1、极限平衡法在平兴高速公路巷道采空区稳定性分析中的应用摘要：本文依托平兴高速公路工程实例，介绍了极限平衡法在平兴高速公路巷道采空区稳定性分析中的应用，以期为今后类似的工程地质勘察提供有益的借鉴。 关键词： 巷道采空区；极限平衡法；稳定性分析；应用 中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 济南至广州国家高速公路平远（赣粤界）至兴宁段工程勘察设计 C2合同段起点位于平远县与兴宁县界附近，起点里程为 K1623+720，终点里程 K1674+830,全长 51.11km。总体呈南北走向。经过野外调查及走访，发现沿线分布较多人工采煤废弃的矿洞所形成的小的巷道、采空区，其中与
2、本项目线路相关的采空区均为单一巷道采空区，这类采空区在我国南方地区分布较为普遍，采空区的开采深度及巷道开采规模一般不大，其场地稳定性分析评价主要是巷道顶板的稳定性评价。本文依托平兴高速公路工程实例，介绍了极限平衡法在平兴高速公路巷道采空区稳定性分析中的应用。 2 巷道采空区的勘察成果及特征 根据调查资料，梅州市兴南煤矿位于路线左侧，规划矿区边界与路线局部相交，路线未经过兴南煤矿主矿区，煤矿主采空区对路线无影响。线路所经局部边界范围分布私采小煤窑，均已废弃，呈随机性零散分布，部分煤窑未挖遇煤，巷道进口区局部可见地面塌陷现象，规模较小，采煤巷道为平洞及斜井。根据煤矿开采时间、规模等，本项目与线路相
3、关的采空区可定性为单一巷道采空区。 针对项目采空区为单一巷道采空区的特点，项目勘察采用了地质调绘、RTK 测量（洞口坐标及高程精确测量） 、钻探、物探（地震反射波法） 、原位测试（标准贯入试验、重型动力触探试验） 、取样试验等综合勘察手段，详细查明了巷道采空区的分布范围、规模及其与路线的关系，同时获得了计算其顶板稳定性所需的顶板岩土层物理力学参数。 根据综合勘察成果，与线路相关的巷道采空区共计 23 处，编号分别为 L0、L1L19、L2、K5101、K5117。部分小煤窑巷道采空区洞口图1、2，部分巷道采空区调查特征表见表 1。 巷道采空区调查特征表表 1 图 1 L1 小煤窑巷道采空区洞口
4、 图 2 L6 小煤窑巷道采空区洞口 3 现阶段采空区的稳定性评价的方法 对采空区的稳定性评价应采用定性和定量评价相结合的原则。现阶段对采空区的场地稳定性评价主要可分为如下几种： （1）开采条件判别法：该方法为一种定性的分析方法；适用于巷柱式采空区、不规则房柱式采空区及其他难以进行地表移动变形计算的采空区场地稳定性分析；在有工程经验的地区，也可按工程类比法进行场地稳定性评价； （2）地表移动变形预计法（概率积分法）：为定量分析方法的一种；适用于长壁式开采或条带式或房柱式开采的采空区场地稳定性评价。包括有典型曲线法、剖面函数法、负指数函数法及概率积分法等，其中概率积分法是应用较广泛的一种； （3
5、）地表移动变形观测法：为定量分析方法的一种；适用于长壁式或条带式开采的采空区场地稳定性评价，可与概率积分法结合使用； （4）极限平衡分析法：为定量分析方法的一种；适用于开采范围较小，上覆岩层可形成冒落拱的近水平单一巷道采空区； （5）数值模拟法：为定量分析方法的一种；适用于多层采空区，以及桥梁基础、隧道等重要工程穿越或压覆采空区等复杂情况下的采空区场地稳定性评价，可作为一种比较和参考的方法。 其它如厚跨比法、坍塌冒落法也是较为简单直观的稳定性分析方法。对于单一巷道式采空区，其开采深度及巷道空间尺寸一般不大，其场地稳定性主要可以评价巷道顶板稳定性问题。对于近水平的单一巷道采空区，一般可用极限平衡
6、分析法计算顶板临界深度及顶板稳定系数。结合平兴高速项目采空区的特点，同时考虑巷道采空区主要位于强风化岩层中，覆盖层可按松散岩体考虑，通过对比分析，最终采用极限平衡分析法进行采空区稳定性计算分析。 4 极限平衡法 极限平衡法是一种根据刚体极限平衡理论评价采空区场地稳定性的方法，对于单一巷道采空区当顶板岩层节理发育或被裂隙贯通时，上覆岩层可形成冒落拱，采用极限平衡法计算出维持巷道顶板稳定的临界深度。其计算公式及判定判定等级如下： 1）临界深度（H0）计算确定 临界深度（H0）按下式进行计算； 式中：H0临界深度（m） P0公路路基基底单位压力，包括行车荷载及路基、路面荷载（kPa） B采空区巷道宽
7、度（m） ； 上覆岩层加权平均重度（kN/m3） 上覆岩层的加权平均内摩擦角（） 2）顶板及地基稳定性评价 （1）当 HH0 时，顶板及地基不稳定； （2）当 H0H1.5H0 时，顶板及地基欠稳定性； （3）当 1.5H0H2H0 时，顶板及地基基本稳定； （4）当 H2H0 时，顶板及地基稳定。 5 巷道采空区顶板稳定性评价 各巷道采空区顶板稳定性计算及评价成果见表 2： 巷道采空区顶板稳定性计算及评价表表 2 下面以 L7 号巷道采空区为例介绍一下本项目顶板稳定性验算过程。 图 3L7 巷道采空区平面位置图 根据勘察成果 L7 号巷道采空区为平洞，巷道方位角为 180 度，延伸长为 12
8、0m，尺寸（宽高）为 1.51.8m，其顶板岩性为强风化砂岩。 图 4 L7 巷道采空区断面示意图 由于其顶板岩性为强风化砂岩，根据临近钻孔岩土层试验结果结合工程实践经验综合确定其上覆岩层加权平均重度 为 20 kN/m3，上覆岩层的加权平均内摩擦角 为 33 。 建议设计取最不利荷载、顶板最小厚度并考虑排水不畅地基岩土遇水软化等情况，进行稳定性验算，如上图所示，其最不利点填高为15.07m，根据设计要求，考虑行车荷载及路基、路面荷载，计算 P0 为326 kPa。所以根据上述公式计算 H0 为 15.87m，而其顶板厚度 H 最小仅为 0.5m，HH0，顶板及地基极不稳定。 6 结语 （1）
9、平兴高速公路应用极限平衡法对各单一巷道采空区进行了顶板稳定性计算分析，并对巷道采空区对公路工程地基稳定的影响作出了定量评价，取得了较好效果，其评价建议均为设计所采纳。 （2）对于公路工程下伏采空区的稳定性评价应根据所涉及采空区的特征采用适宜的计算评价方法。极限平衡法在公路采空区的稳定性评价研究中应用较广，尤其是对于开采面积小，且近水平的单一巷道采空区而言，该方法具有简单方便的特点。 （3）该方法计算的关键在于对各计算参数的选取，巷道的空间形态、断面、埋藏深度、上覆岩层性质及物理力学指标等计算参数应根据勘察成果合理确定。 参考文献 1 济南至广州国家高速公路平远 (赣粤界)至兴宁段第 C2 设计
10、合同段施工图设计阶段工程地质总说明.广州:广东省公路勘察规划设计院有限公司,2011. 2 林少忠.平兴高速公路巷道采空区的特征及评价。西北大学学报（自然科学版） ，2011 年 6 月，第 41 卷专辑：270273. 3 铁路工程地质手册 修订版.北京.中国铁道出版社,2005. 4 采空区公路设计与施工设计细则（报批稿） （JTG/T D 31-03-2011）.中华人民共和国行业推荐性标准,2011. 5 公路工程地质勘察规范（JTJ 06498）.北京. 人民交通出版社,1999. 6 交通部.公路路基设计规范(JTG D30-2004).北京.人民交通出版社,2004. 7 交通部.公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D632007).北京. 人民交通出版社,2007.
