下伏采空区高填路基的稳定性分析

沈晓平 段高飞

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210096 ）

0 引言

山区高速公路难免遇到煤矿采空区的工程地质问题，而煤矿采空区下高填路基的稳定性分析是一个多因素耦合的复杂问题[1]。现煤矿采空区高速公路治理多采用绕避法、桥跨板跨法、混凝土支撑法、注浆充填法等[2]。本文针对乌鲁木齐某高速典型下伏采空区的高填路基为例，通过对采空区高速公路的弹塑性有限元计算，模拟了注浆充填法治理前后路基的变形及受力响应特征，探讨高速公路下伏采空区的有效工程对策，为采空区高填路基方案设计提供科学参考。

1 工程背景

乌鲁木齐某高速在K22+600～K22+920 处跨越煤田采空区，影响路段约为320m。设计原对采空区的治理进行了专项设计，由于采空区煤矿用地未能及时交付治理单位，露天煤矿在三年时间里一直存在开采现象，导致露天煤矿区域地貌发生巨大变化，在原初详勘阶段时其开采深度约30m，经过几年的开采，最深处已达90m，如图1 所示。

针对露天煤矿区域地貌发生巨大变化的情况，再次开展煤矿采空区的物探和钻探勘察工作，以指导煤矿采空区治理工程设计变更，拟采用路基型式通过该煤矿露天矿坑，且路段存在超高路基填筑，技术难度大，国内类似工程处置案例较少。

图1 采空区地形地貌

2 采空区工程地质特征

该煤田采空区煤矿年生产能力为9 万吨。矿井位于乌鲁木齐山前拗陷带八道湾向斜南翼，呈陡倾单斜岩层构造，煤层平均倾角79°，水平厚度 46m。煤层顶板为细砂岩，底板为粉砂岩，开采深度250m。矿井开拓方式为立井开拓，采煤方法为仓储式。根据原采空区勘察的地质情况，通过分析及理论计算，综合考虑各种方案，原设计线路选择从煤矿预留安全煤柱上通过。线路大部分处于移动区和变形区，必须经过处理才能满足拟建道路工程要求。

拟建场地属低山丘陵区，总体地势南高北低，海拔高程在 778～893m 之间，现区域内存在四带西南至东北向煤田采空塌陷区，局部已回填，可见较多塌陷坑。

煤矿采空区主要地层有侏罗系下统八道湾组、三工河组、侏罗系下统西山窑组、第四系。由上而下，主要为杂填土、黄土状粉土、卵石、强风化砂岩、中风化基岩、煤层、微风化砂岩。采空区范围内仅出露中侏罗统西山窑组（J2x）和第四系（Q）地层。

1、中侏罗统西山窑组（J2x）

为区内主要含煤地层，呈北东-南西向带状分布于治理区，为湖相及泥炭沼泽相沉积。岩性以灰色、深灰色泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，含炭质泥岩及煤层，夹不稳定的灰及灰白色中砂岩。地层总厚762.65m。

2、第四系（Q）

区内第四系广泛发育，均覆盖在较老地层之上。厚度0-191.78m，平均50.34m。自下而上可分为中更新统（Q2）、上更新统（Q3）和全新统（Q4），分述如下：

（1）中更新统（Q2）

为钙质半胶结或未胶结的砾石层，夹透镜状亚砂土层。砾石成分复杂，多为洪积、冲积的火成岩块和变质岩块，其次为砂岩块。颜色一般为灰色、灰绿色、杂色，滚圆状，分选性一般较差。厚0-99m。

（2）上更新统（Q3）

为风积的亚砂土、亚粘土，一般不含或含少量的砂及砾石。广布全区，厚0-42.50m。

（3）全新统（Q4）

多分布于山麓及现代沟谷之中，为灰-灰黄色砂、砾石。为坡积、洪积、冲积松散堆积。厚0-15.30m。

3 采空区数值模拟

3.1 模型建立

本文基于Midas-GTS 构建下伏采空区高填路基的地质力学模型，分析采空区在自重及路堤荷载作用下的应力和位移变形规律。

根据物探、前期钻探资料及采空区分布，建立起二维地质模型，给模型施加位移边界条件。在路基纵向方向上，施加X 向铰支座加以限制；在垂直方向上，底边界施加固定铰支座加以限制。模型上部边界为自由边界。本次计算有以下假设条件：由于岩体组成和结构的复制性，在计算中同一地层均按照各向同性介质处理，岩体中存在的节理裂隙的影响在物理参数的选取中进行统一的考虑。

根据物探结果显示，本项目距离地表50m 以下存在形状不规整的采空塌陷区，将空洞假定为方形断面，尺寸为40m×40m。模型路基宽度37.5m，填高70m，采用1:2 坡率，每10m 填高设置5～10m 宽的边坡平台。模型各岩层分布情况如图2 所示，第四系（黄土）厚度为160m，煤层最厚处480m，最薄处320m。本文采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，为准确获取计算参数，项目进行了矿区典型地层、煤层钻芯取样进行了室内力学试验。计算参数以工程地质勘察报告及最新物探勘察实验数据为主要选用依据，同时参考了当地经验值，对个别数据进行合理换算，原则上选用数据与现场实际一致。采用的岩体物理力学参数见表1、表2。

图2 模型各岩层分布图（单位:m）

表1 计算参数表

表2 加固处理后计算参数表

3.2 注浆治理前数值模拟

3.2.1 自重条件下场地应力平衡

图3 为自重荷载作用下场地竖向应力场云图，由于缺少该地区的地应力测试资料，计算中没有考虑地层的构造应力。初始应力由自重应力场构成，且认为在自重荷载作用下，地基沉降已经完成。

图3 自重荷载作用下场地竖向应力场云图

由图3 可以看出，竖向应力体现出层状结构分布特征，竖向应力从上到下逐渐增大，符合岩体自重应力场的分布规律，且应力在采空区附近出现明显的应力跌落，可见采空区区域无法承受较大的应力荷载，这与文献[3]研究成果类似。

3.2.2 路堤稳定性分析

图4 路堤填筑应力位移云图

（1）第一主应力情况如图4（a）所示（云图中标记的值为采空区上部和下部对应应力的值），模型的应力呈层状结构分布，在采空区周围有部分应力集中表现，并以顶板中心为圆心呈弧状向地面范围延伸。最大主应力位于采空区顶部，其值为F1= 186.5kPa，该值比较接近该地区煤层的抗拉强度值。采空区顶部承受如此大的主拉应力，极易产生塑性破坏，造成采空区塌陷、路基失稳的后果。

（2）图4（b）为第三主应力云图，第三主应力即主压应力，由云图中可见，最大主压应力值较小，满足围岩抗压强度要求。

（3）结合图4（c）和图4（d）可知，路堤在填筑过程中最大的水平位移和最大沉降发生在第四系（黄土）土层，对应高速公路位置在路堤坡脚两侧，而两侧地面有隆起的趋势。说明路堤填筑过程中坡脚两侧的形变较大，两侧基土极不稳定。

（4）由图4（c）、图4（d）可知，最大水平位移为约3.6m，最大沉降4.9m，说明岩体系统的相对平衡状态被破坏，产生的变形量较大，需要采取相应的治理措施。

（5）路堤填筑过程中，图4（d）采空区顶部产生了49.5cm 左右的沉降，采空区下部会产生29.6cm 的沉降。说明采空区顶部承受较大的拉应力，很容易在该区域发生塑性破坏。综上所述，高填路堤可能出现的变形与失稳问题在数值模拟上基本得到反映，必须对采空区进行加固处理。

3.2.3 路堤边坡稳定性分析

图5 路堤边坡滑动面位置及安全系数图

采用Midas-GTS 内置的强度折减法对路堤边坡稳定性进行计算分析，路堤边坡安全系数Fs=1.76，满足路堤边坡稳定性要求。

3.3 注浆治理后数值模拟

本路段为高填路堤，路堤自身荷载大，沉降难控制，且空洞埋深较浅，项目采用注浆充填法处理采空区，并且对第四系（黄土）也相应的进行注浆处理。

3.3.1 自重条件下场地应力平衡

图6 自重条件下场地竖向应力云图

分析表明竖向应力仍体现出层状结构分布特征，竖向应力从上到下逐渐增大，应力在采空区附近应力跌落的趋势有所减缓但仍存在。

3.3.2 路堤稳定性分析

图7 路堤填筑应力位移云图

图8 注浆前后地表位移变化曲线

（1）从图7（a）、图7（b）可以看出，经注浆治理后，模型的采空区处没有受拉区域，减少了采空区附近发生塑性破坏的风险，说明从应力状态看，治理方案效果明显，采空区趋于稳定。

（2）结和图7（c）和图7（d），分析发现路堤在填筑过程中最大的水平位移和最大沉降仍发生在第四系（黄土）土层，其对应的高速公路位置为路堤两侧坡脚附近，说明两侧坡脚的形变控制需严格把关。工程中，应重视路堤填料的选取以及路堤填筑施工的质量，需对路堤填土充分压实，待路堤沉降稳定后再进行路面施工。原设计已通过放缓边坡、设置平台分摊荷载，可进一步在路基中加铺土工格栅控制差异沉降，增加路基的整体性[4]。

（3）注浆治理后，采空区范围水平、竖向位移量整体减少，采空区顶部与下部沉降差较治理前减少了40.2%。路基最大水平位移约为0.3m，施工期最大沉降为0.6m 左右。说明路基的变形得到有效抑制，稳定性有所提升。由图7（d）可知但路堤两侧地面仍存在隆起的趋势，基土仍可能出现塑性挤出，不利于路堤稳定。边坡外侧设置一定高度的反压护道是一种增强高填路堤稳定性的可行方案。

（4）图8 为注浆前后地表位移变化曲线，横坐标距离表示节点至路基中线的距离。治理前后的水平和竖直位移的峰值都在坡脚内侧出现，工程中应重视该位置的形变控制。注浆治理后，路基中部的地表水平位移及地表沉降变化不大，而坡脚水平位移及地表沉降明显减少，说明注浆治理有益于控制路基横向差异沉降。

3.3.3 路堤边坡稳定性分析

图8 路堤边坡滑动面位置及安全系数图

由计算结果可知，路堤边坡安全系数Fs=1.79，是满足路堤边坡稳定性要求的。通过注浆处治后路堤边坡安全系数也得到了提高。

4 结论

(1)针对煤矿采空区的复杂地形，高填路堤可能出现的变形与失稳问题在数值模拟上基本得到反映。采空区顶部承受较大拉应力，极易产生塑性破坏；最大水平位移和最大沉降位于第四系土层，对应路基的坡脚两侧，说明两侧基土极不稳定，有必要采取治理措施。

(2)采空区及第四系（黄土）进行注浆加固处理后，采空区顶部塑性破坏的风险和路基变形量得到控制，边坡稳定性也得到提升。

(3) 路堤在填筑过程中最大的水平位移和最大沉降发生在第四系（黄土）土层，对应高速公路位置在路堤坡脚两侧。鉴于此，应重视路堤填料的选取及路堤填筑施工的质量，确保路堤填土充分压实，沉降稳定后再进行路面施工。并在路基中加铺土工格栅控制差异沉降，增加路基的整体性。

（4）注浆治理后，路基两侧地面仍存在隆起的趋势，基土仍可能出现塑性挤出，不利于路堤稳定。边坡外侧设置一定高度的反压护道是一种增强高填

路堤稳定性的可行方案。