老采空区新建住宅楼裂缝原因及防治措施

2005/10/9 12:01:51

摘要　某局在老采空区地面规划新建了五十余栋家属住宅楼（五、六层）小区，有十余栋住宅楼交付使用后不久相继在窗台下角出现了裂缝。本文对老采空区地基稳定性进行了评价，分析了住宅楼裂缝原因，结合观测资料对裂缝稳定性进行了分析，指出了老采空区地面新建建筑物应当采取的防治措施。
关键词　老采空区　住宅楼　裂缝　措施

　　矿区开采造成地面塌陷面积越来越大，为了少占或不占耕地，许多矿区正在或准备在老采空区地面新建建筑物，如开滦矿区在开采50年以上的老采空区地面建设了大型工业厂房、在开采30年左右的老采空区地面建设了2～3层楼房。由于老采空区的特殊性，在老采空区地面新建建（构）筑物应进行地基稳定性评价，并采取适当的抗不均匀沉降结构措施。某局在老采空区地面规划新建了五十余栋五、六层家属住宅楼小区，然而有十余栋住宅楼交付使用后不久相继在窗台下角出现了裂缝，本文对此进行评价分析。

1　老采空区地基稳定性评价
1.1　地质采矿条件
　　新建住宅区下方从1960年到1984年先后开采了己₁₅、己₁₆、己₁₇和庚₂₀四个煤层，累计采厚6.7m，煤层倾角平均13°左右，开采上限+53m、下限-107m，地面标高+111.1～+129.6m，平均标高+120m左右。采煤方法均为炮采，长壁工作面，全部陷落法管理顶板，采空区残留煤柱较多，煤柱宽度一般为10～70m不等，多数在10～30m。煤层上覆岩层主要由第四纪（约37.3m）砂岩、砂质页岩、页岩、石灰岩等组成，整个覆岩岩性属中硬型。
1.2　地表残余变形
　　根据开采沉陷规律，正常情况下地表移动已经稳定。但是，由于工作面开采不正规，残留煤柱较多，随着时间的推移，这些煤柱将逐步被压垮，或在外在因素的影响下可能发生垮落，致使覆岩再次产生移动，地表出现下沉和残余变形。根据国内外的实践经验，开采方法越不正规（如部分开采），煤层覆岩厚度越小，越易产生残余变形和破坏。对老采空区今后有可能产生的残余变形采用概率积分法进行了计算，根据地质采矿条件和残留煤柱情况，各煤层下沉系数分别选取0.03～0．05，水平移动系数取0.3，主要影响角正切取1.8，开采影响传播系数取0.6，结果见附表。

附表　计算的小区内地表最大残余变形值

下沉(mm)	倾斜(mm/m)		曲率(10^-3/m）		水平变形(mm/m）
下沉(mm)	南北	东西	南北	东西	南北	东西
272	3.6	5.0	+0.13/-0.13	+0.17/-0.16	+1.5/-1.7	+2.3/-2.3

1.3　地基稳定性评价
　　煤层开采后，上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩石被断裂成块状，岩块之间存在较大的裂隙。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂隙，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本呈整体下沉，破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽然经过多年的压实，仍然不可避免地存在一定的裂隙和离层，其抗压、抗拉、抗剪强度明显低于原始岩体的强度。如果建筑物荷载传递到这两带，势必加大建筑物的不均匀沉降，甚至造成建筑物破坏。垮落断裂带发育高度主要与煤层采厚、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等因素有关^［1］，住宅小区内在老采空区开采上限边界位置垮落断裂带高度计算为36m，垮落断裂带顶界面标高约为+89m。地面标高约为
+117m。
　　建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，建筑物荷载向地基下的影响深度随层数的增加而增大。由于建筑物荷载在地基中产生的附加应力随着深度的增加逐渐减小，而地基土层的自重应力随着深度的增加逐渐增大，一般对于老采空区，当建筑物荷载在地基中产生的附加应力等于相应深度处地基土层的自重应力的10％时，可认为建筑物荷载对该深度处的地层不产生多大影响^［2］，该深度即为建筑物荷载影响深度。计算五、六层住宅楼的影响深度约为20～25m。
　　建筑物荷载影响深度与垮落断裂带关系见图1，两者相距仅3～8m，考虑两者计算的误差，两者相差10m以上才可认为建筑荷载对垮落断裂带没有影响，因此，在老采空区开采上限边界位置附近，新建五、六层住宅楼有可能会影响到垮落断裂带的稳定性，加大建筑物的不均匀沉降，会造成住宅楼破坏。

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图1　住宅楼荷载影响深度与采空区垮落断裂带关系

2　住宅楼墙体裂缝原因及其稳定性分析
　　住宅小区规划59栋住宅楼，还有部分公用设施，占地16公顷，于1992年10月开工，截止1997年底，已建成54栋住宅楼，大部分已交付使用，然而1996年底投入使用和将要竣工的十余栋住宅楼在其窗台下部相继出现了不同程度的墙体裂缝，裂缝宽大多为0.3～2mm，最宽为2.1mm。
2.1　裂缝原因分析
　　地表不均匀沉降、温度、地震及设计、施工、使用等多方面因素均可造成房屋墙体裂缝，原因不同，所造成的墙体裂缝形态也有质的区别。现场发现住宅楼墙体裂缝有的为“八”字型，也有倒“八”字型的，大部分裂缝集中在住宅楼的两端，有的裂缝从底层至顶层在每层窗台下角均出现了斜裂缝，普遍现象是底层裂缝偏多。据此现象分析，主要是地表不均匀沉降造成的。现场还发现，有的住宅楼仅在顶层、有的还包括次顶层的两端窗台角处出现整体上为“八”字型的裂缝，另外最大宽度裂缝一般产生在各楼西单元的南北外纵墙上，据此现象分析，部分墙体裂缝也可能是由于温度变化造成的。
　　查看井上下对照图，发现墙体出现裂缝的住宅楼大多处在老采空区开采上限边界附近，此位置采深浅，由于住宅楼的兴建，住宅楼荷载一方面使上覆岩层进一步压实，另一方面，正如图1中所示，住宅楼荷载逐渐传递至老采空区垮落断裂带，使垮落断裂带进一步压实、甚至使老采空区残留煤柱失稳垮落，从而引起地表的再次不均匀沉降，造成住宅楼墙体裂缝（当然有些裂缝还存在着温度的综合影响）。
2.2　裂缝稳定性分析
　　部分住宅楼墙体出裂缝后，进行了9个月的观测工作，地表点最大下沉为6.73mm，大部分在0～±3mm之间，可以认为小区内地表残余沉陷变形已稳定；住宅楼上的测点下沉大多在0～±2mm之间，少数超过2mm，可以认定住宅楼沉降已稳定；量边及楼体倾斜测量均表明变化值较小。根据此处老采空区的开采深度、覆岩性质等因素推断：当住宅楼建成后，荷载传至老采空区，使残留煤柱垮落，引起上覆岩层再次移动，至残余沉降基本稳定，总时间不会超过一年，地表残余沉降较活跃的时候约在建成后半年左右，因此住宅楼出现裂缝时间也大约在建成后半年左右，之后地表残余沉降逐步稳定，由地表残余沉降变形引起的墙体裂缝也就不会再继续发展了（经受温度的循环影响除外）。对部分住宅楼裂缝拍贴石膏饼进行观测，没发现石膏饼有开裂现象也说明了这点。观测的住宅楼上最大裂缝仅为2.1mm，属轻微破坏^［1］，经对裂缝适当修补后，不影响住宅楼的安全稳定性，可以正常居住。

3　老采空区新建建筑物防治裂缝措施
　　该处住宅楼均为砖混结构，条形毛石基础，基础座落在漂石混卵石层上，地基承载力为250KPa，平面布置多为图2中所示点式、条式类型。设置了钢筋砼圈梁（圈梁布置见图中粗线所示）和构造柱，结构整体性较好，具有一定的抗不均匀沉降能力，老采空区残余沉降变形也并不大（见表1），然而部分住宅楼却产生了裂缝（点式、条式楼均有），说明采取的措施不够完善：①条式楼纵向长度过长，点式楼平面布置过复杂；②圈梁布置得不尽合理（闭合效果差）；③没有施工必要的构造措施（如窗间墙、窗下墙体内没设置拉结钢筋等）。诸多因素致使部分住宅楼在地表出现不均匀沉降时产生了墙体裂缝。

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图2　住宅楼平面类型及圈梁布置图

　　老采空区建筑是一项比较复杂的技术问题，必须事先搞好调查研究，然后因地制宜推广应用，这对土地的再利用具有重要的意义，并能取得明显的经济和社会效益。因此，再结合其它矿区的经验，从该处实践中体会到，今后在老采空区地面新建建（构）筑物应按如下步骤进行，并采取切合实际的抗不均匀沉降措施：
　　a　掌握老采空区的地质、采矿条件，分析其可能发生的残余变形大小，对地基稳定性进行评价，确定在老采空区地面能否建建（构）筑物、建筑层数等。
　　b　在老采空区地面建设高速公路、重要性建（构）筑物（如大型厂房、高层建筑）时，一般进行地基处理，采取地面打钻孔，钻至老采空区处，用高压泵注入浆液，以加固岩层和充填裂隙，确保地表不再沉陷。
　　c　在开采十年以上的老采空区地面建设民用建筑一般是可行的，尽量采用简单的矩形平面布置型式，单体长限制在30m以内，按残余变形大小计算配置钢筋砼圈梁和砼柱、在墙体内设置构造拉结钢筋等措施，增强建筑物抗不均匀沉降能力。
　　d　在开采十年以内的老采空区地面建设民用建筑，与在采动区上新建抗变形结构建筑物相类似，计算地表沉陷变形大小，采用简单的矩形平面布置型式，单位长限制在20m以内，基础设置水平滑动层，上部采用钢筋砼圈梁和砼柱骨架体系，墙体内设置构造拉结钢筋等抗不均匀沉降技术措施。

4　结　论
　　a　墙体裂缝的住宅楼大多位于老采空区开采上限边界附近，分析认为裂缝是由于地基不均匀沉降、老采空区残留煤柱失稳垮落引起地表再次沉降变形及温差综合因素引起的。
　　b　老采空区地面新建建（构）筑物是可行的，但必须考虑老采空区的残余沉陷变形情况，对地基稳定性要进行评价，不仅要限制建筑物的层数，建筑物还必须采取一些抵抗地表残余沉陷变形的结构及构造技术措施，如需提高建筑层数或对重要性建筑物，则必须增加抗变形措施或进行地基处理。

作者简介：张俊英，男，1965年生，高级工程师。1986年7月毕业于重庆大学，采矿与工民建双学士学位，一直从事建筑物下采煤技术研究。完成7项部级以上科研项目并4项获省部级科技进步奖，在期刊和国内外学术会议上发表论文20多篇，荣获河北省青年科技奖。

作者单位：（煤炭科学研究总院唐山分院）

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