高安琪，王金安，李 飛，謝 江

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2.山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030002)

遼寧撫順西露天礦已有百年的開(kāi)采歷史。隨著礦區(qū)地面建筑密度增大，開(kāi)采影響區(qū)城市建筑物的穩(wěn)定和安全問(wèn)題越發(fā)突出。目前，關(guān)于地表沉陷影響下建筑物損害形式的研究很多，但大多數(shù)研究集中在地下開(kāi)采引起的地表沉陷影響。如研究礦區(qū)不同位置下建筑物的損害規(guī)律[1]、殘余變形對(duì)建筑物地基的影響[2-3]、不同開(kāi)采速度下的地表變形特征[4-7]、地下開(kāi)采引起的復(fù)合地表變形對(duì)建筑物的影響[8-9]。對(duì)于邊坡移動(dòng)導(dǎo)致地表沉陷的研究目前還僅限于實(shí)地測(cè)量和調(diào)查為主。

撫順市因采煤所造成的諸多房屋損害問(wèn)題，早已引起國(guó)家的高度重視，但多年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者圍繞撫順西露天礦進(jìn)行的研究主要集中于礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害勘探，如研究得到礦區(qū)北幫傾倒-滑移、沉陷-滑移變形機(jī)理，并提出一系列邊坡治理方法[10-14];通過(guò)弱層流變實(shí)驗(yàn)，得到北幫蠕動(dòng)變形規(guī)律以及巖石剪切強(qiáng)度隨時(shí)間變化函數(shù)[15];通過(guò)研究礦區(qū)南幫邊坡巖體節(jié)理發(fā)育情況，得到南幫邊坡穩(wěn)定性因素，提出回填壓腳的治理方案[16-18]。對(duì)于坡頂變形與建筑物損害之間的關(guān)系、建筑物抗變形加固以及礦坑周邊城區(qū)安全尚待進(jìn)一步研究。

盡管西露天礦已實(shí)施閉坑，但露天礦邊坡對(duì)周?chē)菂^(qū)建筑影響仍未完全消除。筆者結(jié)合西露天礦邊坡坡頂變形規(guī)律、城區(qū)地質(zhì)特征以及建筑損害現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析西露天礦對(duì)周邊城區(qū)建筑物造成的影響，提出有針對(duì)性的加固措施與建議。

1 工程背景

遼寧撫順西露天礦位于望花區(qū)、新?lián)釁^(qū)、東洲區(qū)3區(qū)交界處，是人口、建筑密度最大的3個(gè)區(qū)。由于撫順市因礦而建，早年城市規(guī)劃不盡合理，礦區(qū)周邊新舊建筑物皆存在，分布如圖1所示。礦區(qū)周邊坐落著重要的公共設(shè)施、工業(yè)園區(qū)以及大量居民樓。礦區(qū)周邊城區(qū)建筑物對(duì)礦區(qū)開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害較為敏感，且災(zāi)害影響范圍較廣、時(shí)間較長(zhǎng)、后果較為嚴(yán)重。

撫順西露天礦地質(zhì)復(fù)雜，局部地區(qū)呈倒轉(zhuǎn)向斜結(jié)構(gòu)，巖石整體性較差。此外，南北幫斷層較多，巖層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響節(jié)理十分發(fā)育，且多年地下開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)周邊導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)一步發(fā)育，邊坡水文地質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)生范圍較大的地表變形[19]。通過(guò)對(duì)北幫興平路W200～E3600地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可知北幫地表變形主要發(fā)生于雨季，且E1200～E1400，E1800～E2400以豎直變形為主，其余部分以水平變形為主(圖2)。

圖2 北幫地表監(jiān)測(cè)Fig.2 Surface monitoring in North side

南幫地表變形主要集中于W1000～E2300順層滑坡處，主要發(fā)生于2013—2014年，且以水平變形為主。由于南幫2013年發(fā)生特大型滑坡，地表變形值相比北幫較大，滑坡段邊坡最大變形量累計(jì)達(dá)到數(shù)十米，如圖3所示。

圖3 南幫地表監(jiān)測(cè)Fig.3 Surface monitoring in South side

自2017年起，西露天礦停止露井聯(lián)合開(kāi)采，現(xiàn)已完全停采。因此，礦區(qū)周邊范圍內(nèi)坡頂城區(qū)地表監(jiān)測(cè)的變形增量相對(duì)較小并趨于穩(wěn)定。但由于礦區(qū)周邊水源眾多，巖層中的砂巖及軟弱夾層，在地下水的影響下遇水軟化，形成地層蠕變。且礦區(qū)周邊城區(qū)地表受到斷層活化的影響，地裂縫還在活躍。這些地表變形隨著時(shí)間的累計(jì)，仍對(duì)現(xiàn)有建筑物產(chǎn)生影響，造成基礎(chǔ)及墻體損害。

特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致西露天礦區(qū)周邊城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害叢生，如西露天礦以西1.5 km2塌陷區(qū)、石油一廠—中聯(lián)能源加氣站地裂縫帶、中聯(lián)能源加氣站-沈撫城際客運(yùn)站地裂縫、千臺(tái)山南側(cè)地裂縫等，這些災(zāi)害造成了礦區(qū)周邊建筑物的損害[20]。其中，最為典型的是石油一廠—中聯(lián)能源加氣站地裂縫帶，地裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致周邊石油一廠廠房墻體開(kāi)裂、傾斜、錯(cuò)動(dòng)，地面起鼓，工廠被迫搬遷，直接損失約3 000萬(wàn)元。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合三下采煤規(guī)程得出建筑物損害評(píng)定表[21-22]，見(jiàn)表1。

表1 建筑物損害評(píng)定Table 1 Damage assessment of buildings

可見(jiàn)，礦城協(xié)調(diào)建設(shè)與規(guī)劃已成為撫順市安全和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略考量，這也向礦區(qū)周邊建筑物布局、建設(shè)和加固提出了迫切需求。

2 北幫地表變形與建筑物損害關(guān)系

西露天礦北幫城區(qū)建筑物大致分為工業(yè)區(qū)與居民區(qū)。由于建筑物密度大，對(duì)采動(dòng)影響較為敏感。礦山開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，使得建筑物出現(xiàn)墻體開(kāi)裂、錯(cuò)動(dòng)、外鼓、磚柱傾斜、地基脫離等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響周邊居民生活[23-24]。

2.1 距礦坑邊界0～100 m建筑損害機(jī)制

距礦坑邊界0～100 m內(nèi)常出現(xiàn)滑坡，影響區(qū)內(nèi)建筑物多為20世紀(jì)60—70年代磚混結(jié)構(gòu)平房，建筑物構(gòu)件在受到滑坡影響后已不滿(mǎn)足安全性鑒定要求，如墻體沿受力方向產(chǎn)生超過(guò)層高1/2，出現(xiàn)寬度約50 mm的豎向裂縫、磚柱受地表不均勻沉降發(fā)生10°左右傾斜、基礎(chǔ)與地表脫離約30 mm、墻體出現(xiàn)撓曲鼓出約30 mm等現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 北幫0～100 m地質(zhì)災(zāi)害及城區(qū)建筑物損害情況Fig.4 Damage of buildings and geological disaster within 0-100 m from north side to mining area

為揭示北幫地表變形機(jī)制，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)北幫E1800剖面進(jìn)行開(kāi)挖分析[25]，模型及位移矢量圖如圖5所示。由圖5可知，露天開(kāi)采后，北幫邊坡坡頂產(chǎn)生指向坑內(nèi)位移。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于露天開(kāi)采后，采場(chǎng)四周邊坡出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)。由于邊坡巖體存在泥化夾層及大量節(jié)理，巖層整體性不高。因此，在卸荷變形過(guò)程中，節(jié)理數(shù)量的增多，導(dǎo)致北幫邊坡產(chǎn)生位移。隨著地表水平變形區(qū)域擴(kuò)大，建筑物基礎(chǔ)下沉，甚至出現(xiàn)剪切破壞等現(xiàn)象，從而影響上部結(jié)構(gòu)的安全性、使用性與美觀性，如圖6所示。

2.2 距礦坑邊界100～500 m內(nèi)建筑損害機(jī)制

距礦坑邊界100～500 m內(nèi)存在地表沉陷現(xiàn)象，影響區(qū)內(nèi)建筑物主要為多層磚混結(jié)構(gòu)，礦區(qū)西部建筑修建年代主要為20世紀(jì)60—70年代，礦區(qū)東部建筑物修建年代主要為20世紀(jì)80—90年代。建筑物底部墻體產(chǎn)生50 mm左右水平錯(cuò)動(dòng)，且部分建筑物墻體開(kāi)裂，開(kāi)裂寬度為1～500 mm，開(kāi)裂形式主要有豎直裂縫、水平裂縫、“丁”字裂縫、網(wǎng)狀裂縫等，開(kāi)裂位置主要為外墻體、門(mén)窗角處、窗間墻、女兒墻等，如圖7所示。

同樣以E1800剖面為例，揭示北幫100～500 m范圍內(nèi)地表變形規(guī)律，北幫地表豎直位移云圖及最大豎直位移區(qū)矢量圖如圖8所示。由圖8可以看出隨著地表變形向北發(fā)展，北幫F1，F(xiàn)1A之間的“三角楔形體”由于底部的應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力釋放向南傾倒，且豎直位移主要集中于這一部分。

圖5 距北幫0～100 m數(shù)值模擬模型及位移矢量Fig.5 Numerical model and displacement vectors within 0-100 m from north-side slope

圖6 距北幫0～100 m城區(qū)建筑物損害機(jī)制Fig.6 Damage mechanism of buildings within 0-100 m from north-side slope

圖7 距北幫100～500 m地質(zhì)災(zāi)害及城區(qū)建筑物損害情況Fig.7 Damage of Buildings and Geological disaster within 100-500 m from north-side slope

圖8 距北幫100～500 m地表變形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical simulation results of surface deformation within 100-500 m from north-side slope

據(jù)文獻(xiàn)[26]可知，坡頂變形受采空區(qū)下沉以及邊坡傾斜因素共同影響，最初位移與邊坡傾斜方向一致，隨著時(shí)間的推移，變形逐漸由坑內(nèi)轉(zhuǎn)向城區(qū)地表[27]。北幫F1斷層距礦坑邊界0～300 m、F1A斷層距礦坑邊界0～700 m，當(dāng)兩斷層間“三角楔形體”南傾后，F(xiàn)1A斷層受拉產(chǎn)生裂隙?？辜袅Σ畹牡谒募o(jì)土與白堊紀(jì)砂巖受重力以及滲流的作用向下填充至深部孔隙內(nèi)，從而產(chǎn)生地表沉陷區(qū)，位于外邊緣區(qū)建筑物底部墻體受拉產(chǎn)生水平變形[28]，如圖9所示。

圖9 距北幫100～500 m城區(qū)建筑物損害機(jī)制Fig.9 Damage Mechanism of Buildings within 100-500 m from north-side slope

2.3 距礦坑邊界500～700 m內(nèi)建筑損害機(jī)制

距礦坑邊界500～700 m存在兩條地裂縫，影響區(qū)內(nèi)建筑物主要為20世紀(jì)80—90年代多層磚混結(jié)構(gòu)。由于地表向南移動(dòng)，斷層處地表變形變化率過(guò)大，使得地表受拉破壞，產(chǎn)生地裂縫，而位于地裂縫周?chē)慕ㄖ飰w受剪破壞。

以E1800剖面為例的數(shù)值模擬中也表示，隨著F1，F(xiàn)1A間的“三角楔形體”向南傾倒，F(xiàn)1A以北各斷層附近地表水平位移增大，易產(chǎn)生地裂縫，如圖10所示。

Ⅰ號(hào)地裂縫位于礦區(qū)北部W1100～E1300內(nèi)撫順石油一廠周邊工業(yè)區(qū)，西起石油一廠西側(cè)，東至中聯(lián)能源加氣站，橫穿石油一廠及發(fā)電廠，長(zhǎng)度約為2.5 km，如圖11所示。受Ⅰ號(hào)地裂縫影響，石油一廠墻體出現(xiàn)上下貫通裂縫，裂縫寬度均大于30 mm，廠區(qū)地面不均勻沉降嚴(yán)重，沉降最大值約為200 mm。廠房大多為磚混結(jié)構(gòu)，由于墻體開(kāi)裂嚴(yán)重，廠房頂部采用外包型鋼加固，如圖12所示。

圖10 距北幫500～700邊坡與地表變形數(shù)值模擬結(jié)果Fig.10 Numerical simulation results within 500-700 m from north-side slope

圖11 Ⅰ號(hào)地裂縫位置Fig.11 Position of ground fissure No.1

圖12 Ⅰ號(hào)地裂縫影響區(qū)建筑物損害情況Fig.12 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.1

Ⅱ號(hào)地裂縫位于E1400～E2400范圍內(nèi)居民區(qū)，西起中聯(lián)能源加氣站東側(cè)，東至沈撫城際客運(yùn)站，橫穿西四路至西七路內(nèi)居民區(qū)，長(zhǎng)約為1 km，如圖13所示。地裂縫導(dǎo)致其上建筑物墻體開(kāi)裂、陽(yáng)臺(tái)損害。其中，最為典型的是西四街8號(hào)、沈陽(yáng)凱萊國(guó)際雙語(yǔ)幼教園南側(cè)房屋、西三街11號(hào)、解放路13號(hào)以及西七路9號(hào)，這5棟住宅樓均處于Ⅱ號(hào)地裂縫上，且建筑物長(zhǎng)軸方向均垂直于地裂縫走向。由于地裂縫南部地區(qū)沉降較北部地區(qū)大，導(dǎo)致裂縫上建筑物墻體受剪破壞[29]，出現(xiàn)4 mm左右、方向?yàn)樽员毕蚰涎由臁⒈备吣系偷男绷芽p，且部分房屋沉降縫被破壞，如圖14所示。

圖13 Ⅱ號(hào)地裂縫位置Fig.13 Position of ground fissure No.2

3 南幫地表變形與建筑物損害關(guān)系

西露天礦南幫地質(zhì)災(zāi)害主要為地裂縫，影響區(qū)內(nèi)建筑物主要為20世紀(jì)60—70年代低層磚混結(jié)構(gòu)。Ⅲ號(hào)地裂縫位于千臺(tái)山南側(cè)W700～E2300內(nèi)，西起煉油廠，東至F5斷層，長(zhǎng)約3.1 km，最大寬度為40 m，最大落差為18 m，如圖15所示。受地裂縫的影響建筑物墻體超出其極限承載能力，產(chǎn)生2～10 mm“人”字型裂縫，甚至出現(xiàn)10 mm左右墻體水平錯(cuò)動(dòng)，如圖16所示。

圖16 Ⅲ號(hào)地裂縫影響區(qū)建筑物損害情況Fig.16 Damage of buildings in the area affected by ground fissure No.3

為揭示南幫地表變形機(jī)制，采用CDEM數(shù)值模擬軟件對(duì)南幫E400剖面進(jìn)行模擬[30]，如圖17所示。結(jié)果表明，順層滑坡發(fā)生于邊坡的中上部，巖體隨著滑移面的貫通開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，并在邊坡的后緣產(chǎn)生一系列張拉地裂縫。

發(fā)生此現(xiàn)象的原因主要為南幫順傾巖層受小型斷層切割，巖石整體性下降。且由于礦區(qū)采場(chǎng)地勢(shì)較低，巖層多年受楊柏、劉山舊河道及周邊城區(qū)污水的定水位補(bǔ)給，導(dǎo)致沖積層內(nèi)水量豐富。水源通過(guò)巖石孔隙、巖層間接觸面以及斷層裂隙帶向礦坑滲流，導(dǎo)致巖層軟化，強(qiáng)度降低，使得邊坡產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。在雨水沖刷的影響下，南幫順層巖層發(fā)生滑坡，從而產(chǎn)生Ⅲ號(hào)地裂縫。

4 撫順城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)位特征

根據(jù)以上分析得出撫順城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響分區(qū),如圖18所示。邊坡卸荷影響區(qū)主要為礦坑北部0～100 m，地表沉陷影響區(qū)主要為礦坑北部100～500 m，地裂縫影響區(qū)主要為礦坑北部500～700 m以及南部0～600 m。

圖17 南幫邊坡?lián)p害機(jī)制模擬分析Fig.17 Simulation analysis of the damage mechanism of the southern slope

匯總建筑物區(qū)位特征見(jiàn)表2，由表2可以看出建筑物損害嚴(yán)重區(qū)主要集中于北幫0～100 m以及南幫0～200 m，該范圍內(nèi)工業(yè)廠房較多，建筑物損害主要為墻體開(kāi)裂、錯(cuò)動(dòng)、外鼓以及地基脫離等。其余區(qū)域內(nèi)建筑物損害較輕，且損害主要集中于磚混結(jié)構(gòu)。

5 建筑物抗變形加固措施

采動(dòng)區(qū)地表建筑物抗變形加固措施有很多種，主要分為2類(lèi):① 剛性保護(hù)措施，② 柔性保護(hù)措施。

圖18 撫順城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響分區(qū)Fig.18 Geological hazard impact zoning in Fushun urban area

表2 建筑物損害區(qū)位特征Table 2 Location characteristics of damaged buildings

5.1 北幫建筑物加固措施

距礦坑0～100 m:建議此區(qū)域建筑物的抗變形加固工作重點(diǎn)放在基礎(chǔ)加固。對(duì)于既有建筑物，用水泥漿或混凝土基礎(chǔ)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行基礎(chǔ)注漿加固。在無(wú)法進(jìn)行注漿加固的情況下，可以將獨(dú)立基礎(chǔ)改為條形基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)改為筏板基礎(chǔ)或增加基礎(chǔ)連系梁。對(duì)于少量樁基礎(chǔ)建筑物可采用錨桿靜壓樁的方法進(jìn)行建筑物糾偏。對(duì)于新建建筑物，應(yīng)選擇對(duì)地表變形有更好適應(yīng)能力的筏板基礎(chǔ)或者楔形基礎(chǔ)，若選用條形基礎(chǔ)則應(yīng)增設(shè)基礎(chǔ)連系梁，并在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置水平滑動(dòng)層。

(1)距礦坑100～500 m:建議此區(qū)域建筑物的抗變形加固工作重點(diǎn)放在墻體以及梁柱加固。對(duì)于既有建筑物在將現(xiàn)有裂縫填充的基礎(chǔ)上，還可采用增大梁柱截面積、外加鋼板、外包碳纖維等方法。對(duì)于新建建筑物設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁等。

(2)距礦坑500～700 m:建議此區(qū)域建筑物的抗變形加固工作重點(diǎn)放在墻體以及陽(yáng)臺(tái)梁加固。對(duì)于既有建筑物可以選用在陽(yáng)臺(tái)梁底端增加三角型型鋼的方式，或在陽(yáng)臺(tái)梁與外墻之間設(shè)置鋼拉桿的方式，且重點(diǎn)加固窗下墻體。對(duì)于新建建筑物設(shè)置構(gòu)造柱、變形縫，門(mén)窗洞口處設(shè)置加強(qiáng)帶等。

(3)距礦坑700～1 000 m:由于此區(qū)域建筑物距礦坑較遠(yuǎn)，損害情況較輕，只有少數(shù)建筑物出現(xiàn)陽(yáng)臺(tái)損害現(xiàn)象，因此在進(jìn)行抗變形加固時(shí)只需將現(xiàn)有裂縫用砂漿填充即可。

5.2 南幫建筑物加固措施

(1)距礦坑0～200 m:建議此區(qū)域建筑物的抗變形加固工作重點(diǎn)放在基礎(chǔ)加固，增大基礎(chǔ)底面積，以增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗變形能力。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁等。

(2)距礦坑200～600 m:建議此區(qū)域建筑物的抗變形加固工作重點(diǎn)放在墻體以及梁加固。通過(guò)加鋼筋網(wǎng)或增加配筋的方式，提高梁、墻的抗變形性能。

6 結(jié) 論

(1)西露天礦北幫周邊城區(qū)建筑物較為集中，主要受邊坡卸荷變形、地表沉陷、地裂縫的影響，損害類(lèi)型較多，且磚混結(jié)構(gòu)建筑物損害情況較框架結(jié)構(gòu)建筑物嚴(yán)重，修建年代早的建筑物較修建年代晚的建筑物嚴(yán)重。

(2)西露天礦南幫周邊城區(qū)建筑物主要受地下水滲流、順層滑坡、地裂縫的影響，損害情況較北幫輕微，距離礦坑邊界越近的建筑物，損害情況越為嚴(yán)重。

(3)通過(guò)綜合分析建筑物修建年代、結(jié)構(gòu)形式、破壞程度，得出礦區(qū)周邊城區(qū)建筑物破壞區(qū)位特征。

(4)提出了各類(lèi)建筑物的抗變形加固建議:距北幫0～100 m內(nèi)地面建筑物重點(diǎn)加固基礎(chǔ)，100～1 000 m內(nèi)建筑物重點(diǎn)加固上部結(jié)構(gòu);距南幫0～200 m內(nèi)地面建筑物重點(diǎn)加固基礎(chǔ)，200～600 m內(nèi)建筑物重點(diǎn)加固上部結(jié)構(gòu)。