游思琴，代志坤，詹堅(jiān)鑫

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

采空區(qū)是由人為挖掘地下礦產(chǎn)資源后殘留的“空洞”，具有隱蔽性強(qiáng)、規(guī)律性差、復(fù)雜性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。近年隨著城市的發(fā)展，各大中城市進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)。與此同時(shí)，采空區(qū)作為地鐵施工和運(yùn)營(yíng)安全的不良地質(zhì)隱患，影響城市軌道選線、設(shè)計(jì)以及后續(xù)施工等各個(gè)環(huán)節(jié)，多數(shù)情況選擇繞避[2]。但在實(shí)際工程建設(shè)中時(shí)常有無法繞避，必須通過的情況，故確定采空區(qū)范圍和邊界，查明其地質(zhì)特征，是地鐵工程勘察穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及工程建設(shè)適宜性分析、以及設(shè)計(jì)施工制定采空區(qū)處理技術(shù)方案的重要依據(jù)[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)采空區(qū)勘察已經(jīng)有較為詳實(shí)的研究，黃創(chuàng)[4]采用高密度電法確定采空區(qū)的分布范圍；林惠立、欒恒杰[5]利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和EH4大地電磁法確定采空區(qū)面積、內(nèi)積水等分布詳情；高奮飛、嚴(yán)克淵[6]綜合條件判別法和數(shù)值模擬方式對(duì)采空區(qū)對(duì)隧洞的影響進(jìn)行分析。其中，城市軌道交通建設(shè)尤其以地鐵工程建設(shè)對(duì)采空區(qū)的勘察的研究相對(duì)較少，本文以廣州地鐵十二號(hào)線受采空區(qū)影響的某工程區(qū)為例，詳勘階段通過收集區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查走訪、常規(guī)鉆探[7-11]、綜合物探[2,10-12]等方法，查明煤礦采空區(qū)的具體位置分布、形態(tài)、和充填情況，并對(duì)采空區(qū)對(duì)地鐵工程區(qū)隧道工程的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。為后續(xù)地鐵施工前對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿等預(yù)處理措施提供依據(jù)，確保地鐵工程安全施工。

1 采空區(qū)勘察

1.1 采空區(qū)基本工程地質(zhì)條件

廣州市三元里至嘉禾一帶分布有煤炭資源，自明清時(shí)期就有零星開采，解放后才有一定規(guī)模的開采，20世紀(jì)80年代末該區(qū)所有煤礦陸續(xù)停產(chǎn)關(guān)閉，但留下了許多地下采空區(qū)，其平面位置及空間狀況對(duì)廣州市北部地鐵線路敷設(shè)方案及工法選擇有著較大的影響。工程區(qū)附近分布的煤田采空區(qū)主要為二井田、三井田、四井田采空區(qū)，其中二井田采空區(qū)與工程區(qū)有相交，相交位置示意見圖1。

圖1 廣州市煤田采空區(qū)與工程區(qū)相交位置示意

采空區(qū)含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)，其上部為灰白色長(zhǎng)石石英砂巖、灰色泥巖，含鐵質(zhì)結(jié)核和菱鐵礦條帶，中部夾鈣質(zhì)泥巖，硅質(zhì)巖透鏡體。下部為灰白色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，與細(xì)砂巖互層，夾數(shù)層煤層和炭質(zhì)泥巖，厚度為150～300 m。采空區(qū)走向與區(qū)域龍?zhí)督M地層走向基本一致(為北北東向)，與工程區(qū)隧道斜交，分布寬度約120 m。

1.2 綜合地球物理勘察

在采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際施工條件，結(jié)合采空區(qū)空間分布特征、范圍，沿地鐵沿線，垂直采空區(qū)或地層走向?yàn)樵瓌t布置勘探線或勘探點(diǎn)，進(jìn)行綜合地球物理勘察。本工程區(qū)物探工作共設(shè)計(jì)微動(dòng)面波勘探測(cè)線2條，分別為DL6、DL7，共計(jì)600 m，測(cè)點(diǎn)為62個(gè)，同時(shí)初勘DL18、DL20巖芯，揭露了采空區(qū)特征，對(duì)2個(gè)鉆孔進(jìn)行了參數(shù)采集，總計(jì)采集64個(gè)物理勘探點(diǎn)(見圖2)。

圖2 工程區(qū)物探實(shí)際工作量示意

根據(jù)圖3所示，通過煤田勘探和煤礦開采資料，DL6測(cè)線異常：6-1、6-2、6-3區(qū)埋深100 m范圍內(nèi)無煤層和采空區(qū)，推測(cè)為巖層破碎；其中6-4、6-5、6-6和6-7異常區(qū)對(duì)應(yīng)二井田煤層。DL7測(cè)線異常：7-1、7-2異常區(qū)對(duì)應(yīng)二井田煤層。

圖3 DL6、DL7 面波波速等值線剖面圖與平面異常示意

根據(jù)DL6和DL7測(cè)線圈定的低速異常帶，結(jié)合煤田勘探資料，在平面上圈定6個(gè)異常區(qū)(XSX-1至XSX-6)。其中XSX-1、XSX-2、XSX-3異常區(qū)對(duì)應(yīng)DL6測(cè)線面波速度剖面圖上的6-1、6-2、6-3異常。XSX-4、XSX-5、異常區(qū)對(duì)應(yīng)DL6、DL7測(cè)線面波速度剖面圖上的6-4、6-5、6-6、7-1、7-2異常。XSX-6異常區(qū)對(duì)應(yīng)DL6測(cè)線面波速度剖面圖上的6-7異常。

1.3 鉆探驗(yàn)證

依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[13]，結(jié)合搜集資料、工程地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪成果、工程物探異常區(qū)域、地表變形觀測(cè)資料等，根據(jù)采空區(qū)與地鐵沿線的關(guān)系以及對(duì)既有采空區(qū)的認(rèn)識(shí)，對(duì)微動(dòng)面波勘探劃定的異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，55個(gè)驗(yàn)證孔分布見表1。

表1 工程區(qū)物探異常情況及鉆探驗(yàn)證孔分布 m

在揭露老窿、采空區(qū)的范圍內(nèi)，共計(jì)有46個(gè)鉆孔，其中揭露采空區(qū)的鉆孔有30個(gè)，揭露煤層的鉆孔18個(gè)(其中有8個(gè)共同揭露了采空區(qū)、煤層)，鉆孔見采空區(qū)率為64.04%，見煤層率38.65%。采空區(qū)的分布在地鐵線路走向上有一定的連續(xù)性，由西往東逐漸變淺，采空區(qū)順著煤層在北東至南西方向也有一定的延續(xù)，采空擾動(dòng)影響的區(qū)域更廣，煤層往南西向逐漸尖滅。

在平面上，主要分布在6個(gè)區(qū)域，其中開采巷道基本平行煤層或地層走向呈條帶狀分布，開拓巷道基本垂直煤層和地層走向(見圖4)。通過鉆探結(jié)果確定區(qū)域內(nèi)采空區(qū)特征見表2。

表2 確定區(qū)域內(nèi)采空區(qū)特征

圖4 揭露采空區(qū)平面分布示意

2 場(chǎng)地穩(wěn)定性分析及工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

2.1 場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

1) 采空區(qū)場(chǎng)地現(xiàn)階段穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，綜合開采條件判別法、采深采厚比、采深及垮落斷裂帶高度、極限平衡法和采深采厚比4種判別方法，結(jié)合工程區(qū)煤礦采空區(qū)的特征，工程區(qū)采空區(qū)埋深小于60 m時(shí)，采空區(qū)對(duì)擬建地鐵的影響較大，為不穩(wěn)定場(chǎng)地；采空區(qū)埋深大于60 m時(shí)，采空區(qū)對(duì)擬建地鐵的影響較小，為穩(wěn)定場(chǎng)地。

2) 施工期采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

工程區(qū)揭露的采空區(qū)主要為淺層采空區(qū)，隧道底板下方的巖土層主要有：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖<7-3>，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖<8-3>，角礫狀斷層破碎帶< F-2>屬極軟-軟硬巖。隧道掘進(jìn)過程中建議根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)情況(包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件)進(jìn)行隧道圍巖分級(jí)修正。如在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖遇有地下水時(shí)，可根據(jù)具體情況和施工條件降低圍巖級(jí)別。結(jié)合工程區(qū)區(qū)間盾構(gòu)方式與地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，工程區(qū)淺部采空區(qū)進(jìn)行治理后，其穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

2.2 工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

1) 采空區(qū)對(duì)地鐵工程的影響程度

采空區(qū)對(duì)各類工程的影響程度，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性、建筑物重要程度和變形要求、地表變形特征及發(fā)展趨勢(shì)、地表移動(dòng)變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實(shí)狀態(tài)、活化影響因素等。

① 場(chǎng)地穩(wěn)定性及工程重要性等級(jí)定性分析采空區(qū)對(duì)工程的影響程度：工程區(qū)老窿采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定，擬建地鐵車站工程為重要工程，變形要求高，因此，采空區(qū)對(duì)工程的影響程度為大。

② 采空區(qū)特征及活化影響因素對(duì)工程影響程度：根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》工程區(qū)采空區(qū)采深采厚比H/M<30，采空區(qū)非垮落充分充填密實(shí)型，存在不連續(xù)的空洞，鉆探過程有掉鉆，多數(shù)為充水狀態(tài)?，F(xiàn)階段地面穩(wěn)定性較好，但上覆強(qiáng)風(fēng)化巖層較軟弱，可能發(fā)生不連續(xù)變形?；邮┕み^程可能造成周邊地下水位下降引起巷道上方垮落斷裂帶壓密即淺層采空區(qū)活化引發(fā)地面沉降變形等，因此，活化的可能性中等～大。綜合采空區(qū)特征及活化影響因素分析采空區(qū)對(duì)工程的影響程度為大。

綜合分析，在后續(xù)施工過程中，施工的動(dòng)態(tài)荷載及地下水位的變化可能激活采空破裂巖層導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，巷道支護(hù)較好的采空區(qū)下沉可能在采后很多年才發(fā)生，甚至50 a以上。另外保護(hù)煤柱也可能發(fā)生風(fēng)化現(xiàn)象，引起采空區(qū)塌陷。因此，工程區(qū)采空區(qū)對(duì)工程建設(shè)的影響為大。

2) 擬建工程對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定的影響程度

綜合分析荷載臨界影響深度判別法、附加應(yīng)力分析法、數(shù)值分析法等方法，據(jù)極限平衡法和采深采厚比等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，選取代表性鉆孔進(jìn)行定量定性分析，工程區(qū)荷載臨界影響深度HD(24.43 m)>采空區(qū)采深H(22.50 m)、附加應(yīng)力影響程度Ha(40.40 m)>垮落斷裂帶深度Hlf(14.74 m)，可知擬建工程對(duì)工程區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度為大。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，工程區(qū)采空區(qū)垮落不充分，存在地面發(fā)生變形的可能，工程建設(shè)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定的影響很大，需規(guī)劃、建筑、結(jié)構(gòu)，采空區(qū)治理和地基處理等的綜合設(shè)計(jì)，采空區(qū)場(chǎng)地對(duì)地鐵建設(shè)的適宜性評(píng)價(jià)為適宜性差。但場(chǎng)地不良地質(zhì)作用可通過工程措施予以防治，由于廣州地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),工程建設(shè)頻繁，在不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害治理方面積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，擬建場(chǎng)地通過采取相應(yīng)的防治措施，風(fēng)險(xiǎn)也是可控的，可以進(jìn)行工程建設(shè)，處理后的場(chǎng)地基本適宜地鐵工程建設(shè)。

3 結(jié)論及建議

1) 民窯、小煤窯開采歷史悠久，未進(jìn)行正規(guī)礦山設(shè)計(jì)，規(guī)律性差，需要廣泛收集采空區(qū)地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，初步劃定分析工程區(qū)采空區(qū)范圍，通過綜合物探方法在采空區(qū)劃定范圍內(nèi)圈定異常帶，根據(jù)物探異常帶指導(dǎo)鉆探工作，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，修正物探成果，能夠有效提高采空區(qū)勘察的準(zhǔn)確性，同時(shí)節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)勘察工作的時(shí)間以及成本，也減輕了前期大量密集鉆孔勘探對(duì)采空區(qū)巖層造成破碎，降低后期施工的風(fēng)險(xiǎn)，建議推廣使用。

2) 采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)施工影響較大。通過收集區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查走訪、常規(guī)鉆探、綜合物探等方法，查明煤礦采空區(qū)的具體位置分布、形態(tài)、和充填情況，并對(duì)采空區(qū)對(duì)地鐵工程區(qū)隧道工程的場(chǎng)地穩(wěn)定性及工程建設(shè)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。為下一步設(shè)計(jì)施工方優(yōu)化采空區(qū)注漿治理方案提供依據(jù)，提出安全高效的注漿處理措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保安全施工。

3) 地鐵工程采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分析及工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)及施工尤為重要，本工程區(qū)評(píng)價(jià)體系以定性分析為主，評(píng)價(jià)體系不夠完善，后續(xù)建議可通過數(shù)值模擬方法結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際案例進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)行更為深入的研究和探索，進(jìn)一步研究采空區(qū)注漿處理措施，按照動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則，施工過程中進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。