由于我国煤矿采空区的广泛分布，据不完全统计，在全国20多个省、区内，共发生大规模采空区灾害200处以上，累计塌陷面积超过70万公顷，造成的损失已经超过500亿元，每年有将近1亿m²的地表由于煤矿开采而形成塌陷槽，给人民财产和生命安全带来极大威胁。当在塌陷区上方修建地铁隧道时，塌陷区会在外力扰动下产生残余变形，从而引起不均匀的地面沉降，继而影响上覆地铁结构及地面建筑物的正常使用 ^[1,2,3,4,5]。

　　 因此，为保障新建地铁隧道结构的使用安全，必须保证塌陷区能满足地铁隧道结构地基稳定性要求。由于地铁线路与采空区交汇，在我国地铁建设史上尚属首例，且地铁隧道结构对地基稳定性具有更加严格的要求，以乌鲁木齐市轨道交通1号线南湖北路站—王家梁站穿越六道湾村煤矿采空区为例，旨在提出满足地铁隧道结构地基稳定性的塌陷区综合处治方案。

　　 新疆乌鲁木齐市轨道交通1号线为主城南北向骨干线，作为新疆首条城市轨道交通线路，其中南湖北路站—王家梁站区间隧道穿越六道湾村煤矿，该区间在右线里程YCK8+984.000—YCK9+166.000处穿过六道湾村煤矿塌陷区，采空区位于南湖北路与新医路交叉口西南，如图1所示。区间线路穿越采空区段长度约182m，在采空区段拟采用明挖法施工，右线轨面高程为798.000～793.000m，埋深在地面下13～18m。历史上该煤矿经过无序开采，采空区发生多次塌方，导致地表形成2个塌陷沟，习惯上称为南大槽和北大槽，如图2所示。

　　 采空塌陷区主要成分为建筑垃圾及碎石土，未采取逐层夯实措施，非常松散，回填后稳定性很差，且不均匀。回填体以(1)₁杂填土层，(1)₂素填土层，(1)₃卵石填土层，(1)₄塌落煤体(回填煤渣)层，(1)₅岩石塌落体层组成，物理力学性质差，且不均匀。从原位测试结果来看，标准贯入击数局部<1。局部地段贯入击数>100，力学性质差异性较大，局部地段出现一定规模的空体，塌陷区很可能会产生一定的塌陷沉降。塌陷区回填体力学性质差，塌陷区回填体在地震、地面振动、人为扰动等情况下，很可能再次出现塌陷现象。因此，南、北大槽塌陷区不宜作为地铁结构直接持力层。

　　 由于地下采空区的存在，不仅造成空体上部煤层和覆盖层失稳而冒落或沉陷，而且将使煤层顶底板产生岩移和变形，最终影响地表而形成更大范围的地面塌陷。

　　 据六道湾煤矿在1978年10月6日至1979年10月30日进行的矿井岩移情况观测，煤层开采后，地表发生较大下沉，煤层顶、底板出现不同幅度的移动，顶板移动幅度大于底板，南、北大槽之间的煤层顶、底板移动后形成台阶状(见图3)。

　　 由六道湾煤矿对地面岩移观测线观测资料可看出，地下煤层采空后岩层位移现象很快形成，首先是地裂缝的出现，然后发生大规模的地面塌陷 ^[6,7]。

　　 勘察区南、北大槽于1999年全部闭矿，形成的采空区通过人工放顶大规模塌陷后，人工进行了回填，不存在大范围的采空区，通过3～6年的固结，回填物对顶板具有一定的支撑作用，顶板再发生岩移变形的可能性较小。但由于塌陷坑回填方法大多采用翻斗车自卸堆填，缺乏科学指导，未经任何其他处理，虽然已经把塌陷坑和塌陷槽填平填满，但因未采取逐层夯实措施，非常疏松，而且回填垃圾各种成分之间和垃圾与塌陷坑、槽壁之间接触不实，没有亲合力，黏聚力非常小，回填后稳定性很差，不排除存在由于放顶及人工回填不实而形成的小规模的空体。这种情况下在外界扰动作用下(如在上方修建地铁隧道)就会产生不均匀的地面沉降，从而对上覆结构产生破坏。

　　 新建乌鲁木齐轨道交通1号线南湖北路站—王家梁站区间正好穿越六道湾村煤矿，目前该新建地铁工程所在区域煤矿已塌陷完成，并在地表形成2个大型V字形塌陷槽，分别位于B1+2和B3+6煤层，如图4所示。

　　 由于2个塌陷槽的上下盘围岩力学性质比较差，因此在地铁荷载的作用下，上盘围岩结构有可能发生失稳破坏从而发生塌陷事故，因此对塌陷区侧壁围岩进行力学研究显得十分重要 ^[8]。

　　 为了更好地研究荷载作用下塌陷区围岩的受力情况及可能出现的再次破坏现象，借助相似试验手段，利用模型试验结果推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题 ^[9,10]。

　　 本试验采用平面可旋转模型支架，规格为2.0m×0.2m×1.2m(长×宽×高)，如图5所示。通过配重块加载，采用XTDP三维光学摄影测量系统监测数据并记录，经过开挖、塌陷、回填直至施加等效地铁荷载前，如图5所示。

　　 图6所示为南、北大槽塌陷坑回填后经过一段时间自然沉降后的模型，即加载前塌陷区及侧壁围岩的试验模型，下面将对A,B,C,D 4个区域进行加载前、后的对比分析，从而得到塌陷区侧壁围岩的破坏情况及破坏范围。

　　 图7所示为北大槽塌陷区上盘围岩加载前后变化情况，由图7可知，塌陷坑回填后的自然沉降阶段直至加载前上盘围岩一直处于稳定状态，当施加荷载后上盘围岩产生了比较明显的位移，整体发生了竖直向下的沉陷，最终导致了上盘围岩的大面积塌陷从而失稳破坏，通过处理位移监测数据得到试验模型中北大槽上盘围岩顶部最大的破坏范围为15.6cm，由于本试验的几何相似比为1∶100，因此对应于实际工程原型的北大槽上盘围岩顶部最大的破坏范围约为15.6m。

　　 图8所示为北大槽塌陷区下盘围岩加载前后变化情况，由图8可知，塌陷坑回填后的自然沉降阶段直至加载前下盘围岩一直处于稳定状态，当施加荷载后塌陷区下盘围岩并未像上盘围岩那样发生失稳破坏，而是依然保持完好状态，说明在地铁荷载作用下塌陷区下盘围岩并未受到较大影响，仍保持稳定状态。

　　 图9所示为南大槽塌陷区上盘围岩加载前后变化情况。由图9可知，塌陷坑回填后的自然沉降阶段直至加载前上盘围岩一直处于稳定状态，当施加荷载后上盘围岩发生断裂，部分岩体发生了向塌陷区一侧的倾倒变形，从而导致了上盘围岩的大面积垮落，最终失稳破坏，通过处理位移监测数据得到试验模型中南大槽上盘围岩顶部最大的破坏范围为13.2cm，因此对应于实际工程原型的南大槽上盘围岩顶部最大的破坏范围约为13.2m。

　　 图10所示为南大槽塌陷区下盘围岩加载前后变化情况。由图10可知，塌陷坑回填后的自然沉降阶段直至加载前下盘围岩一直处于稳定状态，当施加荷载后塌陷区下盘围岩并未像上盘围岩那样发生失稳破坏，而是依然保持完好状态，说明在地铁荷载作用下塌陷区下盘围岩并未受到较大影响，仍保持稳定状态。

　　 基于上述研究成果，同时综合考虑施工工艺、施工工期、加固方案的可行性、加固效果及加固成本等因素 ^[11,12,13]，提出新建地铁隧道穿越塌陷区整体方案为桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索的综合穿越方案。

　　 新建地铁穿越塌陷区域采用明挖法施工，明挖段共设置4个承台，60根承台桩，地下梁高1m。其中承台1尺寸为22.7m×11.5m，厚度为2～2.173m，设置15根承台桩;承台2尺寸为21.9m×11.5m，厚度为2～2.173m，设置15根承台桩;承台3尺寸为21.5m×11.5m，厚度为2～2.173m，设置15根承台桩;承台4尺寸为21.2m×11.5m，厚度为2～2.173m，设置15根承台桩。锚杆桩钻孔直径150mm，间距2m，矩形布置，其综合处治方案平面布置如图11所示。

　　 本工程所采用承台桩为:Z-1型桩，桩径1.5m，桩长40m，共60根。锚杆桩钻孔孔深进入岩层或最大25m。斜拉锚索长30m，分别与水平面呈20°，40°，其综合处治方案纵断面如图12所示。

　　 采用FLAC2D程序建立该拟建地铁隧道区域南、北大槽采空区有限差分计算模型，计算模型x、y向尺寸分别为250,150m。模型计算边界条件为:固定模型底部边界的x,y方向位移;固定模型边界为x=0和x=250上所有结点x方向位移。模型计算参数如表1所示。

　　 由分析结果可知，地铁荷载作用下加固后的竖向沉降最大区域依然位于南、北大槽塌陷坑，塌陷坑侧壁围岩及中间稳定区域的竖向位移均在3mm以下，北大槽的沉降值均大于南大槽的沉降值，北大槽最大沉降为8.1～8.4mm，整个地铁穿越区域的最大沉降位于北大槽顶部，沉降值为8.4mm(即工后最大沉降值)。说明采用综合处治方案后的整个塌陷区竖向位移较加固前明显减小，加固后的塌陷区沉降值符合地铁地基设计规范(地基工后沉降设计值应≤100mm，差异沉降设计值应≤10mm)。

　　 由于采用的综合处治方案为“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”形式，桩基最大沉降值为3.121mm，位于北大槽下盘围岩处，锚杆桩最大沉降值为8.363mm，位于北大槽内，斜拉锚索最大沉降值为3.935mm，位于南大槽上盘围岩处，地下梁最大沉降值为8.363mm，发生在北大槽正上方。桩基、锚杆桩、斜拉锚索、地下梁竖向位移均较小，均符合设计中允许的竖向沉降值。

　　 当新建地铁隧道穿越塌陷区的综合处治方案实施完成后，对综合处治方案的加固效果进行了现场验证，以保证地铁隧道结构地基承载力满足工程需要。

　　 经过工程现场验证，加固后的南、北大槽塌陷区无论是地基承载力还是抗压强度均满足设计要求，可以作为新建地铁隧道结构的地基，证明综合处治方案在理论上的正确性及技术上的可行性。

　　 1)通过对塌陷区及侧壁围岩进行稳定性分析，得出南、北大槽塌陷区均不宜作为地铁隧道结构直接持力层，应进行塌陷区加固处治，以保证地铁隧道结构地基的稳定性。

　　 2)采用相似模拟试验的方法，模拟塌陷区侧壁围岩在荷载作用下再次发生塌陷失稳破坏的过程，得出南大槽塌陷区上盘围岩顶部再次发生塌陷失稳破坏的最大影响范围约为13.2m，北大槽塌陷区上盘围岩顶部再次发生塌陷失稳破坏的最大影响范围约为15.6m。

　　 3)提出新建地铁隧道穿越塌陷区的“桩基+地下梁+锚杆桩+斜拉锚索”综合处治方案，并进行数值模拟验证，可知桩基最大沉降值为3.121mm，位于北大槽下盘围岩处，锚杆桩最大沉降值为8.363mm，位于北大槽内，斜拉锚索最大沉降值为3.935mm，位于南大槽上盘围岩处，地下梁最大沉降值为8.363mm，发生在北大槽正上方。桩基、锚杆桩、斜拉锚索、地下梁竖向位移均较小，均符合设计中允许的竖向沉降值。最后通过现场验证，得出加固后的南、北大槽塌陷区无论是地基承载力还是抗压强度均满足设计要求，可以作为新建地铁隧道结构的地基，证明综合处治方案在理论上的正确性及技术上的可行性。