下伏采空區高速公路場地穩定性及參數敏感性分析

王學偉 滿 君

(1. 中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100089; 2. 中兵勘察設計研究院有限公司,北京 100053)

隨著我國經濟的高速發展,越來越多的道路工程需穿過煤礦采空區。 由于開采煤炭改變了巖土體的應力狀態,在開采完成后,采空區地表受自然壓實或外部擾動及地下空洞等影響而持續產生變形,其穩定性直接影響著高速公路建設與運營過程的穩定與安全[1-3]。 下伏采空區常導致鄰近高速公路產生沉陷、開裂或突發坍塌,甚至會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。 因此,研究下伏采空區影響下高速公路場地的穩定性具有重要工程意義。

目前,眾多學者開展了采空區對高速公路工程場地穩定性影響研究,主要采用的評價方法有概率分析法、模糊綜合評價法、數值模擬法等[4-7]。 方磊等采用地質調查和物探相結合的方法,從地質條件、開采條件和擬建工程特點等方面定性評判采空區穩定性[8];徐燕等基于概率積分法和Sulstowicz A 理論分別計算采空區地表移動期最大下沉量和剩余沉陷期的沉陷量,并采用加厚路面面層的處理方法恢復路面實際高程[9];童立元等采用ANSYS 軟件研究路堤荷載、位置關系等影響下高速公路與下伏采空區的變形規律及相互作用,可為采空區高速公路場地穩定性分析提供基礎[10];孫琦等基于FLAC3D建立數值仿真模型,研究埋深較淺的采空區引起的不均勻沉降對公路路基及路塹邊坡穩定性的影響[11-12];張志沛等采用FLAC3D軟件模擬分析煤層開挖前后和工程全過程中橋基下采空區覆巖應力及位移變化規律[13];楊利民等采用蠕變本構模型和現場監控手段,研究得到采空區對路基變形影響的臨界距離為80 m 且活躍期的采空區顯著影響著上部公路路基的變形[14];張淑坤等采用數值模擬和現場監測方法,研究老采空區填充到一定程度可顯著降低其對地表殘余變形的影響[15];張志沛等利用有限元方法模擬煤層開挖前后巖土體應力與應變分布規律,分析高速公路下伏采空區覆巖的長期變形發展規律[16];劉林等采用瞬變電磁法查明延長高速所跨越采空區的異常區分布情況,并結合概率積分法計算采空區的地表剩余沉降量,評價該采空區場地的穩定性[17-18];葛鵬飛等基于層次分析法評判得到武云高速公路工程場地處于基本穩定的狀態[19]。 目前,關于采空區場地的穩定性研究主要集中于采空區地表的剩余沉降方面,缺少高速公路荷載與采空區共同作用下,對高速公路場地的穩定性評價。

依托延吉至長春高速公路工程,采用概率分析法和數值模擬相結合的方法,研究下伏采空區影響下高速公路場地變形規律,分析石碑嶺采空區與延長高速公路荷載共同作用下高速公路場地的穩定性,并提出該場地的工程適用性及處治措施,同時研究采空區影響下高速公路場地地表沉降對各因素的敏感性,以期為類似工程提供借鑒參考。

1 工程概況

延吉至長春高速公路煙筒山至長春段連接長春繞城高速公路,起于磐石市煙筒山鎮西側,經雙陽區、雙營回族鄉、奢嶺街道、泉眼鎮,止于長春市洋浦互通,路線全長92.31 km,設計速度120 km/h,路基寬度為27.0 m。 項目某段落需穿越石碑嶺煤礦采空區,工程平面布置見圖1。

圖1 延長高速公路工程總平面示意

1.1 地形地貌特征

工程沿線地勢總體呈東南高西北低,地勢起伏較大,中東部為丘陵,西部為波狀臺地,最高點位于石碑嶺,海拔高程315 m;最低點位于北部邊緣,海拔高程215 m,相對高差為100 m。

1.2 地質特征

區域出露的地層有中生界侏羅系、白堊系,新生界第四系。 上部為泥頁巖類,下部為泥巖、炭質粉砂巖、砂礫巖及凝灰質砂巖,地質特征見表1。 區內有3 條正斷層,其中,F1 位于北部,走向北西,與擬建公路斜交;F2 位于南部,走向北西;F3 位于東部,走向北東,與擬建公路相交;F4 斷層位于南部,離擬建工程較遠,走向近東西。

表1 研究區域地質特征

1.3 采空區概況

1975—1988 年,石碑嶺煤礦在3、4、6 層煤進行大規模開采。 3 層煤采深20~140 m,4 層煤采深50~160 m,3 層采空區面積為158 369 m2。 6 層煤采深150~380 m,煤層最大厚度為1.25 m,采空區面積為555 694 m2。 1994—2008 年復采,主要開采3、4 層煤,采取長壁式開采,頂板全部垮落。 采空區位于長春市凈月鎮北東方向,三道鎮西側,距G302、G12、G0102 高速路較近。 根據技術規范要求的規定,結合地下采空區地質條件,以擬建工程中心線外擴500 m 作為評價范圍,面積為4.5 km2。

1.4 高速公路與采空區位置關系

在實地踏勘的基礎上,采用瞬變電磁法、鉆探法對采空區進行勘測,高速公路與采空區位置關系見圖2,采空區基本特征見表2。 經過對剖面的綜合分析,共推測出D1~D5 共5 處采空區,主要靠近工程K480+280~K481+280 段。

表2 采空區基本特征

圖2 高速公路與采空區位置關系

2 采空區地表剩余變形計算

石碑嶺煤礦雖已于2008 年停采,但采空區及巖土體在自重、地震、上部工程荷載以及地下水的共同作用下,會持續發生變形從而影響地表的穩定。 為評價采空區地表的穩定性與工程適用性,需對工程區域內采空區地表的剩余變形進行計算。

2.1 計算方法

概率積分法是一種基于非連續隨機介質理論的數值計算方法,可用于計算具有大量裂隙與節理的巖石等非連續性介質的變形,在采空區的地表沉降計算中應用較為廣泛。 根據前期的地表移動規律,本工程區域的地表移動規律符合概率積分模型,參考JTGT D31—03-2011《采空區公路設計與施工技術細則》,選擇概率積分法計算采空區地表剩余變形[20]。

2.2 主要參數取值

根據地勘資料中的試驗結果,工程區域采空區覆巖的單軸抗壓強度平均值為15.3 MPa,以較軟巖為主。 采空區地表剩余變形預測所需參數見表3。

表3 地表剩余變形計算主要參數

表3 中,Q為覆巖分層巖性評價系數;q為下沉系數;φ為剩余下沉系數;b為水平移動系數;tgβ為主要影響角正切值;θ為最大下沉角;S為拐點平移距離。

2.3 采空區地表最大剩余變形

考慮評價區煤層和采空區分布特征,結合依托工程大橋和填方路基段,將采空區劃分為3 段,即K480+280~480+640 段(K1 段),為3 號、4 號煤層采空區,地表荷載為填方路基荷載;K480+640~K480+980 段(K2 段),為6 號煤層采空區,地表荷載主要為填方路基荷載;K480+980~K481+280 段(K3 段),為6 號煤層采空區,地表荷載主要為橋梁荷載。 采空區地表最大剩余變形量見表4,剩余變形量等值線見圖3。

表4 采空區地表最大剩余變形

圖3 采空區地表剩余下沉量分布(沉降單位:mm;其余:m)

由表4 和圖3 可知,延長高速公路煙筒山至長春段沿線在3 號煤層采空區剩余下沉量為82 mm,4 號煤層采空區剩余下沉量為398 mm,K3 段6 號煤層采空區剩余下沉量分別為392 mm 和191 mm。

3 下伏采空區影響下高速公路場地變形計算

3.1 模型建立

采用FLAC3D有限元軟件,選取路線中心縱斷面(K479+300~K481+730)建立仿真模型見圖4,模型左邊界為K481+730,右邊界為K479+300,下邊界位于高程-500 m 處,包含延長高速公路煙筒山至長春段北石碑嶺大橋、采空區和沿線斷層F1 和F3。 巖土體采用實體單元模擬,材料為摩爾-庫倫本構模型,斷層采用interface 單元模擬。 模型邊界底面為X、Y、Z三向約束,四周為法向約束,平面內無約束,地表面為自由面,計算荷載為自重和工程荷載。 數值仿真計算時,先模擬煤層開采完成后覆巖的豎向變形特性,然后將由于煤層開挖產生的豎向位移清零,再分別施加大橋樁基荷載和路基荷載,以計算工程荷載作用下采空區地表產生的豎向變形。

圖4 數值仿真模型

3.2 參數取值

延長高速公路工程沿線采空區巖芯見圖5,通過物理力學試驗確定巖土體物理力學參數(見表5)。

表5 材料物理力學參數

表6 采空區地基容許變形值

圖5 工程沿線巖土芯樣

3.3 工程荷載計算

按相關設計資料及規范計算施加于下伏采空區的延長高速公路工程荷載,主要有路基荷載和橋梁荷載,將荷載施加于采空區模型。

(1)路基荷載

普通地面路基段荷載按照最大填高h1=10 m 估算,均布范圍為27 m,填土容重γ1=20 kN/m3,作用在地基上的荷載Q1= 200 kPa,填方路段荷載已保守估算。

(2)橋梁荷載

①總樁頂反力

根據設計資料,單排設置 樁數n=6,單樁樁頂反力為7 500 kN,?1.8 m,樁間距a= 6.3 m,樁長l=40 m,樁基容重γ2=25 kN/m3。 單排樁設置區域總長l總=33.3 m,總寬1.8 m。 樁間距10.8 m,可按單排群樁基礎考慮樁端處荷載,樁端荷載面積A=59.94 m2,總樁頂反力Q反=45 000 kN。

②總行車荷載

依據JTG3363—2019《公路橋涵地基與基礎設計規范》[27],汽車荷載等級為公路Ⅰ級,車道均布荷載標準值為10.5 kN/m;集中荷載標準值取340 kN(以跨徑20 m 計),總行車荷載Q車=541 kN。

③樁土自重差為G1=nπr2l(γ2-γ1),按整體基礎進行計算樁基端部附加壓力為σz=(Q反+Q車+G1)/(l總+d)。

附加應力為均布面荷載,作用范圍為33.3 m×1.8 m,作用深度為地面以下40 m 處。

3.4 結果分析

(1)開采完成后場地變形分析

3 號、4 號和6 號煤層的采空區覆巖豎向變形、地表豎向變形隨線路的變化規律分別見圖6、圖7。

圖6 采挖后覆巖的豎向變形云圖(單位:mm)

圖7 地表豎向變形隨線路的變化規律

由圖6 和圖7 可知,3 號、4 號和6 號煤層采挖后覆巖最大豎向變形在煤層采空區的頂板部位,采空區覆巖豎向變形顯著大于非采空區,采空區外一定范圍的巖土產生豎向變形;3 號煤層采空區覆巖豎向變形最小,與表4 的計算結果一致;K480+350~ K480+640 段(4 號煤層) 采空區覆巖豎向變形最大,達766 mm,較概率積分法計算結果大,主要是由于數值仿真模擬的是開采完成至整個覆巖穩定時的變形;隨距離4 號煤層采空區距離增大,覆巖豎向變形逐漸減小,K480+640~K481+280 段(6 號煤層)采空區覆巖豎向變形分別達589 mm 和367 mm。

(2)工程荷載影響下場地變形分析

工程荷載施加后,工程所在區域采空區覆巖豎向變形云圖見圖8,地表豎向變形隨線路的變化規律見圖9。

圖8 工程荷載(大橋、路基荷載)施加后豎向變形云圖(單位:mm)

圖9 地表豎向變形隨線路的變化規律

由圖8 和圖9 可知,工程荷載作用下采空區地表豎向位移遠大于非采空區,3 號煤層的采空區地表豎向變形較小,采空區地表最大豎向變形位于填方路基K480+350~K480+640 區段(4 號煤層)中部,達479 mm;隨著K480+280~K480+640 區段距離的增加,采空區地表豎向變形逐漸減小;路基荷載作用下K480+640~K480+980 段(6 號煤層)采空區地表的豎向變形顯著大于K480+980~K481+280 段,最大達420 mm。

3.5 場地穩定性分析

參考JTGT D31—03-2011《采空區公路設計與施工技術細則》,根據預測評價區公路工程類型及地基容許變形指標,評價下伏采空區影響下高速公路場地是否滿足地基穩定性要求,結果見表7。

表7 工程場地地基穩定性評價

由表7 可知,K1 評價區的3 號煤層、K2 和K3 評價區的6 號煤層對應的工程場地滿足采空區地基容許變形值,K1 評價區的4 號煤層對應的工程場地地基不滿足采空區地基容許變形值。 結合數值仿真計算結果,在工程荷載的作用下,沿線路在6 號煤層、3 號和4 號煤層采空區地表均發生較大的豎向位移,地表豎向變形最大值達479 mm,位于K480+440 附近,應引起重視。 為確保工程場地的安全性,K1 評價區和K2 評價區均需進行相應的工程處理。

根據采空區場地穩定性、工程荷載對采空區場地的影響深度和地基穩定性因素,以及考慮局部地段經過地基處理可以控制采空區剩余變形對擬建工程的影響,K3 評價區場地為基本適宜,K1 評價區、K2 評價區場地適宜性差,建議采取注漿加固和灌漿充填處理采空區后再進行工程建設。

3.6 工程荷載擾動場地穩定性分析

石碑嶺煤礦采取長壁式開采,頂板全部垮落,這是目前煤礦最主要的采煤方法,但其造成的覆巖破壞也最嚴重。 長壁全部垮落法開采緩傾斜煤層達到一定深度時,覆巖的破壞和移動自下而上會出現垮落帶、斷裂帶和彎曲。 為研究工程荷載擾動的場地范圍,計算垮落帶和斷裂帶的最大高度十分必要。

(1)采空區冒落斷裂帶高度計算

延長高速公路煙筒山至長春段工程沿線采空區頂板主要為砂巖、砂礫巖、泥巖,計算每個評價區軟巖垮落帶和斷裂帶最大高度見表8。

表8 采空區地段冒落斷裂帶高度

由表8 可知,延長高速公路煙筒山至長春段工程沿線下伏采空區冒落斷裂帶發育高度為19.32 ~28.16 m,覆巖彎曲下沉帶厚度最小值為84.64 ~345.88 m,K3 評價區覆巖破壞范圍上限與地表的距離較大,K1 評價區覆巖破壞范圍上限與地表的距離相對較小。

(2)工程荷載地基擾動深度計算

通過計算得到路基荷載和橋梁荷載作用下的附加應力,從而可計算延長高速公路煙筒山至長春段工程荷載對下伏采空區的擾動深度見表9。

表9 工程荷載地基擾動深度

由表9 可知,K3 評價區的臨界采深最大,達69.32 m,K1 評價區次之,K2 評價區最小;工程荷載作用下K1 評價區與工程場地的安全距離較小,為16.48 m,K2 和K3 評價區與工程場地的安全距離均大于200 m。

(3)工程荷載臨界影響深度評價

煤層停采穩定后垮落斷裂帶處于應力相對平衡狀態,在受到工程荷載作用后,會引起采動破碎巖體二次移動,繼而導致工程場地地基沉降和變形的加劇。 冒落、斷裂帶與工程荷載影響深度的關系見圖10。 按GB51044—2014《煤礦采空區巖土工程勘察規范》中荷載臨界影響深度對采空區穩定性影響程度的評價標準[22],以表7 的計算結果評價延長高速煙筒山至長春段工程場地穩定性(見表10)。

表10 荷載臨界影響深度對采空區穩定性影響程度標準

圖10 冒落、斷裂帶與工程荷載影響深度關系

由表10 可知,實體工程的路基荷載和橋梁荷載施加于采空區時,產生的附加應力的影響深度分別為40 m 和50 m,采空區覆巖的垮落斷裂帶深度均大于影響深度的2 倍,由此判斷工程荷載對采空區場地的影響度較小。

4 參數敏感性分析

由前述研究可知,開采深度對高速公路場地穩定性具有影響,同時開采厚度、高寬比、與路基交叉角度等因素均會對既高速公路地基穩定性具有一定影響。采用無量綱敏感性分析方法,確定基準參數集,設計敏感性試驗工況,建立系統特征函數,從而推導敏感性函數并計算敏感因子[23],研究采空區影響下高速公路場地穩定性對各因素的敏感性。

4.1 基準集及工況設計

以實際工程開采深度H、開采厚度d、寬高比b/h、與路基交叉角度α為基礎,確定基準參數集(見表11)。 參考實際工程設計和已有研究常見取值,確定各影響因素取值(見表12)。

表11 基準參數集

表12 工況設計

4.2 系統特征函數建立

通過數值仿真得到不同影響因素下采空區地表沉降曲線,見圖11。

圖11 各因素變化下采空區地表沉降變化規律

由圖11 可知,采空區影響下高速公路場地地表沉降與開采深度呈負相關關系,而與開采厚度、采空區寬高比、與路基交叉角度3 因素呈正相關關系。 該模型的系統特性S函數為不同因素變化下采空區地表沉降函數,見式(1)。 通過origin 軟件擬合,建立S與開采深度H、開采厚度d、寬高比b/h、路基交叉角度α的函數關系式,見表13。

表13 系統特性函數

4.3 敏感度函數及敏感因子

敏感度函數標準式見式(2),由表13 系統特征函數得到本次敏感性分析的敏感度函數及曲線,分別見表14、圖12。

表14 敏感度函數及因子

圖12 各因素變化下采空區地表沉降敏感度因子

由表14 和圖12 可知,隨開采深度增加,地表沉降敏感度因子以開采深度150 m 為界,先增大后減小,當H<150 m 時,采空區地表沉降對開采深度變化較敏感,主要原因是開采深度較淺時,上覆高速公路荷載作用下采空區的穩定性受到較大影響。 隨開采厚度增加,地表沉降敏感度因子以開采厚度5 m 為界先增大后減小,d>5 m 時,敏感度略微降低,原因是同一開采深度下,開采厚度增加使采空區在深度范圍內的空腔范圍增大,開采厚度大于5 m 后,開采厚度對采空區地表沉降的影響趨于穩定。 隨采空區寬高比和與路基交叉角度增加,地表沉降敏感度因子均逐漸增大。 采空區影響下高速公路場地地表沉降對各參數的敏感度由大到小排序為:開采厚度d、開采深度H、寬高比b/h、與地基交叉角度α,建議在工程設計中首先重點考慮開采厚度及深度對采空區場地的穩定性的影響,在此基礎上可進一步考慮采空區尺寸及與工程的交叉角度的影響。

5 結論

(1)延長高速煙筒山至長春段沿線在3 號煤層采空區覆巖剩余變形量較小,而沿地層傾向和走向逐漸到4 號和6 號煤層采空區后,覆巖剩余變形量顯著增大,最大達398 mm;在工程荷載作用下,下伏4 號、6 號煤層采空區地表豎向變形較大,需引起重視。

(2)考慮采空區場地剩余變形參數評價,靠近煤礦采空區段落的穩定性為:路基段K1 評價區3 號煤層采空區處于穩定狀態,橋梁段的K3 評價區處于穩定狀態,路基段K1 的4 號煤層采空區和K2 評價區處于欠穩定狀態。

(3)綜合考慮工程荷載影響深度及地基容許變形值,工程擾動下K1 評價區的3 號煤層、K2 和K3 評價區的6 號煤層對應的工程場地滿足地基容許變形值,基本適宜工程建設;K1 評價區的4 號煤層對應的工程場地地基不滿足采空區地基容許變形值;K1 評價區、K2 評價區場地適宜性差,建議采取注漿加固和灌漿充填處理采空區后再進行工程建設。

(4)采空區影響下高速公路場地地表沉降對各參數的敏感度由大到小排序為:開采厚度d、開采深度H、寬高比b/h、與地基交叉角度α,建議在工程設計中重點考慮開采厚度及深度對采空區場地穩定性的影響。