采空区建筑地基的稳定性分析和施工处理方法

摘要：结合工作实践，探讨了采空区建筑地基的稳定性分析方法及工程实践中对采空区的常用处理方法，对采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有重要的理论和实际运用价值。

关键词：采空区，建筑地基，稳定性分析，施工处理方法

在过去几十年中，我国中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了巨大贡献。但由于煤炭资源的开采，在中西部地区的一些老能源基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区，导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲，使岩体力学强度降低，造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。

随着西部大开发战略和基础建设的加速实施，以及小城镇建设的不断发展，可供建筑的地面严重不足，一些地区的公路、铁路、厂房、住宅楼等不得不穿越或建立在老采空区上方。在这些静荷载或动荷载作用下，有可能使原本处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新“活化”，使冒裂带岩体再压密、地下残留空洞再冒落，导致地表产生附加移动和变形，进而使新建建筑物沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。因此，开展对老采空区建筑地基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作，对老采空区建筑地基的处理、采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际运用价值。

1、采空区建筑物地基的稳定性分析

老采空区建筑地基的危害程度及稳定性评价在国内外都属于一个较新的课题。在老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。目前，我国的相关分析方法有以下三种。

1.1　力平衡分析法[1]

如图1所示，矿层采空后其顶板岩块ABCD因重力W的作用而下沉，两边的楔体ABM和CDN也对其施加水平压力P。因此，在AB和CD两个面上又受到因P的作用而产生的摩阻力f的抵抗。现取采空段(巷道)单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板的压力为:

                      Q=W-2f                                    （1）

                       W=B Hγ。

                f=Ptanφ=γH2(45°-)                     （2）

                  P=tan2(45°-)                         （3）

式中:Q———巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m；

     W———巷道单位长度顶板上所受的总重力，kN/m；

     P———楔体ABM和CDN作用在AB和CD面上的主压应力的最大值，kN/m；

     f———巷道单位长度侧壁的摩阻力，kN/m；

     H———巷道顶板的埋藏深度，m；

     B———巷道宽度，m；

φ———岩层的内摩擦角，(°)。

当建筑物建在采空区上时(设建筑物基底单位压力为P0)，根据力平衡分析，有:

                  Q=W+B P0-2 f                                 (4)

即:Q=W+B P0-2 f 

    =γH[B-Htanφtan2(45°-)]+B P0                                                    (5)

当H增大至某一深度，使顶板岩层恰好保持自然平衡状态(即Q=0)，此时的H称为临界深度H0，可得临界深度的计算公式:

H0=                      (6)

当H1.2　附加应力法[2]

  附加应力法是以建筑物荷载影响深度与采空区冒落裂隙带发育高度是否重叠来确定建筑物层数、判断采空区地基稳定性的方法。

冒落裂隙带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在三种情况，其中建筑物荷载影响深度是由地基产生的附加应力决定，即当地基中附加应力σz=0.1σc(σc为自重应力)时，把此时的深度z作为建筑物荷载影响深度。

1)当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面之间有一定的距离时，这种情况不会影响冒落裂隙带的稳定性；

2)当建筑物荷载影响深度与冒落裂隙带顶界面正好接触时，在这种情况下建筑物荷载为临界荷载；

3)当建筑物荷载影响深度进入冒落裂隙带内时，这种情况建筑物荷载会影响冒落裂隙带的稳定性，建筑物会受到较大不均匀沉降的影响。

该方法难以考虑上覆岩层复杂的地质构造条件及冒落裂隙带的后期变化，而且也只能算作一种定性分析方法。

1.3　数值分析法[3-5]

国外学者在20世纪80年代后期运用有限元和边界元法研究采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度、覆岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度等。20世纪末国内学者康建荣运用相似材料模拟和离散元法研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适用于任意形状、多工作面、多开采线段的开采沉陷预计系统。

这些研究成果为进一步研究老采空区在建筑物荷载作用下的地基稳定性问题奠定了基础。常江以弹塑性理论为依据，将老采空区地层概化为一个连续介质和碎裂介质的耦合体，运用有限元法分析了不同覆岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响。

老采空区建筑地基稳定性的力学分析是一个极其复杂的问题。它不仅和开采煤层的厚度、倾角、埋深、上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态、场地地形地貌、地质构造、水文地质条件以及煤矿开采方法、开采面积、开采次数、顶板管理方法等地质采矿条件有关，而且也和新建建筑物荷载的大小、位置、基础类型等密切相关。

2　采空区的处理

2.1　采空区埋深较小时的处理

对于埋深较小的采空区，一般可选用以下方法进行处理[6-8]:

1)对于埋深很小的采空区，可采用从地表开挖，一直挖至采空区，然后分层回填夯实。该方法工艺简单，操作简便，施工质量容易检查和控制。

2)开挖后用浆切片(或干切片)分层砌筑、填塞，上面加盖钢筋混凝土盖板。

3)开挖后，用碎石充填后灌注水泥砂浆。

4)高能量强夯法处理采空区上方松散地基。当采空区埋深较浅，而上方为松散地基且厚度较大时，可采用高能量强夯处理松散破碎岩体，提高松散破碎岩体的地基承载力。

2.2　采空区埋深较大时的处理

采空区埋深较大时常用的处理方法主要有[7-9]以下五种:

1)充填注浆法。

    注浆技术是一项实用性强、应用广泛的工程技术。它的实质是在地面钻孔至老采空区，采用液压、气压或电化学方法，将采空区所有空洞和覆岩裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的浆液全部充填和加固，使整个采空区恢复为接近原始岩体状态，彻底消除采动破碎岩体的移动变形空间。为了避免浆液流至地基控制边界以外，需要在地基以外的控制边界处钻孔至采空区，再灌粗骨料填充，注浆固结，以封堵住采空区两端。

2)覆岩结构加固补强法。

采用注浆加固技术对上覆岩层结构进行结构补强，增强覆岩结构的长期稳定性。其具体做法是从地面打钻孔，然后压力灌浆，使浆液渗入岩层裂隙，并胶结而使破碎岩体形成一强度高、刚度大，类似于“大板结构”的完整岩体，达到类似于跨越的目的和避免地表塌陷的发生。这种方法具有工程量小、工程费用低、岩体结构稳定、效果好等显著特点，实践表明效果良好。

3)灌注桩法。

在采空区上方地表布置大直径钻孔，注入填料和浆液，用浆液固结填料和破碎岩体，在岩层中形成灌注柱，承受上方建筑荷载。

4)设计高架桥跨越采空区。

当采空区分布面积过大，充填注浆法造价过高时，可考虑采用高架桥跨越采空区，或者采用处理与高架桥结合的方法处理采空区。

5)综合治理方法。

根据实际工程情况，结合以上两种或两种以上的方法处理采空区。

3　结语

采空区岩体的稳定性一直是地表建筑物安全的隐患，采空区建筑物地基的稳定性分析对其处理具有相当大的指导作用。在实际工程中需从建筑地基的稳定性分析入手，结合实际情况，选取技术上可行，经济上有利的最佳处理方法。