某高速公路鐵礦采空區(qū)工程地質(zhì)問題研究

郭 彪

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

經(jīng)初步調(diào)查,某擬建高速公路K4+620～K10+550段存在鐵礦采空區(qū),為查明采空區(qū)的工程地質(zhì)特征,確定采空區(qū)的分布范圍,該工程采用資料搜集、工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等多種手段,評(píng)價(jià)采空區(qū)對(duì)公路工程的危害程度,進(jìn)而提出合理的治理建議[1]。

1 采空區(qū)工程地質(zhì)特征勘察

1.1 采礦情況調(diào)查

經(jīng)調(diào)查,擬建線路K4+620～K10+550范圍內(nèi)沿線主要存在7家礦企及多家小礦企,其中3家礦企在采礦有效期限內(nèi),其余大小礦企均已停采,具體情況見表1。

表1 調(diào)查路線內(nèi)主要礦企情況表

(1)礦企1(K4+620～K6+800)

礦山規(guī)模為小型,礦種為鐵礦,開采標(biāo)高190～320m,生產(chǎn)規(guī)模15.00萬噸/年,采礦有限期限為2011年12月29日至2012年12月29日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒夾二云石英片巖,礦山處于閉坑狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,礦區(qū)內(nèi)可見多處山體開挖,未見明顯采洞,詳情見圖1。

圖1 調(diào)查圖片

(2)礦企2(K7+000～K7+300)

礦山規(guī)模為小型,礦種為鐵礦,生產(chǎn)規(guī)模5.0萬噸/年,采礦有限期限為2011年10月30日至2017年10月30日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、變粒夾二云石英片巖,礦山處于閉坑狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該礦山開采主要為露天,礦山廢棄多年,未見明顯采洞。該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離281m。

(3)礦企3(K7+350～K8+200)

礦山規(guī)模為小型,礦種為鐵礦,生產(chǎn)規(guī)模15.00萬噸/年,采礦有限期限為2014年1月20日至2022年2月20日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒夾二云石英片巖,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,礦山在采礦期內(nèi)。該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離306m。

(4)個(gè)人鐵礦(K7+550～K7+950)

經(jīng)調(diào)查,線路K7+550～K7+950穿越個(gè)人鐵礦,開采方式為井工開采,調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)4個(gè)礦洞,洞口進(jìn)深方向均與線路相交,目前礦山停采,洞口照片詳見圖1。

(5)礦企4(K8+700～K9+700)

礦山規(guī)模為小型,礦種為鐵礦,開采標(biāo)高95～327m,生產(chǎn)規(guī)模20.00萬噸/年,采礦有限期限為2013年4月17日至2023年4月17日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖夾二云石英片巖,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,礦山在采礦期內(nèi),該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離214m。

(6)礦企6

礦山規(guī)模為小型,礦種為鐵礦,生產(chǎn)規(guī)模90.00萬噸/年,采礦有限期限為2018年5月4日至2023年5月4日。礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖夾二云石英片巖,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,礦山在采礦期內(nèi),整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離698m。

1.2 采空范圍初步確定

通過調(diào)查,基本查明沿線礦企情況,主要包括開采情況、分布情況、地層情況等。同時(shí),基本查明設(shè)計(jì)線位與沿線各礦區(qū)的交叉情況。通過初步調(diào)查發(fā)現(xiàn),線位在K7+550～K7+950與采礦采空區(qū)存在交叉,其余沿線企業(yè)礦區(qū)對(duì)設(shè)計(jì)線位影響較小,初步確定采空段落為K7+550～K7+950,在該段內(nèi)重點(diǎn)布設(shè)下一步工作。

1.3 物探成果

根據(jù)采空區(qū)特征、現(xiàn)場(chǎng)地形條件及擬建公路展線情況,在初步確定K7+550～K7+950采空范圍內(nèi)進(jìn)行物探測(cè)試工作,主要應(yīng)用方法為天然源面波法、智能鉆孔電視法等[2]。

物探左線距離公路中心線30m,中線沿公路中心線布置,右線距離公路中心線30m。橫剖面1布置在K7+670m處,橫剖面2布置在K7+740m處,橫剖面3布置在K7+790m處,橫剖面均沿公路中心左右延伸,物探測(cè)線布置見圖2,物探成果詳見圖3～圖5,物探異常詳見表2。

圖2 物探測(cè)線布置圖

圖3 K7+600鐵礦采空區(qū)天然源面波法斷面圖 (左線)

圖4 K7+600鐵礦采空區(qū)天然源面波法斷面圖 (中線)

圖5 K7+600鐵礦采空區(qū)天然源面波法斷面圖 (右線)

表2 K7+550～K7+590鐵礦采空區(qū)物探異常一覽表

根據(jù)天然源面波法和智能鉆孔電視法資料,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及鉆探驗(yàn)證資料,推測(cè)K7+734～K7+748附近存在鐵礦礦洞,礦洞與線位斜交,礦洞高4.1～20.2m,洞寬8～11m,洞走向近南北,詳見圖6。

圖6 典型智能鉆孔電視成果圖

1.4 地面變形特征

K4+620～K10+550路段內(nèi),采礦主要以鐵礦為主,大部分企業(yè)礦權(quán)范圍與設(shè)計(jì)線路有一定距離,開采方式為露天及井工,其中K7+550～K7+950段可見多處采礦礦洞,部分已經(jīng)封堵,地表可見礦石堆,多處山體開挖破壞,可見由于地下開采造成的明顯采空塌陷變形。

1.5 鉆孔情況

依據(jù)調(diào)查結(jié)果、物探解譯結(jié)果進(jìn)行了鉆孔位置布設(shè),此次工點(diǎn)勘察共布置鉆孔4個(gè),完成鉆孔4個(gè),分別為ZK1、ZK2、ZK3、WZK0704。完成調(diào)查點(diǎn)1個(gè),為DWZK0701。利用附近鉆孔1個(gè),為ZK0707。其中ZK1、ZK2揭露鐵礦采空層,其他鉆孔中未揭露采空層位。鉆探深度內(nèi)揭露地層主要為太古界鞍山群茨溝組變粒巖、角閃片巖等,鉆孔基本情況詳見表3。

表3 鉆孔情況統(tǒng)計(jì)表

2 釆空區(qū)對(duì)公路工程危害程度評(píng)述

根據(jù)研究資料,采空區(qū)塌陷、冒落、造成的地面變形對(duì)公路的危害,主要有以下六方面:

(1)引起橋梁墩臺(tái)差異沉降,橋柱傾斜,破壞橋梁上部結(jié)構(gòu)。

(2)引起橋臺(tái)與路基不均勻沉降,導(dǎo)致橋臺(tái)跳車現(xiàn)象。

(3)造成公路路基下沉,如果在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形,將引起路基本身松弛。還有可能在不同地層中產(chǎn)生脫層。這將影響路基的承載力,加大地表傾斜和拉伸變形,對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(4)路基在下沉的同時(shí),將伴有水平方向位移。垂直于路線方向的橫向移動(dòng)將改變路基原有的方向;沿路基縱向的水平變形,使路基受到拉伸和壓縮。由于這兩種移動(dòng)的不均勻性,會(huì)使高速公路產(chǎn)生坡度變化、豎曲線形態(tài)變化和路線方向變化等。

(5)路基隨地表下沉而下沉。因地表變形的不連續(xù)與無規(guī)律下沉,使得路面的原有坡度出現(xiàn)無規(guī)律變化。如果地表傾斜方向和路線坡度方向一致,路線坡度將增大;反之,路線坡度將減小或形成反坡。路線坡度的增減,將使移動(dòng)盆地內(nèi)各段路線的運(yùn)行阻力有所增減,長久運(yùn)行路面會(huì)產(chǎn)生下沉。

(6)地表的不均勻下沉。路線坡度改變時(shí),必將導(dǎo)致路線在豎直方向上彎曲,改變?cè)性O(shè)計(jì)的曲率半徑,對(duì)公路上運(yùn)行的車輛及路基造成危害,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成交通事故[1]。

綜合以上分析,該段采空區(qū)地表變形目前處于不穩(wěn)定狀態(tài),地表變形仍然在持續(xù),對(duì)公路工程危害嚴(yán)重。

3 釆空區(qū)治理措施建議

3.1 治理建議

采空區(qū)治理方案主要依據(jù)地表變形特征、地質(zhì)與采礦特征等因素確定。主要治理方法有注漿法、砌筑法、干料填充法、垮落法和挖填法。

根據(jù)各路段采空區(qū)特征、構(gòu)筑物特點(diǎn),采空區(qū)段落治理建議采用垮落法、注漿法。該方法已在各地的采空區(qū)治理取得成功經(jīng)驗(yàn)。

3.2 釆空區(qū)處治監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

采空區(qū)處治施工期間進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)。半年內(nèi)每周監(jiān)測(cè)一次,半年后至通車期間內(nèi)宜每月監(jiān)測(cè)一次;通車2年內(nèi),宜每2個(gè)月監(jiān)測(cè)一次;變形顯著時(shí),應(yīng)增加監(jiān)測(cè)頻次。經(jīng)變形監(jiān)測(cè)資料分析和評(píng)價(jià),確認(rèn)采空區(qū)已完全穩(wěn)定,對(duì)公路工程無影響時(shí),可停止監(jiān)測(cè)。

鉆探及巖土測(cè)試檢測(cè)工作應(yīng)在采空區(qū)處治施工結(jié)束后6個(gè)月進(jìn)行。路基工程監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)為結(jié)體抗壓強(qiáng)度和橫波波速。橋梁工程檢測(cè)指標(biāo)應(yīng)包括結(jié)石體抗壓強(qiáng)度、橫波波速、注漿量及變形檢測(cè)。

各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),采空區(qū)處治工程質(zhì)量為合格,可進(jìn)行路基、橋梁等主體工程施工。