霍治澎，鄭海

（延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西延安 716000）

1 采空區(qū)的概念

采空區(qū)是指在人類(lèi)挖掘采礦的過(guò)程中，或者在天然的地質(zhì)活動(dòng)中，在地表或者地表之下產(chǎn)生的“空洞”。采空區(qū)的存在使得礦上的山體存在著很大的安全威脅，作為建筑地基更會(huì)存在長(zhǎng)久的潛在威脅。

采空區(qū)分為露天采空區(qū)和地下采空區(qū)。露天采空區(qū)是指露天采礦或天然地質(zhì)活動(dòng)所留下的人們可以直接觀察到的采空區(qū)；地下采空區(qū)是指地下采礦或地質(zhì)活動(dòng)留下的，需要根據(jù)資料記載或者現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械設(shè)備勘探才能發(fā)現(xiàn)的“地下空洞”[1]（圖1）。

圖1 采空區(qū)

2 采空區(qū)的危害

采空區(qū)如果處理不當(dāng)，有可能會(huì)因?yàn)椴痪鶆虺两底饔茫瑢?duì)采空區(qū)之上建筑物的結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p害，嚴(yán)重地會(huì)造成筑物的局部發(fā)生開(kāi)裂、傾斜、甚至倒塌。

由于地下采空區(qū)的空間分布沒(méi)有明顯的規(guī)律特征，隱伏性較強(qiáng)，而且采空區(qū)頂板處容易發(fā)生冒落塌陷等情況，因此，如何正確判斷地下采空區(qū)的分布范圍，掌握采空區(qū)的空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等，一直是工程技術(shù)人員對(duì)采空區(qū)進(jìn)行潛在危害性評(píng)價(jià)的難題，對(duì)如何合理制定采空區(qū)治理對(duì)策造成困擾。而且，工程建設(shè)會(huì)引發(fā)或加劇采空塌陷，所以在含有采空區(qū)的地區(qū)進(jìn)行建筑施工前，一定要確保地基處理的可靠性。地基處理稍有不當(dāng)，將會(huì)給建筑物帶來(lái)嚴(yán)重的危害。

同時(shí)，隨著礦山向內(nèi)不斷挖掘，地球?qū)ζ鋲毫Σ粩嘣龃?，采空區(qū)在強(qiáng)大的地壓下，容易造成崩塌。另外，在地下開(kāi)采的過(guò)程中遺留下來(lái)大量的采場(chǎng)、巷道、硐室，如果不及時(shí)做好處理工作，在這種地基上建造房屋會(huì)有極大的安全隱患，也會(huì)給這些地區(qū)廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅[2-3]（圖2）。

圖2 采空區(qū)的危害

3 常用的采空區(qū)處理方法

露天采空區(qū)的處理相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分情況都可以直接利用回填技術(shù)解決，只需考慮經(jīng)濟(jì)性原則。地下采空區(qū)的處理較為復(fù)雜，只有經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料或進(jìn)行地質(zhì)勘探后，方可制定合適的施工處理方案，常見(jiàn)的地下采空區(qū)的處理方法有以下幾種。

3.1 注漿法

注漿法是利用加壓設(shè)備或者電化學(xué)原理，通過(guò)注漿管將各種常用的灌漿材料，如水泥系漿材、化學(xué)漿材和混合型漿材等注入到地基之中（圖3）。這些材料填充在采空區(qū)之中，通過(guò)滲透和擠密的方式，將土顆?；驇r石裂隙中的水分和空氣等排出采空區(qū)，占據(jù)其位置。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些膠凝材料將原來(lái)松散的土粒膠結(jié)成一個(gè)整體，這樣就達(dá)到了改善地基土的效果。這種方法也可用于提高建筑物下的地基承載力，改善建筑物地基土的性質(zhì)，減小地基土變形；或者用來(lái)提高土地基土的抗?jié)B性，有效防止地基土出現(xiàn)流沙管涌等不良現(xiàn)象；或者用于提高壓縮模量，減小土的壓縮性，例如用注漿法來(lái)處理基坑被動(dòng)區(qū)的土體，不但能減小圍護(hù)樁的位移，還能有效地處理建筑物的糾正和頂升問(wèn)題。

圖3 注漿法施工

圖4 強(qiáng)夯法施工

3.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法指將10～25t的重錘利用起吊設(shè)備，提升到距離所需夯擊土層的10～25m高處下松開(kāi)控制，使其重錘在重力作用下做自由落體運(yùn)動(dòng)，依靠重錘在下落過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)大夯擊能和沖擊波來(lái)夯實(shí)土層（圖4）。強(qiáng)夯法主要適用于非飽和狀粘性土、砂性土與雜填土地基。對(duì)非飽和狀的粘性土地基，一般需要連續(xù)多次夯擊、多遍間歇性夯擊，并結(jié)合工程的實(shí)際情況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定需要夯實(shí)的次數(shù)和有效夯實(shí)的深度。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)表明：在100～200噸米夯實(shí)能量下，有效夯實(shí)深度大約在3～6m之間[4]。

3.3 沉管夯擴(kuò)灌注樁

沉管夯擴(kuò)灌注樁，簡(jiǎn)稱(chēng)夯擴(kuò)樁。它是利用打樁設(shè)備將內(nèi)樁和外樁管同步沉入土層內(nèi)部，通過(guò)錘擊內(nèi)樁管夯擴(kuò)端部混凝土，使樁端形成擴(kuò)大頭，再灌注樁身混凝土，拔出外樁管時(shí)，用內(nèi)樁管和樁錘壓頂在管內(nèi)混凝土面上，使樁身密實(shí)成行。夯擴(kuò)樁擴(kuò)大頭直徑在500～900mm之間，樁身直徑一般在500mm左右，樁長(zhǎng)最好不得大于20m。這種操作方法一般適用于中低壓縮性粘土、粉土、砂土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化巖等[5]（圖5）。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

圖5 沉管夯擴(kuò)灌注樁示意圖

4.1 工程概況

延安市子長(zhǎng)縣芽坪村安置點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)用地位于子長(zhǎng)縣瓦窯堡鎮(zhèn)芽坪村，總占地面積155721.8m2，總建筑用地面積為84945.33m2。 該工程擬建（構(gòu)）建筑物包括：33棟6層住宅、1棟幼兒園、1棟2層會(huì)所活動(dòng)中心、1棟3層社區(qū)養(yǎng)老中心、1棟3層商業(yè)中心及附屬商業(yè)、局部一層地下車(chē)庫(kù)，由于附近存在原小煤窯窯口，擬建場(chǎng)地存在一定規(guī)模的采空區(qū)，對(duì)擬建建筑物的安全存在潛在威脅。周邊相對(duì)建筑物較遠(yuǎn)，交通便利，擬建建筑物場(chǎng)地未平整，局部地形起伏較大，地面標(biāo)高介于1093.20～1116.57m之間，最大高差23.37m。根據(jù)民調(diào)及現(xiàn)有煤礦調(diào)查，擬建場(chǎng)地下部約50～80m有采空區(qū)或壓礦等不良的地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地地層自上而下依次由近期人工堆積的素填土（Q4ml）、第四紀(jì)全新世沖積粉土（Q4al）、第三紀(jì)上更新世沖積粉土（N2）及侏羅紀(jì)泥巖、砂巖（J）構(gòu)成。計(jì)劃在該場(chǎng)地上建造33棟6層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，且均為地上建筑，室內(nèi)外高差為0.300m，建筑高度約為17.900m，建筑物基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-2.200m，最大基底反力為200kPa，擬建住宅樓為丙級(jí)建筑，查相應(yīng)巖土勘探規(guī)范可知，該工程重要性等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)地等級(jí)為三級(jí)，地基等級(jí)屬二級(jí)，巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)。建筑抗震設(shè)防分類(lèi)丙類(lèi)，建筑物安全等級(jí)要求二級(jí)，建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度6度，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)丙級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年。該工程始建于2015年4月，某棟樓的一層平面布置圖如圖6所示。

4.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)18個(gè)驗(yàn)證鉆孔揭露地層情況，勘查區(qū)工程地質(zhì)條件如下：

圖6 擬建場(chǎng)地一層建筑平面圖

（1）填土：素填土為主，黃褐色、稍密、稍濕， 厚度0～6.9m，2#、9#、13#、16#鉆孔有揭露，厚度分別為6.9m、5.4m、5.1m、1.7m；

（2） 黃土Q4eal+al：淺黃色粉質(zhì)粘土，硬可塑，厚度介于2.4～27.1m之間，為第四系黃土層，沖洪積成因，上部局部為褐黃色粉土，土質(zhì)均勻，具大空隙，含鐵錳結(jié)核；

（3）泥巖與砂巖互層T3w5：砂巖淺灰色，泥巖灰黑色，厚度介于43.6～56.6m之間，上部中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，表面風(fēng)化嚴(yán)重，破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，局部變相為泥巖，下部淡藍(lán)色中粗粒結(jié)構(gòu)，中層狀構(gòu)造，破碎嚴(yán)重。該巖組作為煤系地層的主要巖組，直接關(guān)系著煤系的開(kāi)采。該層土的土質(zhì)主要包括泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，還含有砂質(zhì)泥巖及薄煤層等巖體。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得在干燥狀態(tài)下，該層土的單軸抗壓強(qiáng)度為33.2～106.9MPa，平均值為69.75MPa，巖石呈半堅(jiān)硬的狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間浸水或者裸露在大氣之中，過(guò)長(zhǎng)巖石可能沿著其層理方向離析成為巖石薄片。飽和狀態(tài)下，測(cè)得該層巖石的抗壓強(qiáng)度在0.9～61.7MPa之間，平均抗壓強(qiáng)度大約為15.28MPa，軟化系數(shù)平均值0.24，故該巖層呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)。巖石的質(zhì)量指標(biāo)平均值為73.38%，說(shuō)明巖石質(zhì)量較好（Ⅲ），巖體呈中等完整狀態(tài)；

（4）采空區(qū)或3#煤層：采空區(qū)或3#煤層厚度在0.8～3.1m之間，3#煤層飽和狀態(tài)下測(cè)得抗壓強(qiáng)度6.7～9.2MPa，干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度介于14.7～18.3MPa之間，軟化系數(shù)大約0.48左右。飽和抗拉強(qiáng)度1.2MPa，干燥狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度2.9MPa。飽和抗剪斷強(qiáng)度C=1.97MPa，Φ=35.9MPa；

（5）砂巖T3w5：該層未揭穿，以中粒砂巖和細(xì)粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖，多形成煤層的基本頂或老底。原生結(jié)構(gòu)面由平行層理、塊狀層理和大型板狀交錯(cuò)層理等組成，單層厚度大，構(gòu)造結(jié)構(gòu)面主要呈節(jié)理狀態(tài)。干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度54.70～64.45MPa，飽和抗壓強(qiáng)度20.2～28.7MPa，軟化系數(shù)大約為0.5，抗水性能好，抗凍性能好，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。巖石的質(zhì)量指標(biāo)為78.5%～89.9%，該層巖石質(zhì)量屬中等至好，巖體質(zhì)量中等。

4.3 采空區(qū)分布特征

根據(jù)調(diào)查、走訪、物探解譯及現(xiàn)場(chǎng)鉆探驗(yàn)證，建設(shè)場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)存在采空區(qū)，采空區(qū)的形成主要是由于小煤窯開(kāi)采，采用的方法主要是條帶式，條帶采空區(qū)異常區(qū)寬度7.0～60.0m之間，可以分為三個(gè)條帶采空區(qū)，圖7為延安市子長(zhǎng)縣芽坪村安置點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目小煤窯采空區(qū)場(chǎng)地采空區(qū)分布圖。采空區(qū)分布情況詳見(jiàn)表1。

4.4 采空區(qū)治理方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合該施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和各種采空區(qū)的處理方法的適用條件綜合考率，該工程最后擬選用沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁的施工方法。地基及基礎(chǔ)方案可根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的巖土工程勘察任務(wù)委托書(shū)，設(shè)計(jì)室內(nèi)±0.000m標(biāo)高、荷載、結(jié)構(gòu)、功能特征和地基土工程性質(zhì)綜合而定。根據(jù)勘察成果，擬建場(chǎng)地素填土、飽和粉土厚度較大，密實(shí)度不均勻，場(chǎng)地大部地段屬不均勻地基。根據(jù)地基土工程性能特征及分布條件、建筑物荷載特點(diǎn)、基礎(chǔ)埋置深度等，通過(guò)對(duì)地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行論證，一致認(rèn)為采用沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁比較適宜，且施工比較方便、經(jīng)濟(jì)。

圖7 采空區(qū)分布圖

表1 擬建場(chǎng)地內(nèi)采空區(qū)分布一覽表

4.4.1 沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁設(shè)計(jì)

沉管夯擴(kuò)鋼筋混凝土樁是近年來(lái)興起的一種新的地基處理方法，該樁型已在2015年正式成為地方規(guī)范《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》DBJ 61/T102-2015。該種樁成孔采用擠密不取土方法，樁底部用干硬性混凝土夯擊成大頭狀，增大了樁端與持力層接觸面積，大大提高了單樁承載力及復(fù)合地基承載力。同時(shí)，該種樁現(xiàn)場(chǎng)施工，干凈、無(wú)污染、地下水位對(duì)其影響較小，施工速度較快、工期短、成本相對(duì)較低，是近年來(lái)使用較多的地基處理新方法，在西安地區(qū)已有許多成功運(yùn)用的工程案例。根據(jù)勘察報(bào)告、地層結(jié)構(gòu)資料，結(jié)合《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》要求，提供沉管夯擴(kuò)樁有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

根據(jù)擬建物結(jié)構(gòu)特征，采用沉管夯擴(kuò)樁可在條形基礎(chǔ)或獨(dú)立基礎(chǔ)下布樁，也可采用單柱單樁。設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照《沉管夯擴(kuò)樁技術(shù)規(guī)程》DBJ 61/T102-2015執(zhí)行，該種樁型主要以端承力及側(cè)阻力發(fā)揮作用，設(shè)計(jì)單位可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，及不同建筑物對(duì)地基的不同要求和其所在地基土工程特征的不同，選擇不同的樁徑樁長(zhǎng)。

表2 沉管夯擴(kuò)樁設(shè)計(jì)參數(shù)

采用沉管夯擴(kuò)樁方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意下列問(wèn)題：

（1）樁基工程正式施工前，應(yīng)注意在現(xiàn)場(chǎng)試樁，驗(yàn)證單樁承載力是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，核實(shí)該工程現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定好相應(yīng)的樁尖標(biāo)高，評(píng)判樁尖穿透硬夾層的可能性。必要時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整；

（2）沉管夯擴(kuò)樁施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，單樁承載力的靜載荷試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2012附錄的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試樁報(bào)告應(yīng)及時(shí)送交設(shè)計(jì)單位，經(jīng)設(shè)計(jì)單位認(rèn)可后方可施工工程樁。

當(dāng)設(shè)計(jì)上有特殊要求或受施工條件的限制時(shí)，不排除采用其它地基處理方法，但無(wú)論采用何種處理方法，都必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)檢測(cè)地基的承載力，嚴(yán)格按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2012及相應(yīng)的施工規(guī)范中的有關(guān)要求進(jìn)行，以確保地基處理后達(dá)到預(yù)期效果。

樁平面布置圖和試樁、工程樁的有效樁長(zhǎng)、入巖深度、沉渣、灌入度樁焊接、承載力簡(jiǎn)圖如圖8、圖9所示。

圖8 采空區(qū)樁平面布置圖

圖9 采空區(qū)工程樁及試樁示意圖

4.5 基坑開(kāi)挖與支護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)地四周與已有建筑物、道路均有一定的安全距離，坑壁主要為①層素填土、②層粉土、③層粉質(zhì)粘土，應(yīng)根據(jù)擬建建筑物基礎(chǔ)埋深及周?chē)ㄖ闆r，看是否具備開(kāi)挖放坡條件。若具備，則放坡坡度①層素填土可按1:1.4進(jìn)行，②層粉土、③層粉質(zhì)粘土可按1:1.25進(jìn)行。若需進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、抗剪強(qiáng)度參數(shù)及天然重度，建議采用如下數(shù)值，如表3所示。

4.6 基坑開(kāi)挖應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）為了保證地基土原狀結(jié)構(gòu)不受破壞，基坑開(kāi)挖應(yīng)在基底面以上預(yù)留一定厚度土層，地基處理施工后進(jìn)行清理。

表3 基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)建議參數(shù)表

（2）基坑開(kāi)挖出來(lái)的土不應(yīng)堆放在基坑邊，應(yīng)及時(shí)外運(yùn)或遠(yuǎn)離基坑邊，以保證邊坡的穩(wěn)定性。

（3）同時(shí)，做好場(chǎng)地排水設(shè)計(jì)，及時(shí)排除場(chǎng)地雨水，防止地表水、施工用水及生活用水滲入地下造成對(duì)地基和邊坡的危害。

4.7 基坑降水

勘察期間，擬建場(chǎng)地在鉆探深度內(nèi)未揭露到地下水，場(chǎng)地內(nèi)分布上層滯水，粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大，在擾動(dòng)作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象，類(lèi)似地下水位，根據(jù)多日在鉆孔內(nèi)觀察及民調(diào)，水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地表水的滲入，如需要排水，建議采用集水明排法進(jìn)行。

4.8 施工過(guò)程中需要注意的問(wèn)題

擬建場(chǎng)地附近未發(fā)現(xiàn)有影響施工的因素，上部土為松散的素填土、粉土和粉質(zhì)粘土，粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大，在擾動(dòng)作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象，采用大開(kāi)挖時(shí)易引起坍塌，建議開(kāi)挖時(shí)采取簡(jiǎn)單的支護(hù)措施，以免影響后續(xù)正常施工。

5 結(jié)語(yǔ)

該采空區(qū)案例已建成3年多，至今采空區(qū)治理效果良好，是一個(gè)典型的采煤區(qū)下的采空區(qū)的案例。采空區(qū)的處理問(wèn)題是當(dāng)今建筑領(lǐng)域的一大技術(shù)難題，各種處理方法都存在一定的局限性，在施工之前，要因地制宜，合理結(jié)合采空區(qū)的幾種處理方法，必須做到安全可靠之后方可進(jìn)行基礎(chǔ)施工。