫帶業(yè)已平衡的狀態(tài)，而使覆巖重新發(fā)生較大的移動(dòng)變形[5]。

3.1 覆巖破壞高度

根據(jù)開(kāi)采煤層的角度、煤層厚度、煤層的傾角、開(kāi)采尺寸、開(kāi)采方法及上覆巖層的巖性等，確定垮落裂縫帶的發(fā)育高度，同時(shí)根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，該項(xiàng)目覆巖巖性為中硬偏硬，選取計(jì)算公式如下[6]：

(1)

式中，∑M為煤層的累計(jì)采厚，m。

項(xiàng)目區(qū)附近地下主要開(kāi)采煤層為二1煤，最小采深311 m，煤層開(kāi)采厚度2～4 m，按4 m。經(jīng)計(jì)算，二1煤垮落斷裂帶的最大發(fā)育高度位于二1煤煤層頂板之上67.7 m。所以，其垮落斷裂帶的頂界面距地表的垂直距離為243.3 m。

3.2 路基及車輛的荷載影響深度

路基屬于靜態(tài)荷載，車輛則屬于動(dòng)態(tài)荷載，荷載影響深度分別計(jì)算?？紤]省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路目前全線路基主要以填方為主，路基平均填土量不大，其荷載影響深度有限，一般不超過(guò)3 m。

公路上的車輛荷載是一種長(zhǎng)期循環(huán)荷載，在其他條件相同的情況下，動(dòng)態(tài)荷載對(duì)基礎(chǔ)變形的影響要大于靜態(tài)荷載對(duì)基礎(chǔ)變形的影響。目前，公路上的很多重型車輛是處于超載狀態(tài)，因此，在公路設(shè)計(jì)時(shí)，車輛荷載(特別是超載車輛荷載)也是影響路基穩(wěn)定性的重要因素。

研究表明，車輛動(dòng)態(tài)荷載的影響深度隨路基高度的降低線性增大，隨車輛荷載的增大呈拋物線關(guān)系增大。對(duì)于輪距1.4 m，重30 t的貨車，車輛荷載影響深度約為6～8 m，在超載(3倍超載)情況下，車輛荷載影響深度約為6～14 m。

3.3 地基穩(wěn)定性

煤層開(kāi)采后，當(dāng)最小采深(H臨)大于垮落斷裂帶高度(H裂)與建筑荷載影響深度(H影)兩者之和時(shí)，采空區(qū)垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)，即：

H臨>H裂+H影

(2)

根據(jù)前面計(jì)算，該項(xiàng)目區(qū)下方二1煤H裂為67.7 m，新建公路的荷載影響深度(H影)為17 m，兩者之和為84.7 m，而正下方二1煤最小采深為311 m，因此省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路的荷載不會(huì)使采空區(qū)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

4 新建公路的可行性分析

公路屬于延伸長(zhǎng)度大的線性構(gòu)筑物，同時(shí)一般設(shè)有橋梁、高架橋等附屬構(gòu)筑物，車輛的運(yùn)行速度高、密度大、運(yùn)量大，對(duì)開(kāi)采沉陷損害極為敏感。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)附近的地質(zhì)采礦條件及公路所受的沉陷影響的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各種因素綜合考慮，對(duì)采動(dòng)影響路段建筑可行性分析如下：

(1)省道S301線木廠屯至積善段改建工程受影響路段中K13+405～K13+946段將受到Ⅱ級(jí)開(kāi)采損害影響，K12+957～K13+405、K13+946～K14+827路段將受到Ⅰ級(jí)開(kāi)采損害影響。S303安姚路受影響路段中K15+650～K16+570段將受到Ⅱ～Ⅲ級(jí)開(kāi)采損害影響，K15+220～K15+650、K16+570～K18+80路段將受到Ⅰ級(jí)開(kāi)采損害影響。開(kāi)采沉陷變形將導(dǎo)致線路路基承載能力出現(xiàn)不同程度的下降，對(duì)公路的正常運(yùn)行有一定影響。其它路段不受大眾煤礦煤層采動(dòng)影響，可進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)和施工。

(2)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路縱向(南北方向)最大傾斜變形為-1.0 mm/m,對(duì)公路路面行駛車輛造成重心偏移的影響很小。S303安姚路線路縱向(南北方向)最大傾斜變形為5.0 mm/m，設(shè)計(jì)路基寬度33 m，其中路段K15+627～K15+900段最大傾斜變形超過(guò)3 mm/m，該路段路基建設(shè)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮傾斜變形影響，按不利情況考慮，采動(dòng)影響后，路面最大縱向坡度向南方向增加約為0.3%，但路面、路基的縱向傾斜容易使車輛重心發(fā)生偏移，建議在線路彎道位置限制車輛行駛速度。

(3)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路橫向(東西方向)最大傾斜變形為0.3 mm/m，對(duì)公路路面爬坡的影響很小，不會(huì)造成路面坡度因采動(dòng)影響發(fā)生較大變化。S303安姚路線路橫向(東西方向)最大傾斜變形為-6.8 mm/m，其中路段K15+576～K15+977、K16+124～K16+544段最大傾斜變形超過(guò)3 mm/m，其中K15+576～K15+977路段地勢(shì)西高東低，計(jì)算爬行坡度約為2.6%，受采煤影響的傾斜變形會(huì)降低爬行坡度；K16+124～K16+544路段地勢(shì)東高西低，計(jì)算爬行坡度約為1.4%，按不利情況考慮，采動(dòng)影響后，路面最大坡度約為1.7%，一般不會(huì)出現(xiàn)車輛行駛困難。

(4)省道S301線木廠屯至積善段改建工程線路橫向(東西方向)最大水平變形為0.3 mm/m，縱向(南北方向)最大水平變形為1.5 mm/m。水平變形容易引起公路路基、路面起鼓、開(kāi)裂破壞；煤層的開(kāi)采沉陷變形還將引起公路的水平變形，S303安姚路橫向(東西方向)最大水平變形為-4.8 mm/m，縱向(南北方向)最大水平變形為2.5 mm/m。建議路面鋪設(shè)時(shí)設(shè)置鋼筋骨架和變形縫，以增強(qiáng)路面的抗變形能力。

(5)S303安姚路K15+666.800處計(jì)劃建設(shè)李辛莊中橋，最大下沉約為800 mm，地表沉陷變形對(duì)其構(gòu)成一定的影響，可在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)采用抗變形設(shè)計(jì)的同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)橋梁的監(jiān)測(cè)，確保橋梁的安全。同時(shí)，省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路設(shè)計(jì)了許多涵洞，處在受采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)的涵洞在設(shè)計(jì)時(shí)建議采取一定的抗變形措施。

通過(guò)以上分析可知，省道S301線木廠屯至積善段改建工程、S303安姚路項(xiàng)目是可行的，該項(xiàng)目的建設(shè)不會(huì)對(duì)大眾煤礦的開(kāi)采造成影響，但由于煤礦開(kāi)采沉陷變形的影響，需對(duì)公路采取相應(yīng)的路基加固和路面、橋梁及涵洞的抗變形技術(shù)措施，并加強(qiáng)對(duì)新建公路的觀測(cè)工作，以確保新建公路的正常安全通行。

采煤塌陷區(qū)的移動(dòng)變形量是在今后若干年內(nèi)逐步發(fā)生的，并非在短期內(nèi)全部作用于公路及其附屬構(gòu)筑物上，實(shí)際的變形是緩慢發(fā)生的，可以通過(guò)維修調(diào)整對(duì)沉陷變形進(jìn)行吸收處理。

5 公路的抗變形技術(shù)措施

公路建設(shè)中經(jīng)常遇到線路穿越采空區(qū)現(xiàn)象，采空區(qū)殘余沉陷變形必然對(duì)公路的安全行車帶來(lái)一定影響，保證公路路基具有足夠的承載能力、路面結(jié)構(gòu)完好、路面變形處于允許范圍內(nèi)，是公路安全、正常運(yùn)行的重要保證。

(1)在路基回填前，檢查是否有因采動(dòng)引起的地表裂縫并進(jìn)行回填處理，并采用震動(dòng)碾壓機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，以確保地表具有足夠的承載力和穩(wěn)定性。

(2)做好地面的清表回填，挖除老路面，做好新老路搭接，對(duì)加寬路基基底范圍內(nèi)的雜草樹(shù)木、淤泥和回填土進(jìn)行清理，將坑穴填平夯實(shí)，當(dāng)基底含水量較高時(shí)，應(yīng)采取翻挖、晾曬或摻灰處理，或者換填一定厚度的砂礫層。對(duì)于高路堤區(qū)段，應(yīng)驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定性，并適當(dāng)降低邊坡坡度，設(shè)置坡腳片石護(hù)坡。對(duì)于路塹區(qū)段，應(yīng)驗(yàn)算路塹邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性不足處，應(yīng)采用相應(yīng)的加固措施或降低邊坡坡度的方法，增加其穩(wěn)定性。

(3)加強(qiáng)下伏采空區(qū)及斷裂構(gòu)造的探測(cè)與治理，必要時(shí)可采用明挖回填、注漿加固等措施，強(qiáng)化采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)，提升地基的抗變形能力[7]；也可采用堆載預(yù)壓法、高能強(qiáng)夯法和水誘導(dǎo)沉降法等釋放老采空區(qū)的沉降潛力，加速老采空區(qū)活化和覆巖沉降過(guò)程，消除對(duì)地表有安全隱患的地下空洞，在沉陷基本穩(wěn)定后再開(kāi)發(fā)利用地表土地。

(4)在開(kāi)采沉陷區(qū)范圍的公路路面、路基工程建設(shè)中，采用與基礎(chǔ)(地表)相適應(yīng)的抗變形結(jié)構(gòu)。一方面在路基與基礎(chǔ)間設(shè)置滑動(dòng)層減小路基與基礎(chǔ)間的摩擦力，其做法是在滑動(dòng)層下部基礎(chǔ)頂層應(yīng)用混凝土找平，鋪設(shè)兩層油氈，也可在中間夾石墨粉或云母片；另一方面是改變路基、路面的結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)，如路面底基層采用連續(xù)配筋混凝土板對(duì)采空區(qū)路基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，鋪設(shè)土工織物加固公路地基和路堤，選擇輕質(zhì)材料(如粉煤灰)做路基填料，選用抗變形能力強(qiáng)的路面材料等。

(5)對(duì)于采空區(qū)地表的水平變形集中區(qū)，路面可采用改性瀝青技術(shù)，在水平變形超過(guò)改性瀝青混合料的允許值范圍時(shí)，可采用設(shè)置變形縫的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，水泥混凝土路面設(shè)與地表變形方向一致的鋼筋骨架，以增強(qiáng)抗變形能力，并根據(jù)地表殘余變形的大小確定變形縫的路面板塊尺寸[8]。對(duì)于傾斜變形集中區(qū)，影響公路正常運(yùn)行的主要是橫向傾斜尤其是彎道位置的橫向傾斜，為保證車輛穩(wěn)定、安全運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)行車速度、車輛傾斜度、確定車輛重心的偏心距、向心力與離心力的平衡條件，評(píng)價(jià)影響程度。

(6)地表沉陷變形會(huì)引起公路坡度、形態(tài)(包括圓曲線和豎曲線)發(fā)生一定變化，在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)其地表殘余變形情況有針對(duì)性地加寬、加高路基，改善急彎、陡坡和視距。

(7)橋涵采用鋼筋混凝土框架箱涵，并根據(jù)地表殘余變形和路基回填的高度和寬度，增加涵洞的長(zhǎng)度；增加箱涵的壁厚、配筋和混凝土標(biāo)號(hào)；采用高強(qiáng)度蓋板或增加支撐，提高其承載力；定期疏通排水通道，保持正常使用功能。

(8)為滿足橋面變形的要求，通常在兩梁端之間、梁端與橋臺(tái)之間或橋梁的鉸接位置上設(shè)置伸縮縫，要求伸縮縫在平行、垂直于橋梁軸線的兩個(gè)方向，均能自由伸縮，牢固可靠，車輛行駛過(guò)時(shí)應(yīng)平順、無(wú)突跳與噪聲，盡量選擇整體性好、抗彎抗壓強(qiáng)度高、調(diào)節(jié)范圍大的伸縮縫型號(hào)[9-10]。伸縮量除了考慮橋梁本身的需要，還要考慮地表變形的影響。根據(jù)地表殘余變形值的大小，相應(yīng)增大橋跨部分結(jié)構(gòu)剛度，除應(yīng)滿足當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度要求外，斷面大小及配筋量均應(yīng)按給出的地表殘余變形值大小計(jì)算確定。支座部分選擇可調(diào)節(jié)范圍大的支座形式。

(9)加強(qiáng)路基路面的巡視和監(jiān)測(cè)，及時(shí)清理路基排水溝渠，保證公路養(yǎng)護(hù)工作及時(shí)到位，確保線路滿足公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合大眾煤礦區(qū)域地質(zhì)采礦條件，針對(duì)大眾煤礦煤層開(kāi)采的情況，在不影響大眾煤礦煤層正常開(kāi)采的前提下對(duì)在其井田范圍內(nèi)建設(shè)高等級(jí)公路進(jìn)行了地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，分析了新建高等級(jí)公路的可行性，同時(shí)，結(jié)合地表沉陷變形計(jì)算提出了公路的抗變形技術(shù)措施。通過(guò)分析研究可知，在不影響煤礦煤層開(kāi)采的條件下，新建高等級(jí)公路是可行的，建議加強(qiáng)對(duì)新建公路的觀測(cè)工作，以確保其正常安全通行。