棗木高速公路下伏采空區(qū)綜合物探方法

張淑坤，張向東，陸啟珂

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.中交集團(tuán) 第三航務(wù)工程局鐵路分公司，上海 201900）

0 引言

地下礦層采空后形成的空間稱(chēng)為采空區(qū)。出現(xiàn)采空后，其上覆蓋的巖層將失去支撐，原來(lái)的平衡條件被破壞，使得上覆巖層產(chǎn)生移動(dòng)變形，直到破壞塌落。導(dǎo)致地表各類(lèi)建筑變形破壞，地表大面積下沉、凹陷、位移，致使地面上已有的建、構(gòu)筑物、公路、鐵路及橋涵受到破壞。而近些年隨著大量高速公路的修建，避免不了的穿越采空區(qū)。但是有些采空區(qū)年代久遠(yuǎn)，或多次的回采，無(wú)法確定其具體形態(tài)。要在該處修建道路或是橋梁，采空區(qū)的探測(cè)準(zhǔn)確性則顯得尤為重要。隨著科技不斷發(fā)展，采空區(qū)的探測(cè)儀器和方法也越來(lái)越多種多樣。其中地震勘探方法［1-3］、電法探測(cè)等［4-5］，以其特有的分辨率高、定位準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、靈活等特點(diǎn)，占有了很大的優(yōu)勢(shì)。本文中將以山東棗木公路木石段為例，綜合運(yùn)用高密度電阻率映像法、高分辨率地震聲納及聲波探測(cè)等方法來(lái)綜合確定其位置，為下一步的采空區(qū)評(píng)價(jià)及治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

山東省棗木高速公路木石段與兗州礦業(yè)集團(tuán)魯化公司的南大門(mén)運(yùn)送物料的主要通道形成一個(gè)公路鐵路平面交叉口。鑒于此原因，有關(guān)部門(mén)協(xié)商決定在此區(qū)域擬建一座公鐵立交橋。由于擬建地點(diǎn)處于采空區(qū)上方，因此必須要考慮采空區(qū)存在的影響。然而該地礦物開(kāi)采條件復(fù)雜，年代久遠(yuǎn)。未掌握采掘工程平面圖，因此對(duì)該處采空區(qū)的準(zhǔn)確探測(cè)變得尤為重要。根據(jù)鉆探資料顯示，探測(cè)區(qū)內(nèi)地層10m左右以內(nèi)主要是第四系覆蓋層，10～30m深度區(qū)間為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化的頁(yè)巖和砂巖互層，局部位置（ZK5）在25m左右就可見(jiàn)到發(fā)育的煤層，30～80m區(qū)間為弱風(fēng)化、微風(fēng)化的砂巖。被采煤層的頂界面深度大致在75～85m區(qū)間，煤層厚度在5m左右。

2 采空區(qū)探測(cè)

探測(cè)前粗略掌握如下材料：該煤礦布置有一對(duì)主副斜井在3#煤層露頭附近（K3+3480）向東及東南沿煤層的傾斜方向開(kāi)采。開(kāi)采區(qū)域地表標(biāo)高為59～67m，地下開(kāi)采3#煤層厚度變化在1.3～13.0m，大部分區(qū)域?yàn)?～8m。煤層向東及東南傾斜，傾角為22°，局部?jī)A角變化 23°～26°，傾斜投影長(zhǎng)度在 1000m左右。首先以路面沉陷范圍入手進(jìn)行研究，確定探測(cè)區(qū)域。探測(cè)區(qū)位于山東省滕州市木石鎮(zhèn)東南側(cè)，區(qū)域?qū)儆谄皆⑶鸬匦巍Ｌ綔y(cè)區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，地表地貌人為破壞嚴(yán)重。分布有多處魚(yú)塘和磚場(chǎng)。根據(jù)對(duì)地形的分析和探測(cè)環(huán)境限制，實(shí)際工作中采用高密度電阻率映像法和高分辨率地震聲納法進(jìn)行綜合探測(cè)。共布設(shè)5條測(cè)線，完成測(cè)線總長(zhǎng)3600m。同時(shí)，還對(duì)16#孔（路北側(cè)K3+767）進(jìn)行了鉆孔波速測(cè)試來(lái)相互映證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 探測(cè)區(qū)典型地貌特征圖Fig.1 Detection area typical geomorphology

圖2 測(cè)線布置示意圖Fig.2 Test line layout diagram

2.1 WENNER高密度電阻率法探測(cè)（三條測(cè)線）

構(gòu)建探測(cè)地下異常體的地球物理模型，是正確進(jìn)行探測(cè)結(jié)果解譯的前提。通常情況下會(huì)根據(jù)反演分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果建立探測(cè)目標(biāo)體的地質(zhì)-地球物理模型。沒(méi)有完全被水或其他低阻物質(zhì)（粘土）充填的采空區(qū)在視電阻率剖面圖上表現(xiàn)為賦存在高阻區(qū)（完整巖體的反映）的更高電阻區(qū)，異常區(qū)的分布范圍要比實(shí)際分布范圍寬，采空區(qū)的頂界面在視電阻率圖上反映清晰，底界面不明顯。不同采空變形區(qū)因巖體破碎，會(huì)顯示高阻異常特征。測(cè)線位置參見(jiàn)圖2，各探測(cè)圖3～5中從上到下依次為實(shí)際采集視電阻率剖面圖、計(jì)算視電阻率剖面圖和解譯剖面圖。圖中的深度標(biāo)記為基于電場(chǎng)理論的理論深度，圖中所表虛線表示推斷采空變形區(qū)的頂界面位置。

（1）測(cè)線1：棗木高速公路北側(cè) K3+480～K3+960m區(qū)段路基坡腳位置

在測(cè)線1測(cè)試結(jié)果中采空變形區(qū)頂界面埋深較淺，并有一定起伏。由于電剖面反映深度較淺，沒(méi)有看到采空區(qū)的電異常反映。在相應(yīng)兩區(qū)段二極裝置的實(shí)測(cè)剖面圖中采空變形區(qū)同樣表現(xiàn)為高阻特征，雖然勘探深度增加，但并沒(méi)有采空區(qū)分布的明顯異常特征。這可能與采空區(qū)被塌落的巖石充填有關(guān)。（探測(cè)圖略）。

（2）測(cè)線2：平行于測(cè)線1北側(cè)30m，分布區(qū)間為K3+750～K3+905m

受地表?xiàng)l件影響，測(cè)線2布設(shè)較短。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由大樁號(hào)向小樁號(hào)方向測(cè)量。經(jīng)和鉆孔資料對(duì)比，實(shí)際深度應(yīng)為顯示深度的2倍。用虛線圈出采空區(qū)的頂界面，從反演解譯結(jié)果中可以看到采空區(qū)表現(xiàn)為高阻特征，在測(cè)線2的K3+865～K3+835區(qū)段、K3+820～K3+795區(qū)段存在高阻分布區(qū)，推斷為采空區(qū)的影響。

圖3 測(cè)線2 K 3+905－K 3+750區(qū)段電阻率映像圖Fig.3 The resistivity mapping diagram at survey line 2（K 3+905－K 3+750）

（3）測(cè)線3：棗木高速公路南側(cè) K3+470～K3+950區(qū)段路基坡腳位置

探測(cè)結(jié)果如圖5和圖6所示。為了便于不同剖面間的資料比對(duì)，兩圖中K3+630～K3+790區(qū)段重復(fù)測(cè)量。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由大樁號(hào)向小樁號(hào)方向測(cè)量。從反演解譯結(jié)果中可以看到采空變形區(qū)表現(xiàn)為高阻特征，在測(cè)線3的K3+650～K3+780區(qū)段分布。由于電剖面反映深度較淺，沒(méi)有看到采空區(qū)的電異常反映。

圖4 測(cè)線3 K 3+950～K 3+630區(qū)段W ENNER裝置電阻率映像圖Fig.4 The resistivity m apping diagram for W ENNER device at survey line 3（K 3+950～K 3+630）

圖5 測(cè)線3 K 3+790～K 3+470區(qū)段WENNER裝置電阻率映像圖Fig.5 The resistivity mapping diagram for W ENNER device at survey line 3（K 3+790～K 3+470）

在相應(yīng)兩區(qū)段的二極裝置的實(shí)測(cè)剖面圖上，采空變形區(qū)同樣表現(xiàn)為高阻特征，雖然勘探深度增加，但并沒(méi)有采空區(qū)分布的明顯異常特征。這可能與采空區(qū)被塌落的巖石充填有關(guān)。

2.2 高分辨率地震聲納探測(cè)（兩條測(cè)線）

在地震探測(cè)剖面圖上，不同采空變形區(qū)的反射波特征會(huì)各不相同。彎曲帶內(nèi)的反射波同相軸連續(xù)，但會(huì)在變形區(qū)邊界和原狀土層的反射軸發(fā)生錯(cuò)斷；裂隙帶會(huì)因裂隙的存在造成同相軸錯(cuò)斷；冒落帶會(huì)因巖體的破碎而造成反射波同相軸紊亂，能量衰減。如果較大規(guī)模采空區(qū)沒(méi)有被充填，其分布的頂?shù)捉缑鏁?huì)表現(xiàn)為強(qiáng)反射界面，同時(shí)還會(huì)形成多次層間反射。

測(cè)線4：棗木高速公路路面北側(cè)K3+480～K4+080區(qū)段路肩位置；測(cè)線5：棗木高速公路路面南側(cè)K3+470～K4+070區(qū)段路肩位置。整個(gè)工作在棗木高速公路路面上方開(kāi)展，測(cè)試結(jié)果如圖6、7所示。地震映像圖中第四紀(jì)覆蓋層中存在的多套沉積層，風(fēng)化巖層，基巖面反射特征明顯。基巖面以下地震反射波能量相對(duì)減弱。同樣根據(jù)確定的不同采空變形區(qū)的反射波特征以及前述電法所探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對(duì)各個(gè)變形區(qū)界限進(jìn)行了確定。圖6、7中，A：彎曲帶，B：裂隙帶，C：冒落帶，D：采空區(qū)。

圖6 測(cè)線4高分辨率地震映像圖Fig.6 The high resolution seismic imaging map at survey line 4

圖7 測(cè)線5高分辨率地震映像圖Fig.7 The high resolution seismic imaging map at survey line 5

2.3 鉆孔資料及聲波探測(cè)檢驗(yàn)

地下礦層大面積采空后，礦層上部失去支撐，平衡條件被破壞，采空區(qū)上方巖體隨之將產(chǎn)生變形。采空區(qū)上方巖體的變形，總的過(guò)程是自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落，其變形情況一般可分為冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。不同變形帶的形成會(huì)使其與原狀巖層的地球物理性質(zhì)發(fā)生變化。特別在冒落帶和裂隙帶分布區(qū)，由變形作用導(dǎo)致的巖層破碎和裂隙產(chǎn)生，會(huì)使巖層的波速發(fā)生較大變化。為了進(jìn)一步驗(yàn)證5條測(cè)線最終測(cè)定出的采空區(qū)位置以及三帶存在情況，在公路北側(cè) K3+767進(jìn)行鉆孔 14#、15#、16#，并對(duì) 16孔進(jìn)行波速測(cè)試（圖8）。從實(shí)測(cè)資料中可以看到，整個(gè)鉆孔位置不同深度的巖體波速相對(duì)于正常巖體波速偏小，特別在45m深度以下，由于巖體破碎導(dǎo)致波速進(jìn)一步降低。這種巖土體物理性質(zhì)的變化會(huì)使得變形區(qū)反射波特征和正常區(qū)存在較大差別。同時(shí)巖層破碎區(qū)的電阻率較正常的巖體電阻率會(huì)增大，從而5條測(cè)線測(cè)得的結(jié)果與聲波測(cè)試結(jié)果以及前述的14#～16#鉆孔資料得到了相互映證。

圖8 16#孔波速－孔深曲線圖Fig.8 The wave speed-depth of borehole curve of 16#

3 防治措施

（1）充填注漿治理。特點(diǎn)：治理效果好，但成本較高。根據(jù)情況可以制定充填注漿治理方案，注漿孔可分為中間注漿孔和邊緣注漿孔，中間孔主要是起到充填加固地基作用，邊緣孔主要起到帷幕作用，防止?jié){液流失。公路路基填筑范圍內(nèi)為采空區(qū)治理重點(diǎn)部位，各排鉆孔間距應(yīng)較?。宦坊鶅蓚?cè)保護(hù)帶為輔助治理部位，孔間距相對(duì)要大些；具體間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

（2）加固高填路基治理。特點(diǎn)：成本較低，短期治理效果有效，需長(zhǎng)期維護(hù)。若地表發(fā)生沉降或者水平位移，則對(duì)高填路基進(jìn)行處理即可。這就對(duì)高填路基變形提出了很高的要求，要求其既能抗變形，還要具有良好的連續(xù)性，盡量減少病害的產(chǎn)生。采用加筋土可以很好的解決問(wèn)題，目前一般都采用鋼筋作為加固材料，但是鋼筋存在嚴(yán)重的銹蝕問(wèn)題，其耐久性一直困擾著建筑行業(yè)，而玄武巖FRP筋很好的解決了這一問(wèn)題。其不僅有很好的抗拉強(qiáng)度，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕，因此有很好的推廣前景。

4 結(jié)論

（1）從鉆孔和物探結(jié)果看，采空區(qū)處于巖石充填或半充填狀態(tài)。木石高速公路中軸線南北兩側(cè)50m范圍內(nèi)，探測(cè)區(qū)的K3+580～K3+830區(qū)段，深度75～90m區(qū)間采空區(qū)廣泛分布。根據(jù)采空區(qū)和冒落帶的相對(duì)尺度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可推斷采空區(qū)的空間高度在3～8m，具體界限尺寸可以參考圖6、7。

（2）該綜合物探方法比較準(zhǔn)確可靠，在修建建筑物穿越采空區(qū)且在沒(méi)有完全掌握采掘工程平面圖的情況下，可以參照本項(xiàng)目中的流程進(jìn)行探測(cè)、來(lái)確定需要評(píng)估范圍內(nèi)的采空區(qū)范圍及性態(tài)，以此作為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)治理。

（3）綜合物探聯(lián)合測(cè)定方法中由于技術(shù)及設(shè)備的限制，隨著深度增加探測(cè)精度也將逐漸減小，因此在埋深100m范圍內(nèi)的采空區(qū)探測(cè)效果比較理想。

（4）可以根據(jù)具體情況選用充填注漿治理和加固高填路基治理。前者治理比較徹底但成本較高，后者成本較低，但需長(zhǎng)期加以維護(hù)。高填路基方案中選用玄武巖FRP筋進(jìn)行加固效果會(huì)更好。

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