謝 琳，郭典塔

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010）

1 采空區(qū)的分布特點及存在的問題

我國煤礦采空區(qū)分布較廣［1］，屬于隱蔽、復(fù)雜、地表變形范圍大、容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的不良地質(zhì)場地，廣州市的煤礦區(qū)主要分布在黃石路一帶。采空區(qū)地表的不均勻下沉和水平變形、垮塌等災(zāi)害給工程建設(shè)及運營帶來了較為嚴(yán)重的安全隱患。由地表移動和變形引起的地面塌陷、滑坡和崩塌等次生災(zāi)害也時有發(fā)生，大面積煤礦采空區(qū)垮落甚至可能誘發(fā)地震，嚴(yán)重危害工程安全。

采空區(qū)的存在，打破了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得上覆巖土體在自重作用下冒落、塌陷，自下而上形成橫向“三帶”即冒落帶、裂隙帶和整體移動帶（彎沉帶），變形波及地表從而形成下沉盆地，這就使得該采空區(qū)的承載能力大大降低，并且在很長時間內(nèi)不能達到穩(wěn)定，導(dǎo)致途經(jīng)該采空區(qū)的路基或地基存在很大的隱患。再加上在建筑物荷載的作用下，有可能使原本處于相對平衡狀態(tài)的冒裂帶巖體重新“活化”，使冒裂帶巖體再壓密，地下殘留空洞再冒落，導(dǎo)致地表產(chǎn)生附加移動和變形，進而使新建建筑物沉降、局部開裂、傾斜、直至倒塌。

因此，研究如何有效地對采空區(qū)進行勘察設(shè)計、采取怎樣的處理措施以及研究礦區(qū)的地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)問題，對于地表環(huán)境保護和資源有效利用有著巨大的意義。

2 工程概況及地質(zhì)條件

某項目位于廣州市白云區(qū)機場路西側(cè)，黃石路北側(cè)，規(guī)劃用地面積433 262.83 m2，總建筑面積442 331.3 m2，擬建9 棟34 層，1 棟18 層高層住宅及小學(xué)、幼兒園、垃圾站等配套設(shè)施，6 棟公共租賃房。本項目設(shè)置地下室2 層，項目工期要求十分嚴(yán)格。共布置詳細勘察鉆孔162 個，其中技術(shù)孔65 個，鑒別孔97 個。本項目工程重要性等級為一級，場地復(fù)雜程度為一級，地基等級為一級，巖土工程勘察等級為甲級。

2.1 地形地貌及周邊環(huán)境

場地原始地貌形態(tài)屬珠江三角洲沖洪積平原，擬建場地原為廠房，地形起伏不大，局部為建筑垃圾及生活垃圾、廢金屬堆填，鉆探過程中以及鉆探完成后仍有大量土方及工廠、生活垃圾運至該場地堆放，造成局部土方堆填較高。

2.2 區(qū)域地質(zhì)

對照廣州市基巖地質(zhì)圖，該區(qū)域位于廣從斷裂以西，新市-嘉禾斷裂組以東區(qū)域，距場地約5.5 km 基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階石蹬子組灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)頁巖，測水組炭質(zhì)頁巖夾泥灰?guī)r及煤，梓門橋組泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖。場地地下水主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。

2.3 巖土地層構(gòu)成及特征

根據(jù)鉆探揭露的地質(zhì)資料，將場地內(nèi)土巖層按成因類型，自上而下劃為：人工填土層；沖洪積層、風(fēng)化殘積層、基巖：泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，炭質(zhì)灰?guī)r。典型地質(zhì)剖面如圖1 所示。大面積的采空區(qū)/采煤區(qū)對樁基礎(chǔ)施工、基坑開挖、地基處理的不利影響極大，同時在施工期間及竣工后可能誘發(fā)地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，對工程設(shè)計施工及后期投入使用極為不利［2-4］。

圖1 典型地質(zhì)剖面Fig.1 The Typical of Geological Profile

3 基坑支護設(shè)計

3.1 工程基本情況

①本工程開挖深度5.4～10.3 m，支護周長約為1 870 m。②本工程場地砂層分布廣泛，普遍厚度較大，且多位于基坑開挖深度范圍內(nèi)；砂層直接與風(fēng)化巖層接觸，風(fēng)化巖層較破碎，地下水量較豐富，水文地質(zhì)條件復(fù)雜；下覆基巖為為炭質(zhì)灰?guī)r，巖層較破碎，局部夾有煤層、溶（土）洞、采空區(qū)/采煤區(qū)。煤層松散破碎，承載力低，采空區(qū)/采煤區(qū)僅局部充填。③本工程周邊環(huán)境復(fù)雜：基坑西南側(cè)地下室邊線距5 層天然基礎(chǔ)樓房群最近約5.0 m，距管樁基礎(chǔ)廠房最近約5.1 m。本工程基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工必須保證周圍建筑物及河涌的安全。

3.2 基坑支護設(shè)計原則

在廣泛調(diào)查、剖析同區(qū)域類似工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上［5-11］，對場地環(huán)境條件及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進行詳細分析，精心設(shè)計，對主體部分進行了多方案分析比較，對難點部分進行詳細分析研究，基坑支護設(shè)計方案根據(jù)各剖面實際情況和特點分別采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索或鋼筋混凝土內(nèi)支撐、復(fù)合型噴錨、一～二級放坡并結(jié)合大直徑水泥攪拌樁止水等多種組合形式的設(shè)計方案，達到了因地制宜、安全可行、經(jīng)濟合理、施工方便、保護環(huán)境的目的。

3.3 基坑止水方案合理選擇

場地距離蜆坑河約20.0 m，砂層分布廣泛，普遍厚度較大，且多位于基坑開挖深度范圍內(nèi)；砂層直接與風(fēng)化巖層接觸，地下水量豐富。規(guī)模極大，周邊環(huán)境復(fù)雜，止水是關(guān)鍵也是難點?；又ёo主要采用φ1 000 mm@750 mm 大直徑攪拌樁進行止水，對于砂層直接與風(fēng)化巖層接觸區(qū)域，另采用雙管旋噴樁進行樁間旋噴，該方案止水效果優(yōu)良，確保了施工安全、提高了工作效率。

3.4 加強監(jiān)測

基坑西南側(cè)地下室邊線距5 層天然基礎(chǔ)樓房群最近約5.0 m，距管樁基礎(chǔ)廠房最近約5.1 m。且局部區(qū)域松散填土層及砂層較厚。在該區(qū)域選擇采用樁錨、樁撐支護。同時，對周邊環(huán)境布置監(jiān)測點，進行嚴(yán)密監(jiān)測，確保周邊建構(gòu)筑物的安全。施工過程中，發(fā)現(xiàn)若干點建筑沉降速率過快，立即在支護結(jié)構(gòu)與建筑物之間，采用多排袖筏管注漿加固地層，并通過回灌井回升地下水位，以減小基坑開挖引起的建筑物的變形沉降，最終將周圍建筑物的變形沉降控制在允許范圍內(nèi)。

基坑支護典型剖面如圖2所示。

圖2 典型支護剖面Fig.2 The Typical of the Retaining and Protection for Excavations （mm）

4 采空區(qū)地基處理

采空區(qū)主要為先人在石炭系地層中存在的煤層進行采煤活動所殘留的痕跡。根據(jù)超前鉆和詳勘鉆孔揭露，采空區(qū)頂面埋深為3.00～47.10 m，標(biāo)高5.88～（-37.81）m，底 面 埋 深5.40～52.40 m，標(biāo) 高3.92～（-43.11）m；縱向分布有1～4層，層間距0.8～14.0 m。煤層頂面埋深1.10～42.80 m，標(biāo)高8.20～34.31 m，煤層底面埋深1.90～44.50 m，標(biāo)高7.40～（-36.01）m；煤層厚度0.50～6.50 m。煤層與采空區(qū)的分布基本一致。采空區(qū)多為半充填及充填狀態(tài)，充填物多為碎石、煤渣、碎木及砂粒；鉆進較快、自由掉鉆、漏水。說明采空區(qū)多為空洞或充填松散物，透水性好。分布在建筑范圍，深淺不一，由于開采活動對圍巖擾動較大，對地基土（巖）的力學(xué)性質(zhì)影響很大，應(yīng)進行充填加固處理。

4.1 加固目的

采空區(qū)經(jīng)加固后應(yīng)滿足以下要求：①場地在建筑物建成后，在使用年限內(nèi)不發(fā)生沉陷等地質(zhì)災(zāi)害；②可滿足基坑開挖、地基處理以及基礎(chǔ)施工等正常安全操作；③位于基礎(chǔ)持力層下方的采空區(qū)，其承載力可滿足作為地基基礎(chǔ)持力層的要求。

4.2 加固充填材料

水泥凈漿、水泥砂漿、素混凝土、水玻璃、粉煤灰、砂、碎石、磚渣。根據(jù)采空區(qū)所處位置、對建筑物基礎(chǔ)的作用和影響不同，采用不同的填充料和充填方法。

一般部位采用充填砂石或磚渣碎石，適當(dāng)灌注水泥漿充填?；A(chǔ)持力層重要部位，主要充填水泥砂漿或素混凝土，必要時增加壓力灌漿處理，確保加固體的強度和密實度。

4.3 加固范圍

平面上應(yīng)覆蓋建筑（包地上或地下）投影范圍外擴6.0 m，且不少于基礎(chǔ)下方持力層受力深度擴散范圍；豎向應(yīng)不小于地基基礎(chǔ)持力層深度的要求。

4.4 步驟和工序要求

步驟：①圍堵，在場地外擴范圍采空區(qū)的圍堵；②大洞的粗骨料初步充填，擠於抽排；③大洞二次低標(biāo)號水泥砂漿充填，小洞低標(biāo)號砂漿充填；④單洞壓密注漿，豎向多層采空區(qū)分層袖閥管壓密注漿；⑤檢測補漿。

工序要求：①先外后內(nèi)，即先在外圍對采空區(qū)進行圍堵，后對中間的采空區(qū)進行充填或灌漿處理；②先大后小，即先對體積較大的采空區(qū)進行填充或灌漿處理，后對較小的采空區(qū)填充或灌漿處理；③先粗后細，即先充填粗骨料，后充填細填料；④先上后下，即對多層采空區(qū)進行處理時，采取先處理上層，后處理下層的順序進行。

4.5 工法和工藝

⑴大體積采空區(qū)（空洞）：采用加大直徑的鉆孔作為充填通道，可采用旋挖樁機成孔后進行粗骨料的填充施工。補漿時輔助較小鉆孔的壓漿，或袖閥管注漿處理。

⑵小體積采空區(qū)（空洞）：可采用較小直徑的鉆孔或利用超前鉆孔進行灌注砂漿或純水泥漿施工。

采空區(qū)處理平面及大樣如圖3、圖4所示。

圖3 采空區(qū)處理平面Fig.3 The Treatment Plan of Goaf （mm）

圖4 采空區(qū)處理大樣Fig.4 The Detailed of Goaf Treatment （mm）

采空區(qū)、采煤區(qū)處理方案針對性強、安全可行、經(jīng)濟合理、施工方便、保護環(huán)境。

根據(jù)場地內(nèi)已揭露的采空區(qū)、采煤區(qū)的不同洞高、充填及連通情況，針對性提出“先隔后填、先粗后細、先下后上”的處理方法：①對于大洞，采用先回填粗骨料，后雙液注漿進行場地內(nèi)外連通隔斷，場地內(nèi)大洞內(nèi)采用先回填粗骨料、再填充低標(biāo)號水泥砂漿、最后進行壓密注漿的方式進行加固處理；②對于一般采空區(qū)/采煤區(qū)，采用雙液注漿與采空區(qū)填充物結(jié)合隔斷場地內(nèi)外連通，再采用先填充低標(biāo)號水泥砂漿，后進行水泥凈漿壓密注漿進行加固處理；③對于場地內(nèi)的多層采空區(qū)，采用袖閥管壓密注漿。該方法達到了安全可行、經(jīng)濟合理、施工方便、保護環(huán)境的效果。

5 實施效果及創(chuàng)新點

5.1 基坑支護設(shè)計主要創(chuàng)新點

⑴水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，基坑開挖范圍內(nèi)存在一定厚度的淤泥（質(zhì)土）和較厚砂層，部分區(qū)域砂層直接和巖層接觸；場地鄰近蜆坑河，地下水十分豐富，充分考慮軟弱和透水地層的分布位置以及深淺、厚薄變化的情況，采用大直徑攪拌樁止水，對于砂層直接和巖層接觸區(qū)域，采用雙管旋噴樁進行樁間止水，確保了止水效果并又節(jié)省了投資。

⑵根據(jù)鉆孔資料細致分區(qū)，控制支護樁的嵌固深度，對坡頂有放坡空間區(qū)域，將支護樁壓頂梁面降低到現(xiàn)地面下-2.0 m，以減小支護樁的費用。

⑶合理確定錨索標(biāo)高，確保錨索開孔避開砂層，下部錨索無法避開砂層則采用套管超前跟進，以確保成孔過程中不出現(xiàn)涌水涌砂問題，保證地面沉降變形控制在合理范圍內(nèi)。

⑷各地塊基坑周邊環(huán)境不同、開挖深度和地質(zhì)條件也有差異，通過靈活運用樁錨、樁撐、放坡、土釘墻多種支護手段實現(xiàn)各支護區(qū)段和不同支護型式之間平順過渡，確保了支護體系的安全、經(jīng)濟和施工便利性。

⑸對于基坑外近距離存在既有建構(gòu)筑物、同時又有砂層直接和巖層接觸的區(qū)域，地下連續(xù)墻方案原是相對安全的支護及止水方案，但考慮到該方案造價較高，經(jīng)過縝密考慮比較后，選用樁錨、樁撐支護，選用大直徑攪拌樁及雙管旋噴樁進行樁外、樁間止水。該方案在施工過程中出現(xiàn)坑外地下水位下降，且鄰近建筑物變形沉降速率過快等現(xiàn)象。通過采用多排袖筏管注漿加固地層，并通過回灌井恢復(fù)地下水位，減小了基坑開挖引起的建筑物的變形沉降速率，最終將周圍建筑物的變形沉降控制在允許范圍內(nèi)。直至竣工，該支護及止水方案造價仍低于地下連續(xù)墻方案。

⑹基坑支護設(shè)計大部分區(qū)域采用樁錨、放坡、土釘?shù)戎ёo形式，可為土方開挖、基礎(chǔ)施工及地下室施工提供了極為有利的空間，與同類工程相比工期約提前100 d，為實現(xiàn)居民順利回遷和引進人才安居入住大大爭取了時間。

⑺ 實施過程中，基坑和周邊建筑物安全穩(wěn)定，變形量均小于允許值，基坑周邊止水效果良好，受到業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的好評，達到了安全、可靠、縮短工期的目的?；娱_挖到底的現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 加固處理完后現(xiàn)場Fig.5 The Site after Goaf Treatmen

5.2 采空區(qū)處理設(shè)計主要創(chuàng)新點

本場地內(nèi)存在大面積的采空區(qū)、采煤區(qū)，根據(jù)不同洞高、充填及連通情況，針對性提出“先隔后填、先粗后細、先下后上”的處理方法：對于大洞，采用先回填粗骨料，后雙液注漿進行場地內(nèi)外連通隔斷，場地內(nèi)大洞內(nèi)采用先引孔回填粗骨料、再填充低標(biāo)號水泥砂漿、最后進行壓密注漿的方式進行加固處理；對于一般采空區(qū)、采煤區(qū)，采用雙液注漿與采空區(qū)填充物結(jié)合隔斷場地內(nèi)外連通，再采用先填充低標(biāo)號水泥砂漿，后進行水泥凈漿壓密注漿進行加固處理。對于場地內(nèi)的多層采空區(qū)，采用袖閥管壓密注漿。該方案保證工程樁順利成孔、成樁至設(shè)計要求的持力層，對樁周提供足夠的樁側(cè)支撐力；滿足基坑開挖、地基處理以及基礎(chǔ)施工等正常安全操作需求；同時還保證了場地在施工期間及建筑建成后使用年限內(nèi)不發(fā)生沉陷等地質(zhì)災(zāi)害。

6 結(jié)語

總之，在采區(qū)空地下條件下進行巖土工程勘察、基坑支護和地基處理的施工存在一定的風(fēng)險，地質(zhì)條件變化多樣，工程建設(shè)的相關(guān)管理者應(yīng)當(dāng)在結(jié)合所在地工程建設(shè)的經(jīng)驗上，按照一定的要求和理念進行巖土工程勘察、基坑支護工程和地基處理的施工，根據(jù)特定的工程要求和條件進行綜合考慮，做出安全可靠經(jīng)濟和環(huán)保的整體設(shè)計施工方案。