■ 馮東梅 FENG Dongmei 徐大光 XU Daguang

0 引言

露天煤礦開(kāi)采易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，并進(jìn)一步作用于露天煤礦周邊的影響區(qū)，導(dǎo)致周?chē)菂^(qū)內(nèi)的建筑出現(xiàn)損害。撫順西露天礦作為典型的露天型煤礦，雖然已經(jīng)逐步停止生產(chǎn)，但周?chē)菂^(qū)內(nèi)的建筑仍然受到地質(zhì)災(zāi)害影響。2018 年，習(xí)近平總書(shū)記視察撫順市西露天礦采煤沉陷區(qū)綜合治理項(xiàng)目時(shí)強(qiáng)調(diào)，開(kāi)展采煤沉陷區(qū)綜合治理，要本著科學(xué)的態(tài)度和精神，搞好評(píng)估論證，做好整合利用這篇大文章[1]。要改善露天礦影響區(qū)周邊的居住條件，就需要先改變礦坑對(duì)周邊的影響，并在此基礎(chǔ)上對(duì)周邊影響區(qū)域內(nèi)的居住建筑進(jìn)行修復(fù)與加固。

1 西露天礦影響區(qū)概況

1.1 西露天礦概況

撫順市地處遼寧省東部丘陵地帶，毗鄰東北中心城市沈陽(yáng)，是沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)影響區(qū)內(nèi)重要的戰(zhàn)略組成部分。西露天礦即坐落于撫順市新?lián)釁^(qū)西南部，位于撫順煤田西部、渾河南岸、千臺(tái)山北麓，地跨新?lián)?、望花兩大主城區(qū)，緊鄰城市主要商業(yè)街區(qū)與傳統(tǒng)居住區(qū)（圖1）[2]。其東西長(zhǎng)6.6 km，南北寬 2.2 km，總面積約14.52 km2，于1901 年 開(kāi) 采，并 于1914 年轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采模式。由于當(dāng)?shù)孛禾科焚|(zhì)良好、埋藏較淺易于開(kāi)采且礦源儲(chǔ)量巨大，西露天礦煤層平均厚度可以達(dá)到50 m，開(kāi)采垂直深度達(dá)350 m 以上，是當(dāng)時(shí)少有的特大型煤田，成為國(guó)家重要的煤炭產(chǎn)地。百余年的開(kāi)采使西露天礦煤炭產(chǎn)量日益減少，但因開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害卻愈加明顯。自2009 年撫順市被列入我國(guó)第二批“資源枯竭型城市”名單而開(kāi)始步入轉(zhuǎn)型期，西露天礦也隨之減少生產(chǎn)，并于2019 年完成閉礦。

圖1 西露天礦地理位置

1.2 地質(zhì)環(huán)境影響

從地理位置來(lái)看，西露天礦處于渾河與千臺(tái)山之間狹長(zhǎng)的平原區(qū)域內(nèi)，周邊地形平緩、地勢(shì)較低，地面海平高度約80 m。區(qū)域內(nèi)地形整體趨勢(shì)呈東北部略高于西南部[3]，內(nèi)部巖層復(fù)雜，地質(zhì)條件多變（圖2）。

圖2 典型地質(zhì)剖面示意圖

礦坑露天采場(chǎng)范圍大，露天開(kāi)采的模式改變了周邊的地形、地貌，并進(jìn)一步改變了周邊區(qū)域的力學(xué)條件，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響較大；再加上開(kāi)采生產(chǎn)期間企業(yè)管理粗放等因素，使得西露天礦產(chǎn)生了諸多地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如滑坡、泥石流、地表塌陷、地裂縫等，對(duì)礦區(qū)影響區(qū)內(nèi)必要的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅，無(wú)法保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

此外，礦區(qū)周邊居住有大量曾參與西露天建設(shè)或伴隨煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)的居民，其居住環(huán)境受西露天礦地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重，居住條件差。

1.3 北幫建筑情況

通過(guò)對(duì)撫順市西露天礦北幫影響區(qū)域的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其周邊建筑物主要分為兩大類(lèi)：①距離礦坑邊緣較近的區(qū)域多為中小型工業(yè)、企業(yè)，主要位于整個(gè)礦坑邊緣200 m 范圍內(nèi)；②居民區(qū)距離稍遠(yuǎn)，低層、多層、高層住宅均有。礦區(qū)周邊建筑物建設(shè)年代跨度較大，從上世紀(jì)60 年代一直到本世紀(jì)初。其中，建于上世紀(jì)六七十年代的建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，主要分布在距礦區(qū)邊界100 m 范圍內(nèi)；建于上世紀(jì)80 年代至本世紀(jì)初的建筑多為框架結(jié)構(gòu)，主要分布在距礦區(qū)邊界100～800 m 范圍內(nèi)。

2 西露天礦北幫地質(zhì)災(zāi)害分析與建筑損害分區(qū)

2.1 北幫災(zāi)害情況梳理

撫順市早年的城市建設(shè)主要為礦區(qū)開(kāi)采服務(wù)，城區(qū)規(guī)劃較為混亂。特別是在西露天礦北幫影響區(qū)內(nèi)，各個(gè)時(shí)期的建筑交錯(cuò)存在，年代久遠(yuǎn)的工業(yè)園區(qū)、影響較大的公共基礎(chǔ)設(shè)施及大量的居住建筑錯(cuò)落分布其中。西露天礦對(duì)北幫區(qū)域內(nèi)建筑物產(chǎn)生破壞的地質(zhì)災(zāi)害主要有3 種，即：滑坡、地表沉陷和地裂縫。對(duì)這3 種地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的周邊常見(jiàn)災(zāi)害進(jìn)行事件樹(shù)分析，從中提取災(zāi)害鏈（表1），并據(jù)此繪制災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型（圖3）。可以看出，這些地質(zhì)災(zāi)害造成的影響時(shí)間長(zhǎng)、波及范圍大、后果較為嚴(yán)重。伴隨著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，影響區(qū)內(nèi)的建筑陸續(xù)出現(xiàn)墻體開(kāi)裂、基礎(chǔ)脫離等現(xiàn)象，對(duì)居民的生命安全造成了嚴(yán)重威脅。

表1 撫順西露天礦北幫區(qū)域常見(jiàn)的災(zāi)害鏈

圖3 西露天礦北幫災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 建筑損害分區(qū)

礦坑北幫影響區(qū)內(nèi)，建筑受地質(zhì)災(zāi)害影響較明顯的區(qū)域集中在距北幫邊緣700 m 內(nèi)的范圍內(nèi)。根據(jù)所受地質(zhì)災(zāi)害的不同，可以將這部分建筑區(qū)域劃分成3 塊，即：滑坡影響區(qū)、地表沉陷影響區(qū)和地裂縫影響區(qū)。

2.2.1 滑坡影響區(qū)

滑坡影響區(qū)主要范圍在北幫距礦坑邊緣100 m 以?xún)?nèi)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)建筑主要為上世紀(jì)60 年代中期建造的矮層平房，采用當(dāng)時(shí)較為實(shí)用的條形基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)。露天開(kāi)采后，由于北幫邊坡巖體整體強(qiáng)度不高，且各巖層之間無(wú)法形成整體，受降水影響，在邊坡應(yīng)力釋放的過(guò)程中，產(chǎn)生了北幫邊坡向坑內(nèi)方向偏移的現(xiàn)象；當(dāng)偏移量超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)發(fā)生區(qū)域滑坡。伴隨偏移滑坡的持續(xù)發(fā)生，地表受影響區(qū)持續(xù)擴(kuò)大，區(qū)域內(nèi)建筑物基礎(chǔ)發(fā)生下沉現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的下沉影響甚至?xí)菇ㄖ锍霈F(xiàn)剪切破壞等現(xiàn)象，從而出現(xiàn)墻柱斷裂、傾斜，墻體開(kāi)裂，以及建筑基體分離（圖4）等情況。

圖4 建筑基體分離

2.2.2 沉陷影響區(qū)

沉陷影響區(qū)主要范圍在北幫距礦坑邊緣100～500 m 區(qū)域內(nèi)，因礦坑滑坡引起區(qū)域內(nèi)地表沉陷而造成危險(xiǎn)。該區(qū)域內(nèi)建筑基礎(chǔ)主要采用條形基礎(chǔ)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式的不同，又可以分為兩類(lèi)建筑：一類(lèi)是以磚混結(jié)構(gòu)為主的老舊建筑，主要分布在該區(qū)域西側(cè)，始建于上世紀(jì)六七十年代；另一類(lèi)是以框架結(jié)構(gòu)為主的相對(duì)較新的建筑，建造于上世紀(jì)八九十年代。影響區(qū)內(nèi)建筑距離邊坡較近，在礦坑邊緣出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象時(shí)，帶動(dòng)該區(qū)域出現(xiàn)地表沉陷，使沉陷區(qū)內(nèi)的建筑物受到拉力而出現(xiàn)形變，且主要形變類(lèi)型為水平變形；而伴隨形變的發(fā)生，區(qū)域內(nèi)部分建筑物出現(xiàn)墻體開(kāi)裂的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：建筑外墻出現(xiàn)豎直裂縫、“丁”字裂縫、網(wǎng)狀裂縫（圖5），以及梁、柱等支撐構(gòu)件部分產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。

圖5 地表沉陷影響區(qū)建筑破損情況

2.2.3 地裂縫影響區(qū)

西露天礦北幫影響區(qū)內(nèi)對(duì)建筑物影響明顯的地裂縫主要有兩處。一處是撫順石油一廠、老撫順發(fā)電廠等工業(yè)園區(qū)，其中，石油一廠的建筑主要為上世紀(jì)六七十年代的磚混建筑，受地裂縫影響已停止生產(chǎn)。另一處為西三街、西四街、西七路、解放路等街區(qū)范圍內(nèi)的居民住宅，主要修建于上世紀(jì)80 年代，因地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化，部分住宅的下方就是地裂縫。這部分住宅建筑的長(zhǎng)軸與建筑下方的地裂縫相互垂直，當(dāng)?shù)亓芽p整體向礦坑方向發(fā)生沉降時(shí)，會(huì)擴(kuò)大地裂縫形變，使得地裂縫影響區(qū)內(nèi)部分位于裂縫上方的建筑受到剪切破壞，從而出現(xiàn)墻體開(kāi)裂、陽(yáng)臺(tái)破損（圖6）等情況。

圖6 住宅陽(yáng)臺(tái)破損情況

3 地質(zhì)災(zāi)害治理

根據(jù)表1 和圖3 的災(zāi)害鏈?zhǔn)崂砜芍睅陀绊憛^(qū)內(nèi)的建筑損害均由西露天礦所產(chǎn)生的持續(xù)影響造成。因此，在對(duì)破損建筑進(jìn)行修復(fù)加固前，需要先進(jìn)行礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理，以提高礦區(qū)北幫區(qū)域的整體安全系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果：西露天礦南幫以玄武巖和凝灰?guī)r為主，強(qiáng)度較高且?guī)r體較穩(wěn)定，但玄武巖層位中存在一定的片麻巖、破碎帶等軟弱層結(jié)構(gòu)，容易沿此結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移[4]；西露天礦北幫為凸起的泥質(zhì)邊坡，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在-40 m 標(biāo)高處，整個(gè)邊坡呈現(xiàn)上部較緩、下部較陡的狀態(tài)，整體強(qiáng)度較低，受降水等影響較大。采用極限平衡法計(jì)算分析當(dāng)前條件下北幫邊坡的穩(wěn)定性：當(dāng)前，北幫區(qū)域內(nèi)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均＞1.2，邊坡整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。但根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50197—2015）及《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 37573—2019）規(guī)定：邊坡上有特別重要建筑物或邊坡滑落會(huì)造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失者，且服務(wù)年限超過(guò)20 年時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)＞1.5。可見(jiàn)當(dāng)前邊坡安全系數(shù)并不滿足長(zhǎng)久邊坡的穩(wěn)定規(guī)定，需要進(jìn)行修復(fù)與治理。

為保證西露天礦南幫、北幫穩(wěn)定不發(fā)生滑移，避免礦坑底部現(xiàn)存的污染物污染環(huán)境，需要對(duì)礦坑底部進(jìn)行整體回填（可采用尾礦或廢石等物料），當(dāng)回填達(dá)到-148 m 標(biāo)高時(shí)，可保證南幫不產(chǎn)生滑移；同時(shí)，考慮到北幫泥質(zhì)邊坡的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差、受降水影響較大，在整體回填的基礎(chǔ)上，采用臺(tái)階護(hù)坡壓腳，在-148 ～- 40 m 標(biāo)高范圍內(nèi)設(shè)3個(gè)臺(tái)階分段內(nèi)排（內(nèi)排邊坡角16°、單層臺(tái)階角30°），以防止降水引起的局部滑坡[5-6]；此外，- 40 m 標(biāo)高以上邊坡受湖水浪蝕及降雨侵蝕作用，需要進(jìn)行削坡（圖7）。

圖7 回填壓腳方案示意圖

進(jìn)一步采用GEO-SLOPE 對(duì)西露天礦進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)證，結(jié)果顯示：礦區(qū)相關(guān)邊坡安全系數(shù)均達(dá)到1.5 以上，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

對(duì)比治理前后（圖8），治理后影響區(qū)內(nèi)各個(gè)位置的危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性明顯降低，整體安全性得到較大提升。這說(shuō)明回填壓腳方案對(duì)提高西露天礦邊坡穩(wěn)定性、降低周邊區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)性具有很好的效果，能夠有效控制滑坡、地表沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，為后續(xù)順利推進(jìn)建筑修復(fù)和加固奠定了基礎(chǔ)。

圖8 治理前后風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ?/p>

4 影響區(qū)內(nèi)建筑物加固措施

通過(guò)對(duì)西露天礦的治理，區(qū)域內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大幅度降低，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)周邊建筑的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)3 個(gè)影響區(qū)內(nèi)的建筑按照受損害類(lèi)型與程度，提出針對(duì)性加固建議和措施。

4.1 滑坡影響區(qū)建筑物加固措施

滑坡影響區(qū)內(nèi)建筑物受滑坡影響，破損形式主要表現(xiàn)為墻體開(kāi)裂、基體分離，需要重點(diǎn)加固建筑物地基。地基加固方法有多種，這里采用較為實(shí)用的注漿加固法。首先設(shè)置注漿孔，可以直接對(duì)滑坡影響區(qū)內(nèi)建筑基礎(chǔ)垂直設(shè)置鉆孔，也可以使用專(zhuān)門(mén)的鉆機(jī)預(yù)先打孔；然后在注漿孔內(nèi)注入水泥漿液，利用漿液的堵塞、黏結(jié)作用，使原有巖土體中的裂隙黏結(jié)，從而提高巖土體的力學(xué)性能（圖9）[7]。通過(guò)地基注漿，可提高周邊基土的抗形變能力與承載力，使得地基附近產(chǎn)生的沉降和變形顯著減小。

圖9 注漿法基礎(chǔ)加固示意圖

4.2 地表沉陷影響區(qū)建筑物加固措施

地表沉陷區(qū)內(nèi)建筑物受地表沉陷影響，破損形式主要表現(xiàn)為墻體錯(cuò)動(dòng)、開(kāi)裂，需重點(diǎn)加固建筑物墻體及梁柱?？上葘?duì)建筑物破損開(kāi)裂處采用水凝砂漿進(jìn)行填充，以保證墻體不會(huì)出現(xiàn)更大的損壞；在此基礎(chǔ)上，對(duì)梁柱等支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。加固方法有：在梁柱外側(cè)增加鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用特殊的結(jié)構(gòu)膠將梁柱四側(cè)角鋼與原混凝土梁柱黏結(jié)在一起承受共同的荷載；或者在梁柱外表面環(huán)向或徑向包裹韌性更高的碳纖維材料，提高建筑的整體強(qiáng)度（圖10）。

圖10 梁柱加固示意圖

4.3 地裂縫影響區(qū)建筑物加固措施

地裂縫影響區(qū)內(nèi)建筑主要為表現(xiàn)為陽(yáng)臺(tái)破損和部分墻體開(kāi)裂，因此，加固重點(diǎn)應(yīng)放在加固陽(yáng)臺(tái)梁及建筑外墻上。首先，在建筑外墻墻體與陽(yáng)臺(tái)梁底之間增加三角形支架，可通過(guò)化學(xué)錨栓將三角架的兩個(gè)直角邊分別與外墻和陽(yáng)臺(tái)邊緣連接在一起，應(yīng)保證化學(xué)錨栓植入墻體的深度達(dá)到要求，且不會(huì)破壞墻體結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)陽(yáng)臺(tái)底梁與外墻之間的聯(lián)系；然后，使用環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)三角支架與陽(yáng)臺(tái)底梁、外墻之間的縫隙進(jìn)行灌注，提高建筑強(qiáng)度，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅建筑的加固（圖11）。

圖11 陽(yáng)臺(tái)三角支架加固示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

撫順西露天礦北幫影響區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理與建筑加固是一個(gè)系統(tǒng)性工程，以“回填壓腳—局部削坡”為核心的地質(zhì)災(zāi)害治理方案，使礦區(qū)相關(guān)邊坡安全系數(shù)均提升到1.5 以上，達(dá)成了邊坡長(zhǎng)久穩(wěn)定的目標(biāo)，并為建筑物修復(fù)加固提供基礎(chǔ)條件。在完成治理保證區(qū)域穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)影響區(qū)內(nèi)的居住建筑進(jìn)行加固，其中，滑坡影響區(qū)主要加固建筑地基，地表沉陷影響區(qū)主要提高建筑墻體及梁柱的強(qiáng)度，地裂縫影響區(qū)主要加固建筑外墻和陽(yáng)臺(tái)。希望能借此改善影響區(qū)內(nèi)居民居住條件，保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全；也為其他礦業(yè)城市推動(dòng)礦區(qū)治理與建筑修復(fù)加固提供參考。