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浅谈城市道路下伏煤矿采空区的危害及治理办法

【关于循环经济的论文】摘要:城市道路下伏煤矿采空区的情况下,路基路面往往损坏较快,产生安全隐患,造成居民出行受阻,维修与重建频繁,浪费人力物力等后果。本文简要介绍了城市道路下伏煤矿采空区的危害及焦作市煤矿采空区治理情况,着重讲述了对城市道路下方采空区的治理方法和在城市道

摘要:城市道路下伏煤矿采空区的情况下,路基路面往往损坏较快,产生安全隐患,造成居民出行受阻,维修与重建频繁,浪费人力物力等后果。本文简要介绍了城市道路下伏煤矿采空区的危害及焦作市煤矿采空区治理情况,着重讲述了对城市道路下方采空区的治理方法和在城市道路建设的各个环节应该做的工作。

关键词:煤矿采空区;地表变形、沉降;新近采空区;老采空区
采煤会造成地下产生采空区,随着时间的推移,采空区上部岩层或土层在重力作用下,会产生冒落、弯曲、断裂等变形,导致地表呈现出沉降和变形,局部出现盆地。
采空区出现的连续或非连续性沉降和变形,对城市道路的危害主要有以下几点:
1) 采空区的失稳冒落,使地表剧烈变形,产生塌陷坑洞,导致行人失足跌伤或车辆陷入。
2) 路基沉陷,造成路基、路面局部开裂,使承载力下降,使用条件降低,或使路面低洼积水。对路堑来说,如果边坡上方存在采空区,极易造成滑坡,对于本来稳定性较差的路堤、陡坡路堤,如果路两侧存在采空区,严重时会产生整体滑坡。
3) 采空区沉降导致路面倾斜,并使路面坡度发生变化,致使行驶车辆重心偏移,在弯道处极易引发交通事故。地表水平变形和移动使路面受拉伸开裂、受压缩隆起,路面产生波浪起伏,可能导致行驶的车辆腾空,发生翻车事故。
4) 受采空区沉降变形影响,城市桥梁容易产生的病害有桩基、桥墩及桥台变形,拱桥上部结构断裂,基础下沉和横向位移等。桥梁承受变形的能力较小,产生变形后难以恢复。
5) 采空区的沉降对各种城市道路下地埋的市政工程管道(线)影响较大。主要是造成雨、污水管道系统渗漏或失效;热力、给水、燃气管道系统变形破坏;通讯和电力管线断裂。管道(线)受地表变形影响时,应力集中到局部位置,如果应力集中到管道(线)薄弱位置,管道(线)极易产生破坏。
另外,采空区沉降和变形也极易导致城市轻轨、地铁等基础交通设施产生破坏。
焦作市煤矿开采始于1894年,至今已有一百多年的历史。焦作煤矿区位于太行山东南侧山前倾斜平原上,总体上地势西北高,东南低,地面高程90~150m。区内原始地势起伏较小,因地下采煤,地表形成许多盆地,盆地边缘与中心处的高差可达8~9m。
经过一百多年的开采,焦作市出现了很多采空区,这些采空区分布在中站区、解放区、山阳区和马村区,其中中站区和马村区面积较大。截至2002年,焦作矿区现已采出煤炭2.35亿吨,形成的沉陷盆地共划分为13个沉陷区,焦东矿沉陷区在市区内,现已完成了综合治理;其余矿区采煤形成的采空区投影面积33.25平方公里,造成地面沉降盆地总面积为66.46平方公里,其中非稳定采空区面积合计19.89平方公里,直接影响中站、马村两区的城市建设。各矿区采空区面积、沉陷区面积和非稳定沉陷区面积、采煤沉陷率见下表。
焦作市域采煤沉陷区面积统计表


这些采空区地表沉降、变形在持续地进行中,在采空区范围内的城市道路普遍受到影响,近4年来,笔者在工作中留意到,中站区的新园路(焦晋高速―牧野路)、中南路(新园路―白马门河),解放区的解放西路(光华路―普济路)和马村区的待九路(解放路―焦辉路)使用寿命较短,重修频率较高。以新园路为例,2005-2006年间修建机动车道,06-07年曾对局部路段进行拓宽改建,加铺了非机动车道和人行道。2009年道路局部出现较大裂缝和坑槽,2010年机动车道局部沉降变形较大,形成波浪形路面,道路通行能力变小,行车安全性骤降,2011年9月对(中南路-光华路)段维修。出现这种情况的道路还很多,这些城市道路损坏速度较快的重要原因就是其下伏采空区的沉降和变形。
城市道路作为城市的“血管”,其畅通与否,直接影响到一座城市的活力。科学合理地处理采空区沉降变形问题,既能改善市容市貌,又能改善周围交通状况,方便市民出行,节约工程投资,还能促进经济的发展、加速沿线土地利用。所以有必要治理焦作市煤矿采空区特别是城市道路的下伏采空区。
焦作历史上是如何治理采空区的呢?经过笔者调查走访,总结一下几点:
1) 对大面积采空区,因地制宜,建设公园绿地,如焦作市森林公园、缝山针公园。
2) 对于沉降较完成地段,经地质勘测,灾害分析,得出可以进行地表建筑结论的,对基础处理,如打桩、强夯,然后进行地表的工程建设。
3) 绕避采空区,如中站区与解放区交接处,在上白作以西有一大片区域,该区由西南至西北穿新园路、璞玉路、光华路,北环路一直未打通,重要原因之一在于绕避采空区。
4) 难以绕避采空区的,城市道路建设时铺筑简易路面,这里所谓的简易路面,指路基路面结构较薄,有时只做路基,不做路面。这样的话一次性投入少,一旦地表沉降变形导致道路损坏,就重新铺筑。
上述治理办法存在很多问题:首先是技术含量低,缺乏调查研究和主动意识。往往在工程前期未作调查研究,当城市发展到一定程度需要在采空区建设道路时,未加治理仓促开工建设,导致建成后维护工作量大,翻修频繁。既浪费人力物力又降低了道路的经济效益。
针对目前焦作市城市道路下采空区治理技术空白的现状,笔者建议采取以下技术措施治理城市道路下伏采空区:
1) 正在开采的煤矿应避免在规划城市主干道或规划重要建筑物下开采。为减小开采区上部道路线路变形,开采的同时或开采后应尽量对采空区充填,如水砂充填、矸石充填等。
2) 新近采空区的上部覆岩或覆土层基本处于稳定状态,有条件进行水砂或矸石充填、灌注柱支撑(见下⑦)、干砌片石支撑(见下⑧)、开挖回填(见下③)的,应尽量采取这些措施。
3) 采取措施释放老采空区的沉降潜力,即在采空区地表未利用前,采用强制性措施加速老采空区覆岩沉陷过程,清除对地表安全有较大威胁的地下空洞,经过一定时间的沉降,沉降速度变得较小,再在地表进行工程建设。常用的方法有以下几种:①高强度强夯法,应用原理为利用夯击使浅部采动裂隙、离层裂缝和破碎层压实。这种方法处理深度一般为0~10m,适用于城市次干道、支路的采空区治理。②堆载预压法,应用原理为在采空区上部堆放砂石或块石等,加快地基沉降速度,将破碎地基压实。这种方法要求堆载在地基中产生的有效应力大于建筑物产生的附加应力。本方法适用于处理面积较小的地段。③开挖回填法,应用原理为从地表开挖直至煤窑洞部,回填夯实。这种方法适用于埋深浅,空洞上方不存在坚硬岩层处。方法简单、质量易控制,但造价高,不实用。④设置网格板垫层,基础设网格梁+钢筋混凝土板,变为整体受力结构,这种方法处理局部塌陷,效果较好。⑤桩基础,应用原来是将预制桩打入地下或在地下灌注钢筋砼桩,使之穿过采空区,桩末端坐落于稳定的底板岩层上,如果覆岩坚硬,则预制桩打入困难,工期长,费用高。⑥注浆充填法,应用原来是以水泥类、黏土类或黄土类浆液充填采空区空洞和冒落裂缝,这种方法施工工艺简单,但材料消耗大,费用较高。⑦灌注柱支撑法,应用原理是以砂石料和水泥浆液在空洞顶板间形成柱体,以桩基形式支撑顶板,这种方法材料用量少,桩身强度高,桩间距设计灵活,但施工工艺复杂,工时多,技术难度大。⑧干(浆)砌片石支撑法,利用人工在开采后的空洞内砌筑片石或料石,支撑顶板,适用于空洞较大、埋深小、通风良好,具备人工作业,材料运输等条件的采空区。⑨浅层加固+深层注浆,浅层0~10m强夯法治理,较深层注浆处理,这种方法适用于急倾斜煤层采空区(倾角 )。
除了应用上述方法对采空区进行治理外,我们还应加强对采空区城市道路建设各个环节的认识,提高对采空区沉降变形的观测、调查和研究力度,以期在城市道路建设中取得比较科学、经济、合理的采空区治理办法。
1) 在城市路网规划阶段,尽量避免城市主干道穿越采空区特别是新近采空区。必须穿越时,尽量选择道路沿线沉降完成量大,穿越距离最小的方案。这就需要在规划阶段对采空区地质、水文、沉陷历史、地表位移及地表构筑物情况等进行调查、勘测、研究,收集采矿历史资料,经分析、评价、对比,最终确定道路中线及红线位置。
2) 在道路中线和红线确定后,建议规划、城建等部门共同组织技术人员对道路沿线采空区的变形进行观测记录,为后期工程建设提供必要的基础资料,指导工程设计施工工作,缩短工期。比如长江岩土总公司地质分公司受委托组织相关技术人员,对南水北调中线工程在焦作煤矿采空区范围内地表变形沉降进行观测,从2003年9月到2004年11月,经过14个月的观测,获取大量地表变形沉降技术数据,并撰写了《南水北调中线焦作煤矿采空区地表变形特征》,为南水北调中线工程焦作段的设计、施工提供了宝贵的技术资料。
在这一阶段,应尽可能采取措施加快采空区的沉降速度,比如采用堆载预压法,开挖回填等措施。
3) 在工程方案、可行性研究阶段,在分析、研究前期调查的资料后,尽可能多地提出一些可行的采空区治理方案,并做经济、技术比较,推荐较为可行的,既经济又合理的处理方案。
4) 在勘察、设计阶段,目前,关于采空区的勘察,现行规范《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》和《公路工程地质勘查规范(JTJ064-98)》对其一般性原则作了规定。勘察阶段应按照上述规范要求,做好勘察工作。设计人员在设计前期,应深入现场踏勘,复核规划、方案、可研阶段的资料,以国家现行道路工程技术规范和勘察资料等为依据,深入细致地把设计工作做好。
设计路基路面结构时,应采取适当措施吸收地基变形,比如对于水泥混凝土路面结构,设置变形缝,吸收地基变形。也可以采取路基加筋技术,提高抗变形能力及稳定性。比如采用土工织物加固路基,可以提高路基整体稳定性,减少路基不均匀沉降。这种方法施工工艺简单,质量容易控制。
设计市政管线时,对管径较大或压力流管道如雨、污水管道或热力管道应设置刚性基础,并用变形缝分离,使管道抵抗变形能力较大,不易损坏。对于小管径管道(线)如电力、通讯管线,其基础可以设计成柔性基础,使其能够随着地基的变形而变形,在一定程度内不会被破坏。
5) 施工阶段,对采空区的治理应按照《岩土工程验收和质量评定标准(YB9010-98)》、《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(SL62-94)》及《城镇道路工程与质量验收规范(CJJ1-2008)》等现行规范做好质量监控、检测工作。
6) 通车后的维护,按照《城市道路养护技术规范(CJJ36-2006)》定期进行检查,根据路基路面结构损坏情况,对道路进行维修和护理。发现因地表变形沉降引起路基路面病害严重时,应对路基进行处理,然后重新铺筑。
参考文献:
[1] 中国科学院地理科学与资源研究所区域与城市规划设计研究中心.焦作市域总体规划.2002年.
[2] 赵?F,蔡耀军,郭伟等.南水北调中线焦作煤矿采空区地表变形特征. 湖北省武汉市:人民长江,2007年9月.
[3] 河南高速公路发展有限责任公司,河南省地球物理工程勘察院.高速公路下伏采空区治理工程―勘察设计、施工、监理.北京:人民交通出版社,2008年7月.
[4] 童立元,刘松玉,邱钰.《高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术》.南京:东南大学出版社,2006年8月.
[5] 栾原重.采动桥梁变形分析.唐山:矿山测量,2001.
[6] 孙家驷.道路勘测设计.北京:人民交通出版社,2005年6月.
[7] 北京市市政设计研究院.城市道路设计规范.北京:中国建筑工业出版社,1991年10月.
注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

 
 
 
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