枣木高速公路下伏采空区综合物探方法

张淑坤，张向东，陆启珂

（1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000；2.中交集团 第三航务工程局铁路分公司，上海 201900）

0 引言

地下矿层采空后形成的空间称为采空区。出现采空后，其上覆盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件被破坏，使得上覆岩层产生移动变形，直到破坏塌落。导致地表各类建筑变形破坏，地表大面积下沉、凹陷、位移，致使地面上已有的建、构筑物、公路、铁路及桥涵受到破坏。而近些年随着大量高速公路的修建，避免不了的穿越采空区。但是有些采空区年代久远，或多次的回采，无法确定其具体形态。要在该处修建道路或是桥梁，采空区的探测准确性则显得尤为重要。随着科技不断发展，采空区的探测仪器和方法也越来越多种多样。其中地震勘探方法［1-3］、电法探测等［4-5］，以其特有的分辨率高、定位准确、经济、灵活等特点，占有了很大的优势。本文中将以山东枣木公路木石段为例，综合运用高密度电阻率映像法、高分辨率地震声纳及声波探测等方法来综合确定其位置，为下一步的采空区评价及治理提供科学依据。

1 工程概况

山东省枣木高速公路木石段与兖州矿业集团鲁化公司的南大门运送物料的主要通道形成一个公路铁路平面交叉口。鉴于此原因，有关部门协商决定在此区域拟建一座公铁立交桥。由于拟建地点处于采空区上方，因此必须要考虑采空区存在的影响。然而该地矿物开采条件复杂，年代久远。未掌握采掘工程平面图，因此对该处采空区的准确探测变得尤为重要。根据钻探资料显示，探测区内地层10m左右以内主要是第四系覆盖层，10～30m深度区间为全风化和强风化的页岩和砂岩互层，局部位置（ZK5）在25m左右就可见到发育的煤层，30～80m区间为弱风化、微风化的砂岩。被采煤层的顶界面深度大致在75～85m区间，煤层厚度在5m左右。

2 采空区探测

探测前粗略掌握如下材料：该煤矿布置有一对主副斜井在3#煤层露头附近（K3+3480）向东及东南沿煤层的倾斜方向开采。开采区域地表标高为59～67m，地下开采3#煤层厚度变化在1.3～13.0m，大部分区域为2～8m。煤层向东及东南倾斜，倾角为22°，局部倾角变化 23°～26°，倾斜投影长度在 1000m左右。首先以路面沉陷范围入手进行研究，确定探测区域。探测区位于山东省滕州市木石镇东南侧，区域属于平原微丘地形。探测区内植被发育，地表地貌人为破坏严重。分布有多处鱼塘和砖场。根据对地形的分析和探测环境限制，实际工作中采用高密度电阻率映像法和高分辨率地震声纳法进行综合探测。共布设5条测线，完成测线总长3600m。同时，还对16#孔（路北侧K3+767）进行了钻孔波速测试来相互映证探测结果的准确性。

图1 探测区典型地貌特征图Fig.1 Detection area typical geomorphology

图2 测线布置示意图Fig.2 Test line layout diagram

2.1 WENNER高密度电阻率法探测（三条测线）

构建探测地下异常体的地球物理模型，是正确进行探测结果解译的前提。通常情况下会根据反演分析和现场试验结果建立探测目标体的地质-地球物理模型。没有完全被水或其他低阻物质（粘土）充填的采空区在视电阻率剖面图上表现为赋存在高阻区（完整岩体的反映）的更高电阻区，异常区的分布范围要比实际分布范围宽，采空区的顶界面在视电阻率图上反映清晰，底界面不明显。不同采空变形区因岩体破碎，会显示高阻异常特征。测线位置参见图2，各探测图3～5中从上到下依次为实际采集视电阻率剖面图、计算视电阻率剖面图和解译剖面图。图中的深度标记为基于电场理论的理论深度，图中所表虚线表示推断采空变形区的顶界面位置。

（1）测线1：枣木高速公路北侧 K3+480～K3+960m区段路基坡脚位置

在测线1测试结果中采空变形区顶界面埋深较浅，并有一定起伏。由于电剖面反映深度较浅，没有看到采空区的电异常反映。在相应两区段二极装置的实测剖面图中采空变形区同样表现为高阻特征，虽然勘探深度增加，但并没有采空区分布的明显异常特征。这可能与采空区被塌落的岩石充填有关。（探测图略）。

（2）测线2：平行于测线1北侧30m，分布区间为K3+750～K3+905m

受地表条件影响，测线2布设较短。实际测量时，由大桩号向小桩号方向测量。经和钻孔资料对比，实际深度应为显示深度的2倍。用虚线圈出采空区的顶界面，从反演解译结果中可以看到采空区表现为高阻特征，在测线2的K3+865～K3+835区段、K3+820～K3+795区段存在高阻分布区，推断为采空区的影响。

图3 测线2 K 3+905－K 3+750区段电阻率映像图Fig.3 The resistivity mapping diagram at survey line 2（K 3+905－K 3+750）

（3）测线3：枣木高速公路南侧 K3+470～K3+950区段路基坡脚位置

探测结果如图5和图6所示。为了便于不同剖面间的资料比对，两图中K3+630～K3+790区段重复测量。实际测量时，由大桩号向小桩号方向测量。从反演解译结果中可以看到采空变形区表现为高阻特征，在测线3的K3+650～K3+780区段分布。由于电剖面反映深度较浅，没有看到采空区的电异常反映。

图4 测线3 K 3+950～K 3+630区段W ENNER装置电阻率映像图Fig.4 The resistivity m apping diagram for W ENNER device at survey line 3（K 3+950～K 3+630）

图5 测线3 K 3+790～K 3+470区段WENNER装置电阻率映像图Fig.5 The resistivity mapping diagram for W ENNER device at survey line 3（K 3+790～K 3+470）

在相应两区段的二极装置的实测剖面图上，采空变形区同样表现为高阻特征，虽然勘探深度增加，但并没有采空区分布的明显异常特征。这可能与采空区被塌落的岩石充填有关。

2.2 高分辨率地震声纳探测（两条测线）

在地震探测剖面图上，不同采空变形区的反射波特征会各不相同。弯曲带内的反射波同相轴连续，但会在变形区边界和原状土层的反射轴发生错断；裂隙带会因裂隙的存在造成同相轴错断；冒落带会因岩体的破碎而造成反射波同相轴紊乱，能量衰减。如果较大规模采空区没有被充填，其分布的顶底界面会表现为强反射界面，同时还会形成多次层间反射。

测线4：枣木高速公路路面北侧K3+480～K4+080区段路肩位置；测线5：枣木高速公路路面南侧K3+470～K4+070区段路肩位置。整个工作在枣木高速公路路面上方开展，测试结果如图6、7所示。地震映像图中第四纪覆盖层中存在的多套沉积层，风化岩层，基岩面反射特征明显。基岩面以下地震反射波能量相对减弱。同样根据确定的不同采空变形区的反射波特征以及前述电法所探测的结果进行综合分析，对各个变形区界限进行了确定。图6、7中，A：弯曲带，B：裂隙带，C：冒落带，D：采空区。

图6 测线4高分辨率地震映像图Fig.6 The high resolution seismic imaging map at survey line 4

图7 测线5高分辨率地震映像图Fig.7 The high resolution seismic imaging map at survey line 5

2.3 钻孔资料及声波探测检验

地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，平衡条件被破坏，采空区上方岩体随之将产生变形。采空区上方岩体的变形，总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉落，其变形情况一般可分为冒落带、裂隙带、弯曲带。不同变形带的形成会使其与原状岩层的地球物理性质发生变化。特别在冒落带和裂隙带分布区，由变形作用导致的岩层破碎和裂隙产生，会使岩层的波速发生较大变化。为了进一步验证5条测线最终测定出的采空区位置以及三带存在情况，在公路北侧 K3+767进行钻孔 14#、15#、16#，并对 16孔进行波速测试（图8）。从实测资料中可以看到，整个钻孔位置不同深度的岩体波速相对于正常岩体波速偏小，特别在45m深度以下，由于岩体破碎导致波速进一步降低。这种岩土体物理性质的变化会使得变形区反射波特征和正常区存在较大差别。同时岩层破碎区的电阻率较正常的岩体电阻率会增大，从而5条测线测得的结果与声波测试结果以及前述的14#～16#钻孔资料得到了相互映证。

图8 16#孔波速－孔深曲线图Fig.8 The wave speed-depth of borehole curve of 16#

3 防治措施

（1）充填注浆治理。特点：治理效果好，但成本较高。根据情况可以制定充填注浆治理方案，注浆孔可分为中间注浆孔和边缘注浆孔，中间孔主要是起到充填加固地基作用，边缘孔主要起到帷幕作用，防止浆液流失。公路路基填筑范围内为采空区治理重点部位，各排钻孔间距应较小；路基两侧保护带为辅助治理部位，孔间距相对要大些；具体间距根据现场试验确定。

（2）加固高填路基治理。特点：成本较低，短期治理效果有效，需长期维护。若地表发生沉降或者水平位移，则对高填路基进行处理即可。这就对高填路基变形提出了很高的要求，要求其既能抗变形，还要具有良好的连续性，尽量减少病害的产生。采用加筋土可以很好的解决问题，目前一般都采用钢筋作为加固材料，但是钢筋存在严重的锈蚀问题，其耐久性一直困扰着建筑行业，而玄武岩FRP筋很好的解决了这一问题。其不仅有很好的抗拉强度，而且化学性质稳定，不易被腐蚀，因此有很好的推广前景。

4 结论

（1）从钻孔和物探结果看，采空区处于岩石充填或半充填状态。木石高速公路中轴线南北两侧50m范围内，探测区的K3+580～K3+830区段，深度75～90m区间采空区广泛分布。根据采空区和冒落带的相对尺度对应关系，可推断采空区的空间高度在3～8m，具体界限尺寸可以参考图6、7。

（2）该综合物探方法比较准确可靠，在修建建筑物穿越采空区且在没有完全掌握采掘工程平面图的情况下，可以参照本项目中的流程进行探测、来确定需要评估范围内的采空区范围及性态，以此作为依据进行相应治理。

（3）综合物探联合测定方法中由于技术及设备的限制，随着深度增加探测精度也将逐渐减小，因此在埋深100m范围内的采空区探测效果比较理想。

（4）可以根据具体情况选用充填注浆治理和加固高填路基治理。前者治理比较彻底但成本较高，后者成本较低，但需长期加以维护。高填路基方案中选用玄武岩FRP筋进行加固效果会更好。

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