張淑坤，張向東，陸啟珂

（1.遼寧工程技術大學 土木與交通學院，遼寧 阜新 123000；2.中交集團 第三航務工程局鐵路分公司，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，原來的平衡條件被破壞，使得上覆巖層產生移動變形，直到破壞塌落。導致地表各類建筑變形破壞，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，或多次的回采，無法確定其具體形態(tài)。要在該處修建道路或是橋梁，采空區(qū)的探測準確性則顯得尤為重要。隨著科技不斷發(fā)展，采空區(qū)的探測儀器和方法也越來越多種多樣。其中地震勘探方法［1-3］、電法探測等［4-5］，以其特有的分辨率高、定位準確、經(jīng)濟、靈活等特點，占有了很大的優(yōu)勢。本文中將以山東棗木公路木石段為例，綜合運用高密度電阻率映像法、高分辨率地震聲納及聲波探測等方法來綜合確定其位置，為下一步的采空區(qū)評價及治理提供科學依據(jù)。

1 工程概況

山東省棗木高速公路木石段與兗州礦業(yè)集團魯化公司的南大門運送物料的主要通道形成一個公路鐵路平面交叉口。鑒于此原因，有關部門協(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。然而該地礦物開采條件復雜，年代久遠。未掌握采掘工程平面圖，因此對該處采空區(qū)的準確探測變得尤為重要。根據(jù)鉆探資料顯示，探測區(qū)內地層10m左右以內主要是第四系覆蓋層，10～30m深度區(qū)間為全風化和強風化的頁巖和砂巖互層，局部位置（ZK5）在25m左右就可見到發(fā)育的煤層，30～80m區(qū)間為弱風化、微風化的砂巖。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

探測前粗略掌握如下材料：該煤礦布置有一對主副斜井在3#煤層露頭附近（K3+3480）向東及東南沿煤層的傾斜方向開采。開采區(qū)域地表標高為59～67m，地下開采3#煤層厚度變化在1.3～13.0m，大部分區(qū)域為2～8m。煤層向東及東南傾斜，傾角為22°，局部傾角變化 23°～26°，傾斜投影長度在 1000m左右。首先以路面沉陷范圍入手進行研究，確定探測區(qū)域。探測區(qū)位于山東省滕州市木石鎮(zhèn)東南側，區(qū)域屬于平原微丘地形。探測區(qū)內植被發(fā)育，地表地貌人為破壞嚴重。分布有多處魚塘和磚場。根據(jù)對地形的分析和探測環(huán)境限制，實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行綜合探測。共布設5條測線，完成測線總長3600m。同時，還對16#孔（路北側K3+767）進行了鉆孔波速測試來相互映證探測結果的準確性。

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

圖2 測線布置示意圖Fig.2 Test line layout diagram

2.1 WENNER高密度電阻率法探測（三條測線）

構建探測地下異常體的地球物理模型，是正確進行探測結果解譯的前提。通常情況下會根據(jù)反演分析和現(xiàn)場試驗結果建立探測目標體的地質-地球物理模型。沒有完全被水或其他低阻物質（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，會顯示高阻異常特征。測線位置參見圖2，各探測圖3～5中從上到下依次為實際采集視電阻率剖面圖、計算視電阻率剖面圖和解譯剖面圖。圖中的深度標記為基于電場理論的理論深度，圖中所表虛線表示推斷采空變形區(qū)的頂界面位置。

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

在測線1測試結果中采空變形區(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，沒有看到采空區(qū)的電異常反映。在相應兩區(qū)段二極裝置的實測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。（探測圖略）。

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

受地表條件影響，測線2布設較短。實際測量時，由大樁號向小樁號方向測量。經(jīng)和鉆孔資料對比，實際深度應為顯示深度的2倍。用虛線圈出采空區(qū)的頂界面，從反演解譯結果中可以看到采空區(qū)表現(xiàn)為高阻特征，在測線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）測線3：棗木高速公路南側 K3+470～K3+950區(qū)段路基坡腳位置

探測結果如圖5和圖6所示。為了便于不同剖面間的資料比對，兩圖中K3+630～K3+790區(qū)段重復測量。實際測量時，由大樁號向小樁號方向測量。從反演解譯結果中可以看到采空變形區(qū)表現(xiàn)為高阻特征，在測線3的K3+650～K3+780區(qū)段分布。由于電剖面反映深度較淺，沒有看到采空區(qū)的電異常反映。

圖4 測線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）

在相應兩區(qū)段的二極裝置的實測剖面圖上，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。

2.2 高分辨率地震聲納探測（兩條測線）

在地震探測剖面圖上，不同采空變形區(qū)的反射波特征會各不相同。彎曲帶內的反射波同相軸連續(xù)，但會在變形區(qū)邊界和原狀土層的反射軸發(fā)生錯斷；裂隙帶會因裂隙的存在造成同相軸錯斷；冒落帶會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)沒有被充填，其分布的頂?shù)捉缑鏁憩F(xiàn)為強反射界面，同時還會形成多次層間反射。

測線4：棗木高速公路路面北側K3+480～K4+080區(qū)段路肩位置；測線5：棗木高速公路路面南側K3+470～K4+070區(qū)段路肩位置。整個工作在棗木高速公路路面上方開展，測試結果如圖6、7所示。地震映像圖中第四紀覆蓋層中存在的多套沉積層，風化巖層，基巖面反射特征明顯?；鶐r面以下地震反射波能量相對減弱。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的結果進行綜合分析，對各個變形區(qū)界限進行了確定。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檢驗

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)上方巖體隨之將產生變形。采空區(qū)上方巖體的變形，總的過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使其與原狀巖層的地球物理性質發(fā)生變化。特別在冒落帶和裂隙帶分布區(qū)，由變形作用導致的巖層破碎和裂隙產生，會使巖層的波速發(fā)生較大變化。為了進一步驗證5條測線最終測定出的采空區(qū)位置以及三帶存在情況，在公路北側 K3+767進行鉆孔 14#、15#、16#，并對 16孔進行波速測試（圖8）。從實測資料中可以看到，整個鉆孔位置不同深度的巖體波速相對于正常巖體波速偏小，特別在45m深度以下，由于巖體破碎導致波速進一步降低。這種巖土體物理性質的變化會使得變形區(qū)反射波特征和正常區(qū)存在較大差別。同時巖層破碎區(qū)的電阻率較正常的巖體電阻率會增大，從而5條測線測得的結果與聲波測試結果以及前述的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：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為采空區(qū)治理重點部位，各排鉆孔間距應較??；路基兩側保護帶為輔助治理部位，孔間距相對要大些；具體間距根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

（2）加固高填路基治理。特點：成本較低，短期治理效果有效，需長期維護。若地表發(fā)生沉降或者水平位移，則對高填路基進行處理即可。這就對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，盡量減少病害的產生。采用加筋土可以很好的解決問題，目前一般都采用鋼筋作為加固材料，但是鋼筋存在嚴重的銹蝕問題，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題。其不僅有很好的抗拉強度，而且化學性質穩(wěn)定，不易被腐蝕，因此有很好的推廣前景。

4 結論

（1）從鉆孔和物探結果看，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50m范圍內，探測區(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)和冒落帶的相對尺度對應關系，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確可靠，在修建建筑物穿越采空區(qū)且在沒有完全掌握采掘工程平面圖的情況下，可以參照本項目中的流程進行探測、來確定需要評估范圍內的采空區(qū)范圍及性態(tài)，以此作為依據(jù)進行相應治理。

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

（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，但需長期加以維護。高填路基方案中選用玄武巖FRP筋進行加固效果會更好。

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