下伏采空区高速公路场地稳定性及参数敏感性分析

王学伟 满 君

(1. 中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100089; 2. 中兵勘察设计研究院有限公司,北京 100053)

随着我国经济的高速发展,越来越多的道路工程需穿过煤矿采空区。 由于开采煤炭改变了岩土体的应力状态,在开采完成后,采空区地表受自然压实或外部扰动及地下空洞等影响而持续产生变形,其稳定性直接影响着高速公路建设与运营过程的稳定与安全[1-3]。 下伏采空区常导致邻近高速公路产生沉陷、开裂或突发坍塌,甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡。 因此,研究下伏采空区影响下高速公路场地的稳定性具有重要工程意义。

目前,众多学者开展了采空区对高速公路工程场地稳定性影响研究,主要采用的评价方法有概率分析法、模糊综合评价法、数值模拟法等[4-7]。 方磊等采用地质调查和物探相结合的方法,从地质条件、开采条件和拟建工程特点等方面定性评判采空区稳定性[8];徐燕等基于概率积分法和Sulstowicz A 理论分别计算采空区地表移动期最大下沉量和剩余沉陷期的沉陷量,并采用加厚路面面层的处理方法恢复路面实际高程[9];童立元等采用ANSYS 软件研究路堤荷载、位置关系等影响下高速公路与下伏采空区的变形规律及相互作用,可为采空区高速公路场地稳定性分析提供基础[10];孙琦等基于FLAC3D建立数值仿真模型,研究埋深较浅的采空区引起的不均匀沉降对公路路基及路堑边坡稳定性的影响[11-12];张志沛等采用FLAC3D软件模拟分析煤层开挖前后和工程全过程中桥基下采空区覆岩应力及位移变化规律[13];杨利民等采用蠕变本构模型和现场监控手段,研究得到采空区对路基变形影响的临界距离为80 m 且活跃期的采空区显著影响着上部公路路基的变形[14];张淑坤等采用数值模拟和现场监测方法,研究老采空区填充到一定程度可显著降低其对地表残余变形的影响[15];张志沛等利用有限元方法模拟煤层开挖前后岩土体应力与应变分布规律,分析高速公路下伏采空区覆岩的长期变形发展规律[16];刘林等采用瞬变电磁法查明延长高速所跨越采空区的异常区分布情况,并结合概率积分法计算采空区的地表剩余沉降量,评价该采空区场地的稳定性[17-18];葛鹏飞等基于层次分析法评判得到武云高速公路工程场地处于基本稳定的状态[19]。 目前,关于采空区场地的稳定性研究主要集中于采空区地表的剩余沉降方面,缺少高速公路荷载与采空区共同作用下,对高速公路场地的稳定性评价。

依托延吉至长春高速公路工程,采用概率分析法和数值模拟相结合的方法,研究下伏采空区影响下高速公路场地变形规律,分析石碑岭采空区与延长高速公路荷载共同作用下高速公路场地的稳定性,并提出该场地的工程适用性及处治措施,同时研究采空区影响下高速公路场地地表沉降对各因素的敏感性,以期为类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

延吉至长春高速公路烟筒山至长春段连接长春绕城高速公路,起于磐石市烟筒山镇西侧,经双阳区、双营回族乡、奢岭街道、泉眼镇,止于长春市洋浦互通,路线全长92.31 km,设计速度120 km/h,路基宽度为27.0 m。 项目某段落需穿越石碑岭煤矿采空区,工程平面布置见图1。

图1 延长高速公路工程总平面示意

1.1 地形地貌特征

工程沿线地势总体呈东南高西北低,地势起伏较大,中东部为丘陵,西部为波状台地,最高点位于石碑岭,海拔高程315 m;最低点位于北部边缘,海拔高程215 m,相对高差为100 m。

1.2 地质特征

区域出露的地层有中生界侏罗系、白垩系,新生界第四系。 上部为泥页岩类,下部为泥岩、炭质粉砂岩、砂砾岩及凝灰质砂岩,地质特征见表1。 区内有3 条正断层,其中,F1 位于北部,走向北西,与拟建公路斜交;F2 位于南部,走向北西;F3 位于东部,走向北东,与拟建公路相交;F4 断层位于南部,离拟建工程较远,走向近东西。

表1 研究区域地质特征

1.3 采空区概况

1975—1988 年,石碑岭煤矿在3、4、6 层煤进行大规模开采。 3 层煤采深20~140 m,4 层煤采深50~160 m,3 层采空区面积为158 369 m2。 6 层煤采深150~380 m,煤层最大厚度为1.25 m,采空区面积为555 694 m2。 1994—2008 年复采,主要开采3、4 层煤,采取长壁式开采,顶板全部垮落。 采空区位于长春市净月镇北东方向,三道镇西侧,距G302、G12、G0102 高速路较近。 根据技术规范要求的规定,结合地下采空区地质条件,以拟建工程中心线外扩500 m 作为评价范围,面积为4.5 km2。

1.4 高速公路与采空区位置关系

在实地踏勘的基础上,采用瞬变电磁法、钻探法对采空区进行勘测,高速公路与采空区位置关系见图2,采空区基本特征见表2。 经过对剖面的综合分析,共推测出D1~D5 共5 处采空区,主要靠近工程K480+280~K481+280 段。

表2 采空区基本特征

图2 高速公路与采空区位置关系

2 采空区地表剩余变形计算

石碑岭煤矿虽已于2008 年停采,但采空区及岩土体在自重、地震、上部工程荷载以及地下水的共同作用下,会持续发生变形从而影响地表的稳定。 为评价采空区地表的稳定性与工程适用性,需对工程区域内采空区地表的剩余变形进行计算。

2.1 计算方法

概率积分法是一种基于非连续随机介质理论的数值计算方法,可用于计算具有大量裂隙与节理的岩石等非连续性介质的变形,在采空区的地表沉降计算中应用较为广泛。 根据前期的地表移动规律,本工程区域的地表移动规律符合概率积分模型,参考JTGT D31—03-2011《采空区公路设计与施工技术细则》,选择概率积分法计算采空区地表剩余变形[20]。

2.2 主要参数取值

根据地勘资料中的试验结果,工程区域采空区覆岩的单轴抗压强度平均值为15.3 MPa,以较软岩为主。 采空区地表剩余变形预测所需参数见表3。

表3 地表剩余变形计算主要参数

表3 中,Q为覆岩分层岩性评价系数;q为下沉系数;φ为剩余下沉系数;b为水平移动系数;tgβ为主要影响角正切值;θ为最大下沉角;S为拐点平移距离。

2.3 采空区地表最大剩余变形

考虑评价区煤层和采空区分布特征,结合依托工程大桥和填方路基段,将采空区划分为3 段,即K480+280~480+640 段(K1 段),为3 号、4 号煤层采空区,地表荷载为填方路基荷载;K480+640~K480+980 段(K2 段),为6 号煤层采空区,地表荷载主要为填方路基荷载;K480+980~K481+280 段(K3 段),为6 号煤层采空区,地表荷载主要为桥梁荷载。 采空区地表最大剩余变形量见表4,剩余变形量等值线见图3。

表4 采空区地表最大剩余变形

图3 采空区地表剩余下沉量分布(沉降单位:mm;其余:m)

由表4 和图3 可知,延长高速公路烟筒山至长春段沿线在3 号煤层采空区剩余下沉量为82 mm,4 号煤层采空区剩余下沉量为398 mm,K3 段6 号煤层采空区剩余下沉量分别为392 mm 和191 mm。

3 下伏采空区影响下高速公路场地变形计算

3.1 模型建立

采用FLAC3D有限元软件,选取路线中心纵断面(K479+300~K481+730)建立仿真模型见图4,模型左边界为K481+730,右边界为K479+300,下边界位于高程-500 m 处,包含延长高速公路烟筒山至长春段北石碑岭大桥、采空区和沿线断层F1 和F3。 岩土体采用实体单元模拟,材料为摩尔-库伦本构模型,断层采用interface 单元模拟。 模型边界底面为X、Y、Z三向约束,四周为法向约束,平面内无约束,地表面为自由面,计算荷载为自重和工程荷载。 数值仿真计算时,先模拟煤层开采完成后覆岩的竖向变形特性,然后将由于煤层开挖产生的竖向位移清零,再分别施加大桥桩基荷载和路基荷载,以计算工程荷载作用下采空区地表产生的竖向变形。

图4 数值仿真模型

3.2 参数取值

延长高速公路工程沿线采空区岩芯见图5,通过物理力学试验确定岩土体物理力学参数(见表5)。

表5 材料物理力学参数

表6 采空区地基容许变形值

图5 工程沿线岩土芯样

3.3 工程荷载计算

按相关设计资料及规范计算施加于下伏采空区的延长高速公路工程荷载,主要有路基荷载和桥梁荷载,将荷载施加于采空区模型。

(1)路基荷载

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

(2)桥梁荷载

①总桩顶反力

根据设计资料,单排设置 桩数n=6,单桩桩顶反力为7 500 kN,ϕ1.8 m,桩间距a= 6.3 m,桩长l=40 m,桩基容重γ2=25 kN/m3。 单排桩设置区域总长l总=33.3 m,总宽1.8 m。 桩间距10.8 m,可按单排群桩基础考虑桩端处荷载,桩端荷载面积A=59.94 m2,总桩顶反力Q反=45 000 kN。

②总行车荷载

依据JTG3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》[27],汽车荷载等级为公路Ⅰ级,车道均布荷载标准值为10.5 kN/m;集中荷载标准值取340 kN(以跨径20 m 计),总行车荷载Q车=541 kN。

③桩土自重差为G1=nπr2l(γ2-γ1),按整体基础进行计算桩基端部附加压力为σz=(Q反+Q车+G1)/(l总+d)。

附加应力为均布面荷载,作用范围为33.3 m×1.8 m,作用深度为地面以下40 m 处。

3.4 结果分析

(1)开采完成后场地变形分析

3 号、4 号和6 号煤层的采空区覆岩竖向变形、地表竖向变形随线路的变化规律分别见图6、图7。

图6 采挖后覆岩的竖向变形云图(单位:mm)

图7 地表竖向变形随线路的变化规律

由图6 和图7 可知,3 号、4 号和6 号煤层采挖后覆岩最大竖向变形在煤层采空区的顶板部位,采空区覆岩竖向变形显著大于非采空区,采空区外一定范围的岩土产生竖向变形;3 号煤层采空区覆岩竖向变形最小,与表4 的计算结果一致;K480+350~ K480+640 段(4 号煤层) 采空区覆岩竖向变形最大,达766 mm,较概率积分法计算结果大,主要是由于数值仿真模拟的是开采完成至整个覆岩稳定时的变形;随距离4 号煤层采空区距离增大,覆岩竖向变形逐渐减小,K480+640~K481+280 段(6 号煤层)采空区覆岩竖向变形分别达589 mm 和367 mm。

(2)工程荷载影响下场地变形分析

工程荷载施加后,工程所在区域采空区覆岩竖向变形云图见图8,地表竖向变形随线路的变化规律见图9。

图8 工程荷载(大桥、路基荷载)施加后竖向变形云图(单位:mm)

图9 地表竖向变形随线路的变化规律

由图8 和图9 可知,工程荷载作用下采空区地表竖向位移远大于非采空区,3 号煤层的采空区地表竖向变形较小,采空区地表最大竖向变形位于填方路基K480+350~K480+640 区段(4 号煤层)中部,达479 mm;随着K480+280~K480+640 区段距离的增加,采空区地表竖向变形逐渐减小;路基荷载作用下K480+640~K480+980 段(6 号煤层)采空区地表的竖向变形显著大于K480+980~K481+280 段,最大达420 mm。

3.5 场地稳定性分析

参考JTGT D31—03-2011《采空区公路设计与施工技术细则》,根据预测评价区公路工程类型及地基容许变形指标,评价下伏采空区影响下高速公路场地是否满足地基稳定性要求,结果见表7。

表7 工程场地地基稳定性评价

由表7 可知,K1 评价区的3 号煤层、K2 和K3 评价区的6 号煤层对应的工程场地满足采空区地基容许变形值,K1 评价区的4 号煤层对应的工程场地地基不满足采空区地基容许变形值。 结合数值仿真计算结果,在工程荷载的作用下,沿线路在6 号煤层、3 号和4 号煤层采空区地表均发生较大的竖向位移,地表竖向变形最大值达479 mm,位于K480+440 附近,应引起重视。 为确保工程场地的安全性,K1 评价区和K2 评价区均需进行相应的工程处理。

根据采空区场地稳定性、工程荷载对采空区场地的影响深度和地基稳定性因素,以及考虑局部地段经过地基处理可以控制采空区剩余变形对拟建工程的影响,K3 评价区场地为基本适宜,K1 评价区、K2 评价区场地适宜性差,建议采取注浆加固和灌浆充填处理采空区后再进行工程建设。

3.6 工程荷载扰动场地稳定性分析

石碑岭煤矿采取长壁式开采,顶板全部垮落,这是目前煤矿最主要的采煤方法,但其造成的覆岩破坏也最严重。 长壁全部垮落法开采缓倾斜煤层达到一定深度时,覆岩的破坏和移动自下而上会出现垮落带、断裂带和弯曲。 为研究工程荷载扰动的场地范围,计算垮落带和断裂带的最大高度十分必要。

(1)采空区冒落断裂带高度计算

延长高速公路烟筒山至长春段工程沿线采空区顶板主要为砂岩、砂砾岩、泥岩,计算每个评价区软岩垮落带和断裂带最大高度见表8。

表8 采空区地段冒落断裂带高度

由表8 可知,延长高速公路烟筒山至长春段工程沿线下伏采空区冒落断裂带发育高度为19.32 ~28.16 m,覆岩弯曲下沉带厚度最小值为84.64 ~345.88 m,K3 评价区覆岩破坏范围上限与地表的距离较大,K1 评价区覆岩破坏范围上限与地表的距离相对较小。

(2)工程荷载地基扰动深度计算

通过计算得到路基荷载和桥梁荷载作用下的附加应力,从而可计算延长高速公路烟筒山至长春段工程荷载对下伏采空区的扰动深度见表9。

表9 工程荷载地基扰动深度

由表9 可知,K3 评价区的临界采深最大,达69.32 m,K1 评价区次之,K2 评价区最小;工程荷载作用下K1 评价区与工程场地的安全距离较小,为16.48 m,K2 和K3 评价区与工程场地的安全距离均大于200 m。

(3)工程荷载临界影响深度评价

煤层停采稳定后垮落断裂带处于应力相对平衡状态,在受到工程荷载作用后,会引起采动破碎岩体二次移动,继而导致工程场地地基沉降和变形的加剧。 冒落、断裂带与工程荷载影响深度的关系见图10。 按GB51044—2014《煤矿采空区岩土工程勘察规范》中荷载临界影响深度对采空区稳定性影响程度的评价标准[22],以表7 的计算结果评价延长高速烟筒山至长春段工程场地稳定性(见表10)。

表10 荷载临界影响深度对采空区稳定性影响程度标准

图10 冒落、断裂带与工程荷载影响深度关系

由表10 可知,实体工程的路基荷载和桥梁荷载施加于采空区时,产生的附加应力的影响深度分别为40 m 和50 m,采空区覆岩的垮落断裂带深度均大于影响深度的2 倍,由此判断工程荷载对采空区场地的影响度较小。

4 参数敏感性分析

由前述研究可知,开采深度对高速公路场地稳定性具有影响,同时开采厚度、高宽比、与路基交叉角度等因素均会对既高速公路地基稳定性具有一定影响。采用无量纲敏感性分析方法,确定基准参数集,设计敏感性试验工况,建立系统特征函数,从而推导敏感性函数并计算敏感因子[23],研究采空区影响下高速公路场地稳定性对各因素的敏感性。

4.1 基准集及工况设计

以实际工程开采深度H、开采厚度d、宽高比b/h、与路基交叉角度α为基础,确定基准参数集(见表11)。 参考实际工程设计和已有研究常见取值,确定各影响因素取值(见表12)。

表11 基准参数集

表12 工况设计

4.2 系统特征函数建立

通过数值仿真得到不同影响因素下采空区地表沉降曲线,见图11。

图11 各因素变化下采空区地表沉降变化规律

由图11 可知,采空区影响下高速公路场地地表沉降与开采深度呈负相关关系,而与开采厚度、采空区宽高比、与路基交叉角度3 因素呈正相关关系。 该模型的系统特性S函数为不同因素变化下采空区地表沉降函数,见式(1)。 通过origin 软件拟合,建立S与开采深度H、开采厚度d、宽高比b/h、路基交叉角度α的函数关系式,见表13。

表13 系统特性函数

4.3 敏感度函数及敏感因子

敏感度函数标准式见式(2),由表13 系统特征函数得到本次敏感性分析的敏感度函数及曲线,分别见表14、图12。

表14 敏感度函数及因子

图12 各因素变化下采空区地表沉降敏感度因子

由表14 和图12 可知,随开采深度增加,地表沉降敏感度因子以开采深度150 m 为界,先增大后减小,当H<150 m 时,采空区地表沉降对开采深度变化较敏感,主要原因是开采深度较浅时,上覆高速公路荷载作用下采空区的稳定性受到较大影响。 随开采厚度增加,地表沉降敏感度因子以开采厚度5 m 为界先增大后减小,d>5 m 时,敏感度略微降低,原因是同一开采深度下,开采厚度增加使采空区在深度范围内的空腔范围增大,开采厚度大于5 m 后,开采厚度对采空区地表沉降的影响趋于稳定。 随采空区宽高比和与路基交叉角度增加,地表沉降敏感度因子均逐渐增大。 采空区影响下高速公路场地地表沉降对各参数的敏感度由大到小排序为:开采厚度d、开采深度H、宽高比b/h、与地基交叉角度α,建议在工程设计中首先重点考虑开采厚度及深度对采空区场地的稳定性的影响,在此基础上可进一步考虑采空区尺寸及与工程的交叉角度的影响。

5 结论

(1)延长高速烟筒山至长春段沿线在3 号煤层采空区覆岩剩余变形量较小,而沿地层倾向和走向逐渐到4 号和6 号煤层采空区后,覆岩剩余变形量显著增大,最大达398 mm;在工程荷载作用下,下伏4 号、6 号煤层采空区地表竖向变形较大,需引起重视。

(2)考虑采空区场地剩余变形参数评价,靠近煤矿采空区段落的稳定性为:路基段K1 评价区3 号煤层采空区处于稳定状态,桥梁段的K3 评价区处于稳定状态,路基段K1 的4 号煤层采空区和K2 评价区处于欠稳定状态。

(3)综合考虑工程荷载影响深度及地基容许变形值,工程扰动下K1 评价区的3 号煤层、K2 和K3 评价区的6 号煤层对应的工程场地满足地基容许变形值,基本适宜工程建设;K1 评价区的4 号煤层对应的工程场地地基不满足采空区地基容许变形值;K1 评价区、K2 评价区场地适宜性差,建议采取注浆加固和灌浆充填处理采空区后再进行工程建设。

(4)采空区影响下高速公路场地地表沉降对各参数的敏感度由大到小排序为:开采厚度d、开采深度H、宽高比b/h、与地基交叉角度α,建议在工程设计中重点考虑开采厚度及深度对采空区场地稳定性的影响。