高速公路采空区地面变形计算及处理措施

高速公路采空区地面变形计算及处理措施

摘要：本文主要针对高速公路采空区地面变形问题进行分析，提出了高速公路采空区地面变形的计算方法，以期能够为高速公路采空区的地面变形计算问题提供参考，提升高速公路建设的效果，同时对高速公路采空区地面变形计算的处理措施进行了深入研究。

关键词：高速公路；采空区；地面变形；计算

一、前言

随着我国高速公路数目的增多，高速公路采空区的地面变形计算也显得更加重要，只有做好了采空区的地面变形计算，才能够提升采空区的施工水平和建设质量。

二、采空区介绍

采空区，主要分为小型采空区以及大面积采空。在这我们主要讨论的是小型也就是浅层采空。

小型采空区也称为人为坑洞，是人们为了各种目的在地下挖掘后遗留下来的洞穴，它一般是手工，采空范围较窄，开采深度较浅，无规则，少支撑。小型采空区又分为掏煤洞、掏砂洞、掏金洞、坎儿井，在贵州西部的高速公路勘察设计中，主要以掏煤洞这种小型的采空是最为常见的，这类小采空区它们一般主要有以下一些特点：分布于埋藏浅且易于开采的含煤地层中，主要形状以平洞及斜井为主，煤洞长，多有岔洞，洞门处有简单支护，洞口多有弃渣堆砌的痕迹，且遇见地下水后就停止挖掘，由于采空设备有限，采空范围狭窄，多呈巷道式，不会产生移动盆地，但因为开采深度较浅，又任其坍落，底边变化较剧烈，主要的一些变形类型有地表塌陷和开裂等，地表裂缝的分布常常与开采工作面方向平行，且随开采面的推进而不断向前发展，除极浅的采空区外，裂缝一般上宽下窄，且无显著位移。

三、采空区地表移动监测网的设计

1、公路的采动响应性能分析

由于开采沉陷，采空区地表将产生2种移动和3种变形：垂直下沉、水平移动、倾斜、曲率与水平变形。采动移动与变形将导致道路工程在通过采空塌陷区时可能会发生路基路面病害、桥梁或隧道病害等，如路基的过量沉陷或差异沉陷导致的开裂、路基坡度的变化，水平移动与变形导致的路基压缩或拉伸引起坡度、竖曲线现状改变和沿路线方向的改变，地表倾斜和水平变形对路基稳定性的影响等。

根据铁路下采煤研究结果，路线发生突然的、局部的沉陷，危害较大，而大

范围连续渐变整体下沉的过程危害较小；路基在下沉过程中，一般不会产生松动、脱层等病害；对铁路路基影响最大的是水平移动与变形。高速公路有类似特点，但因其路基路面调整变形能力相对铁路要差，因此沉陷量也是一个重要因素，目前，采空区稳定性评价多采用垂直下沉、水平变形、倾斜、曲率4个指标。

当工作面远离路基时，采动对路基的变形与稳定性没有影响。随着工作面的推进，路基下沉速度逐渐加大。工作面越过路线之后，路基的下沉速度达到最大值。然后随着工作面的继续远离，下沉速度逐渐减小，直至路基基本稳定。

2、监测内容及范围

采空区监测一般只进行地表下沉与水平位移监测，必要时可增加其他监测项目。观测线的长度需大于变形区的范围。在确定测线长度时，一般根据各个矿区的沉陷参数进行确定。

3、测点的布设

测点包括工作基点、校核基点、观测点。工作基点必须设在变形区外，采用预制混凝土桩或废弃的钻探用无缝钢管，保证基桩的基准性和长期性。校核基点用来检核工作基点稳定性，必须布设在变形区以外稳定的地方。控制点必须用无缝钢管或预制混凝土板制作，并长期校核工作基点。结合采空区与路线的相对位置，以5—20rn不等间距布设测点，在采空区影响范围外布设水准基点，监测点采用混凝土监测墩。埋设测点时，在标定的地点埋设混凝土观测墩，且埋深应在冻土以下0．5ITI左右，测点应埋设在观测线上，且彼此平行。混凝土观测墩形状为棱台形，顶面，底面均为正方形，顶面尺寸为20CITIx20CITI，底面尺寸为25CITI×25cm，高45cm，墩内埋设20cm长，刻有“十”标记的钢筋，钢筋直径10～15mm，钢筋露出棱台0．5cm。

4、监测周期

观测频率应与地表下沉和水平移动速率相一致，当地表下沉和水平移动速率较小时，观测频率适当放宽；但地表下沉和水平移动速率较大时，则应加强观测，一般每隔1—3个月观测1次。一般在埋点10～15d，测点固结后进行工作基点与校核点之间的首次观测，然后再进行工作基点与观测点之间的首次观测，初始值必须进行2次观测，且2次差值小才能当初值。

四、采空区治理措施

根据研究，采空区的治理技术分两种：构筑物抗变形措施和路基下采空区治理措施。

国外老采空区处理措施主要包括全部充填采空区支撑覆岩、采用注浆法或深桩基局部支撑覆岩、开挖回填法、片石回填法等，其中以注浆法为主。

高速公路工程有其自身特点与要求，如公路工程为线形条带状工程；路堤属于柔性基础承受路身荷载；不均匀沉降量容易造成路基、路面结构开裂等。考虑高速公路工程的特点与要求，选择原则和技术规范有区别。

1.高速公路路基采空区处理可以分四类解决方法

第一类是针对路堤采取措施，按照柔性原则、刚性原则或综合措施提高路堤抗变形能力；第二类是桥跨或板跨法通过采空区，此法造价较高，较少采用；第三类是释放采空区沉降潜力，可以采用爆破法，堆载预压法，或高能级强夯法，水诱导沉降法等，主要是针对浅部采空区；第四类是针对采空区进行加固处理，可细分为全充填注浆加固法，或注浆加固采空区围岩结构或局部支撑加固法，因其安全性较高，工程造价相对较低，故国内外常采用此法来处理采空区。

（一）采空区加固机理的分类

（1）支撑式加固法。与煤柱支撑式开采的原理相同，包括注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱等。

（2）充填式加固法。用外来材料充填采空区，承担起原来煤层作为受压层的功能，分全充填和局部充填两种情况。当洞内具备人工施工条件时，可采用干砌或浆砌片石充填，否则，可以通过钻孔灌入水泥浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰浆、水泥粘性土浆及其它材料的拌合浆，充填整个采空区及其上部采用裂隙，彻底消除隐患。

（3）围岩结构加固法。注浆固采空区上部岩体破裂或弯曲变形带，使之成为一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗采空区塌陷向上的发展，使地表只产生相对均衡的沉降。

（二）采空区治理常用三种方法的对比：

（1）爆破强夯法

爆破强夯法即是对采空区地段路基范围内的采空顶板进行钻孔，采用放炮让其下沉填充采空区间后强夯的一种施工方法。虽然该施工方法可满足施工要求，但采空区内煤柱不规则，爆破时可能出现：顶板表层松动，下层未动，达不到填充的目的；顶层未松动，下层松动，上部顶层施工难度大，且危险。强夯层较厚，极难达到理想效果，从而影响工程质量。

（2）开挖回填法

开挖回填法即是对采空区顶板采用先开挖后回填，施工循环一次时间较长，施工难度较大，不能满足业主总工期要求。

（3）充填灌浆法