K19+750韩家畔大桥附近采空区补充勘察说明|路桥工程 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

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工程师

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2010-10-23

一、前言
通过地调和走访当地居民，榆绥高速公路施工图设计路线K19+500~ +900段韩家畔村附近存在小煤窑采空区，规模较小。根据调查，韩家畔废弃小煤窑为私人开采性质的煤窑，主要为当地村民个人行为，开采时间超过60年，在当地国土和矿管部门无备案资料。
二、采空区勘察工作概况
初、详勘阶段在韩家畔桥基勘察工作中，发现煤层采空现象。2009年10月底在采空区布设浅层地震反射勘探剖面5条/1685.5m，地震折射剖面5条/1393.5m，以及验证性钻孔2个/46.5m，基本查明了采空区的分布范围。2010年3月，为进一步查明采空区范围，检验物探解译结果，优化设计，保证施工、运营安全，勘察单位对该采空区进行了补充勘察，对拟建桥梁桩基进行了逐桩钻探，共计完成钻孔29个/1021.9m。采空区完成工作量情况详见“韩家畔大桥采空区勘察工作量一览表”（表1）和“勘探点一览表”（表2）。
韩家畔大桥采空区勘察工作量一览表表1

勘察项目	单位	工作量	备注
调绘	Km²	0.12	1：1000
浅层地震勘探剖面	m/条	1685.5/5（反射） 1393.5/5（折射）	2009年10月：物探工作量
反射波法	炮数/物理点	375/27704
物探测量	m/条	1747/5
钻探	m/孔	1168.00/34	2010年3月：1021.9m/29孔 2009年10月：46.5m/2孔利用初、详勘钻孔：99.6m/3孔
测量	点	42	包括巷道走向测点8个
岩石试验	件	30	饱和抗压强度
影像	张/日	20/3	照片

三、采空区现状
从震探解释剖面可以看出，本地段煤层分布在地下20~45米深度左右，共存在8个可疑采空区影响带(能量衰减较快)，埋深均在20m以下，规模较小。地调也未发现本区有明显的地表沉陷和裂缝现象。
本次勘察进行了采煤巷道的进洞勘察，对主巷道进行了测量定位，并绘制了主巷道的走向图（详见工程地质平面图）。根据调查，该煤窑主巷道洞口位于路线K19+836右侧65米，洞口截面约3.5×3米，巷道内部截面宽约1.5~2.0m，高1.3~1.5m，局部高度达3.0m，顶板有塌落痕迹，巷道坡度向下约3~5°，巷道内洼地有积水现象，积水深度最深达1m。勘察认为煤窑采取不出渣采掘方式，沿主巷道向两侧不规则采掘，采掘后局部以碎、块石填充支护。
经过勘察，查明了本区煤层及采空区分布情况。韩家畔大桥桥址区煤层标高约为1049~1052米附近,厚约0.5~0.8m,与K16青云煤矿煤层基本位于同一标高，煤质稍差，含少量煤矸石，与走访当地居民所了解的情况基本一致。煤层顶板主要为侏罗系中统延安组厚层状中风化砂岩，厚度约15~20m,该组砂岩结构稳定,节理裂隙稍发育，完整性稍差，平均饱和抗压强度约18MPa。
四、地质构造
勘察区整体上位于鄂尔多斯断块伊陕斜坡区，中、新生代以来，地壳一直处于相对稳定和振荡性升降的状态，区内褶皱、断层不发育，地震活动轻微，地壳属于相对稳定的构造区。岩层产状总体较平缓，岩层倾角2°~5°左右，采空区调绘和勘探均未发现断裂构造。
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《陕西省一般建设工程地震动参数表》，采空区地震动峰值加速度a<0.05g，反应谱特征周期T=0.35S。
五、采空区对工程影响评价
1、定性评价
施工图路线在本段以路基和大桥的形式通过，其中路基段长度为85m，大桥全长为366m，原布设桥梁基础长度约15~17m，该桥上部结构拟采用预应力混凝土连续箱梁，下部结构为柱式墩、肋板台、桩基础。采空区煤矿顶板与路基之间覆盖层厚度约20~45米。
国内外采矿经验认为，在采深与采厚比小于40（即H/M<40）的情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形和沉陷在时间和空间上都有明显的不连续特征，采空塌陷区上方的地表带会逐步形成裂缝和塌陷坑。（据《煤矿开采沉陷学》）,本采空区采深与采厚比约为33~45，部分区域采厚比小于40，路段存在地表变形的可能。
经钻探发现韩家畔大桥1#、4#、5#、6#桥墩下部有采空空洞或块石回填情况，桥梁建设增加顶板荷载，有可能诱发地表变形。
2、定量评价
目前定量评价采空区稳定性的方法主要有两种，一种是《煤矿开采沉陷学》推荐的煤柱和底板强度验算方法，该方法认为由于煤体的开挖，破坏了岩体中原有的力学平衡，原由被挖出的煤体承受的荷载被转移到煤柱上，进而传递到底板上。煤柱的安全性就是验算煤柱强度是否能承受住作用在煤柱上的荷载，底板的安全性则是验算底板是否有足够的强度来承受煤柱传递来的应力，此种方法较适宜验算较大型采空区的稳定性问题。本采空区为小煤窑开采而成，规模较小，据当地居民介绍，采空区中无预留煤柱。
另一种方法为《工程地质手册》（第四版）建议引入临界开采深度法来判定采空区顶板的安全性。该方法考虑采空区在上方岩土体重力作用、地面荷载作用下产生下沉，两边岩体则施以摩擦力阻止该岩体的下沉。计算模型见图1。本次采空区稳定性定量评价采用此种方法进行计算分析。

图1 临界开采深度计算模型
因小煤窑规模较小，巷道宽度根据当地居民介绍取2.0m；建筑物基底单位压力本采空区应为高速公路的施工或运营荷载，本次计算取200 KN/ m²；岩体内摩擦角参考榆神高速采空区的中侏罗系砂岩值，取40^o。计算公式和结果详见“韩家畔采空区稳定性计算表”（表3）
韩家畔采空区稳定性计算表表3

公式： H₀={Bγ+[B²γ²+4BγP_Otgφtg²(45°-φ/2)]^1/2}÷[2γtgφtg²(45°-φ/2)]
巷道宽度	岩体重度	建筑物基底单位压力	岩体内摩擦角	基底以下岩体临界深度	评价
B	γ	P_O	φ	H_O
m	KN/m³	KN	°	m
2	20.00	200.00	40.00	17.3	①H＜H_O,稳定性差； ②H_O＜H＜1.5H_O,稳定性较差； ③H＞1.5H_O稳定。

本采空区路基段采厚比大于40，且采空区上方岩体厚度大于1.5H₀，路基段稳定性好；采空区拟建桥址区上方岩体厚度约17~45m（段落稳定性判定详见韩家畔煤层采空区分段稳定性评价统计表表4），其中K19+500~+790、K19+860~+890段顶板岩体覆盖厚度大于1.5倍临界开采深度，K19+790~+860段顶板岩体覆盖厚度小于1.5倍临界开采深度，计算结果说明该桥址区4#、6#号墩稳定性较差，对桥梁施工及运营构成威胁。

韩家畔煤层采空区分段稳定性评价统计表表4

序号	段落范围	构筑物	岩体覆盖厚度（m）	1.5 H_O（m）	稳定性
1	K19+600～+720	路基	>35	26	稳定
2	K19+720～+730	0#桥台	34	26	稳定
3	K19+730～+750	1#桥墩	33.7	26	稳定
4	K19+750～+770	2#桥墩	31.2	26	稳定
5	K19+770～+790	3#桥墩	27.5	26	稳定
6	K19+790～+820	4#桥墩	17.7	26	稳定性较差
7	K19+820～+860	6#桥墩	21.4	26	稳定性较差
8	K19+860～+890	8#桥墩	>26	26	稳定

六、结论

1、根据调绘和勘探资料分析，本采空区规模较小，开采煤层厚约0.5~0.8m，采空区顶板距高速公路路基约20~45m，调查未发现地表沉陷和裂缝现象。

2、采空区地震、新构造运动不发育，岩层产状总体较平缓，地震动峰值加速度a<0.05g，反应谱特征周期T=0.35S。

3、采空区对该范围内的路基工程无影响。

4、K19+790~+860段顶板岩体覆盖厚度小于1.5倍临界开采深度，稳定性较差，采空区对韩家畔大桥桥梁工程稳定性有影响，应进行治理。

七、治理措施建议

1、建议封闭洞口，严禁继续私掘乱挖；对路线宽度40m范围内的主巷道段采用块片石充填。

2、韩家畔大桥跨越该采空区，其中5#墩离主巷道很近，建议取消该桥5#、7#墩，改为40m梁跨越。

3、韩家畔大桥1#、4#、6#墩下部有空洞或采空回填物，建议延长桩长，穿透采空区5~8m，置于承载力较好的中风化砂岩层中。

4、为防止煤层采空区顶板坍塌，建议对桥址区1#至6#桥墩地表至煤层上方3~5米范围内进行注浆加固，提高顶板强度。

5、加强桥梁施工和运营期采空区变形的监测，及时掌控地表变形情况。