采空区公路勘察综合勘察方法运用

2018-11-21胡华敏

西部探矿工程 2018年12期

关键词：物探工程地质采空区

刘伟，胡华敏

(湖南嘉沣工程设计有限公司，湖南长沙410007)

1 勘察方法介绍

目前常用的勘察方法包括工程地质测绘、勘探与取样、原位测试与室内试验、现场检测与监测。

工程地质测绘是岩土工程勘察的基础工作，一般在勘察的初期阶段进行。这一方法的本质是运用地质、工程地质理论，对地面的地质现象进行观察和描述，分析其性质和规律，并藉以推断地下地质情况，为勘探、测试工作等其它勘察方法提供依据。

勘探包括物探、钻探和坑探等多种方法。它是用来调查地下地质情况的，并且可利用钻探取样进行原位测试和监测。物探是一种间接的勘探手段，它的优点是较之钻探和坑探轻便、经济而迅速，能够及时解决工程地质测绘中难于推断而又急待了解的地下地质情况，所以它常与测绘工作配合使用。它又可作为钻探和坑探的先行或辅助手段。但是，物探成果判释往往具多解性，方法的使用又受地形条件等的限制，其成果需用钻探工程来验证。

原位测试与室内试验的主要目的，是为岩土工程问题分析评价提供技术参数，包括岩土的物性指标、强度参数、固结变形特性参数、渗透性参数和应力、应变时间关系的参数等。原位测试一般都藉助于勘探工程进行，是详细勘察阶段主要的勘察方法。

现场检验与监测是构成岩土工程系统的一个重要环节，大量工作在施工和运营期间进行。但是这项工作一般需在施工勘察阶段开始实施，所以也被列为一种勘察方法。它的主要目的在于保证工程质量和安全，提高工程效益。

随着科学技术的飞速发展，在岩土工程勘察领域中不断引进高新技术。例如，工程地质综合分析、工程地质测绘制图和不良地质现象监测中遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球卫星定位系统(GPS)即“3S”技术的引进；勘探工作中地质雷达和地球物理成像技术(CT)的应用等。

2 某公路勘察项目背景

2.1 项目概况

某项目拟建公路规划为二级公路，设计速度40km/h。道路采用一幅路形式，标准横断面布置为路面宽8.5m，路基全宽10m。路线全长12km，其中特长隧道1座，大桥3座，中桥2座，小桥2座。特长隧道采用分离式双洞形式，单洞宽9.5m。

2.2 地形地貌

线路区域地形较复杂，线路总体地势为两端低中间高。线路起点段（即线路起点—隧道入口，里程K0+000～K2+600），高程292～397m，相对高差105m；线路中间段（即隧道段，里程K2+600～K7+650），山势陡峻，山体剥蚀作用强烈，高程390～1050m，相对高差660m；线路终点段（即隧道出口—线路终点，里程K7+650～K12+000），高程140～276m，相对高差136m。

线路通过的地貌有冲积河谷地貌与构造剥蚀丘陵、低山和中山地貌单元。其中线路起点段和终点段属冲积河谷地貌，地势较为平缓，地形较为开阔，海拔140～397m，其相对高差257m，沟谷中常堆积有第四系松散坡残积与崩坡积堆积层，滑坡、崩塌（危岩）较多，泥石流偶有发生。隧道段属构造剥蚀丘陵、低山和中山地貌，地势较为陡峻，常形成平顶山及横向谷、纵向谷；沟谷一般呈“V”型，构造剥蚀作用强烈，丘陵起伏，海拔390～1050m，最大高差660m，地表多堆积有较薄的第四纪冲洪积层与奥陶纪、石炭纪、二叠纪、侏罗纪砂岩脱落与风化的坡残积覆盖及堆积层，部分地区基岩直接裸露，滑坡、崩塌较少。

2.3 工程地质条件

（1）第四系覆盖物：

①第四系全新统人工填土层：表层为杂填土，以建筑垃圾为主，其下以碎石土为主，局部含少量粉土、细砂、卵石等，成份复杂、均匀性较差，范围及厚度均较小，遇水发生软化易产生不均匀沉降或过大沉降。

②粘土夹碎石：黄色、棕红色，结构松散，分布于项目区内地势较平缓的低山、丘陵地带，呈可塑—硬塑状，厚度0～2m，局部厚度可达5m，不良工程地质作用主要为潜在不稳定斜坡。

③碎石土：杂色，稍湿，松散，最大粒径不小于100mm，一般粒径20～40mm，大于20mm粒径的颗粒质量约占总质量的70%，亚圆形，分布于冲沟地带，厚度0～3.5m，不良工程地质作用主要为不均匀沉降。

（2）岩类：

①白云质石灰岩：矿物成分主要为方解石，含少量的白云岩，灰色、厚层状，钙质胶结，节理裂隙较发育，中风化。

②砂岩：灰白色，矿物成分主要为石英、长石，细粒结构、层状结构，硅质胶结，节理裂隙较发育。由于人工活动，使得在陡峻地形中多出现崩塌，在斜坡上形成岩堆。

③砾岩：灰白色，稍湿，成分以石英岩为主，硅质和钙质胶结，岩性坚硬，岩芯呈碎块状及柱状，裂隙较发育，强风化。砾岩中夹有细砂岩，砂质矿物成分以长石、石英砂岩为主，砂质岩性较软弱，抗风化能力差，与砾岩常差异风化形成风化腔和凹槽。

3 采空区勘察技术难点与应对措施

3.1 采空区勘探技术难点

据资料，拟建公路沿线煤矿采空区主要分布于K3+000～K5+600和K6+800～K9+300，采空区勘探为本项目主要技术难点。存在地形条件复杂、地下采空区规模大、开采历史久远、资料不全等不利因素。

据调查，采空区包含国有煤矿及黑煤窑采空区，煤井井口分布较多，隧道出口附近山谷是煤矿开采井口密集区。上述煤矿从清朝、民国一直开采至今，目前仅掌握近年国营煤矿的开采记录。而前清、民国和解放初期的资料已缺失，解放后至今几百座私人煤矿的具体情况也无据可查。据当地人介绍，除井口外，隧道入口附近黑煤窑采空区顶板厚度一般在10m左右，隧道出口附近的黑煤窑采空区顶板厚度一般在40m左右。国营煤矿采空区顶板厚度一般为100～200m，大部分井口已封闭，地面未发现明显坍塌现象。

由于采空区范围涵盖了整个山谷和附近多处山体，根据已知采空区取范围，路线设计采取了避让措施，在K3+400附近向北侧进入山体，但此段未进行过老采区的探查工作，需补充开展全面的采空区探测工作。

3.2 采空区勘探应对措施

本次勘察拟先开展采空区地质调查复核和工程物探方法对线路的地质情况、采空区范围进行排查，圈定区域和评价后再以物探和钻探相配合的方法进行验证，通过工程地质调查、工程物探、地质钻探等方法的配合使用辅以其他测试手段进行全面可靠的勘察。

在隧道段先对沿线的采掘硐、井进行走访调查，与已有资料结合进行综合分析后，采用间距25m的EH4电磁测深法进行隧道纵断面扫测，根据扫测结果再对隧道外侧区域进行适当延伸，对高疑似区域进行网格加密探测，圈定高疑似采空区后在具备条件的区域进行地质钻探验证，根据钻探资料再对工程物探数据进行反演解译。

桥梁段先进行资料统合和采空区补充地质调查，在综合分析的基础上拟先采用高密度电法或EH4电磁测深法，后进行钻探验证，具备条件的可再开展跨孔CT等方法对桥基采空区进行可靠的勘察。

同时对路基、边坡、滑坡等各工点展开地调、挖探、简易钻探、钻探等工作，对岩、土层开展标准贯入试验、重型动力触探试验、波速测试、跨孔CT、地应力等测试，遵照相关规范的要求采取一定数量的原状土、石试样进行室内试验，查明场地的地层结构，测试各层岩、土体的物理力学性质，计算土层等效剪切波速和进行地震效应分析，对采空区对本项目工程结构体的影响进行分析和评价；勘察中还需对地下水进行观测，了解其变化幅度和规律，测定地层的渗透性，并采取一定数量的水试样进行水质分析，测定其对混凝土有无腐蚀性。

4 综合勘察方法运用

4.1 一般路基勘察方法

一般路基勘察手段以工程地质测绘为基础，结合钻探取样及原位测试进行。路基勘探孔沿道路中心线布置，间距为80m，孔深预估为10m。

4.2 桥梁勘察方法

桥梁勘察方法以钻探取样为主，并对工程地质测绘进行复核。钻孔深度以满足规范、满足设计计算深度要求为原则，每组桥墩布置一个勘探孔，呈之字型布置，钻孔深度不小于30m且进入中风化岩层10m，遇采空区时根据实际情况适当加深或加密。

4.3 隧道勘察方法

隧道段工程地质勘察方法以钻探为主，在钻孔内进行波速测试、地应力测试及水文地质试验，同时，进行地调复核，结合初勘地质成果（含物探及各种测试试验），相互验证，以期取得深入、可靠的地质结论。

隧道段的地质调查与地质测绘复核重点为复核隧道通过的严重不良地质、特殊地质地段，收集地质横、纵断面资料，以确定隧道位置的工程地质条件。根据隧道区域不良地质情况及隐蔽的工程地质问题，按实际情况适当加大调绘范围和工作量。同时，加强节理裂隙统计调查，在进出口段统计数量不少于10个点，洞身段每500m不少于1个点，在节理裂隙变化段应加密统计调查点。另外，为评价隧址区的水文地质条件，应对当地的水文地质资料进行搜集，并对隧址区的水文地质现象进行调绘。

隧道K3+500～K4+600段，钻孔沿隧道双洞中线布置，根据实际地形和采空区位置选择具备条件的位置进行布设，重点疑似采空区可在中线两侧断面再适当布设钻孔验证，具备条件的可在钻孔间进行跨孔CT探测，横断面钻孔间距40m为宜。一般钻孔深至隧道底板以下3倍洞径。疑似采空区钻孔深至采空区底板以下10m或隧道底板以下3～5倍采空区厚度的完整基岩，隧道K4+600以后区域受地形影响，钻孔施工难度太大，将以物探为主；K6+500至隧道出口段，根据物探资料在重点疑似区域和具备条件的位置可布设2～3个钻孔，孔深控制准则同上。

4.4 滑坡勘察方法

滑坡勘察方法将在已有资料的基础上进行调查与测绘为主，辅以适当的钻探取样。钻探点（线）应沿滑坡的主滑方向布置。根据滑坡规模布置2～3个勘探断面，孔深预估为20m。

滑坡的钻探深度应至滑坡体以下的稳定地层内不小于3m。设置支挡工程部位，勘探点的深度应满足支挡工程设计的要求。滑坡工程地质钻探应根据滑坡体及滑动面（带）的物质组成选择干钻、无泵反循环或双层岩芯管钻探等方法。

钻探应严格控制钻进回次。至预估的滑动面（带）以上5m或发现滑动面（带）迹象时，必须进行干钻，同回次进尺不得大于0.3m，并及时检查岩芯，确定滑动面位置。应在滑坡体及滑床地层中，分层采取岩、土、水试样；滑动面（带）应采取原状样。

4.5 采空区勘察方法

采空区勘察为本项目重点以及难点所在，路基、桥梁以及隧道均存在穿越采空区的地段。因此，路基、桥梁与隧道勘察方案均应同时满足采空区勘察技术要求。采空区须采用综合勘察方法，勘探前期以搜集资料和调查访问为主，对地质测绘进行详细复核与补充。勘探手段则以钻探与物探相互验证、同时进行。对于地势陡峭钻孔难以施工的地段，则主要进行综合物探。

（1）物探。根据采空区的埋藏深度，采用电法、地质雷达、综合测井等综合物探手段，其方法可参考表1。

表1 物探组合方法选用表

采空区物探测线布置应根据：线路纵、横断面方向，并结合工程性质，采空区的埋深、延伸方向进行布置，以查明采空区的范围、埋深、采空区的空间大小、上覆岩、土层厚度。

（2）钻探与测试。根据搜集的图纸资料、调查测绘以及物探的成果资料，先综合分析，再确定钻孔的数量及深度，以进一步验证物探结果，得以相互补充，钻孔深度应钻至最低层洞底地层以下不少于2m。布孔应结合工程和坑洞展布情况以及物探异常点，经综合分析研究后进行布置。

对上覆不同性质的岩、土层，应分别取代表性试样进行物理力学性质试验，提供稳定性验算及工程设计所需参数。分别取地表水及地下水样做水质分析。对煤层或可能储气部位，必要时进行有害气体含量及压力的现场测试。

（3）地表变形的观测。线路通过大面积采空区，当缺乏资料且勘探难以查明采空区的基本特征时，应进行定位观测，直接查明地表变化特征、变化规律和发展趋势。

观测线宜平行或垂直矿层走向成直线布置，其长度应超过移动盆地的预计变形范围，走向观测线（即观测线平行矿层走向），应有一条测线通过预计最大下沉值的位置；倾向观测线（即观测线垂直矿层走向）不宜少于2条。方法是先确定矿层走向，然后根据矿区已有的地表移动资料，确定走向观测线和倾向观测线。且观测线上的观测点间距应大致相等。观测点间距的选用详见表2。观测周期可根据表3选用。在观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的发展和建筑物的变形情况。

表2 定位观测点间距选用表

观测资料的整理：①绘制下沉曲线图、下沉等值线图、水平变形分布图。②根据有关变形值，划分地表变形区的范围。如根据建筑物对地表变形区的允许极限值，确定移动区范围（内边缘区），根据地表下沉10mm的下沉值，确定轻微变形区，即移动盆地的范围。③计算盆地内有关地点的地表下沉值、倾斜值、曲率、水平移动值和水平变形值。④对正在开采和将来开采的采空区，应预算其最大变形（最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大水平移动值和最大水平变形值）对缓倾岩层或地表变形平缓连续时，可按条有关方法计算最大变形值。⑤原始测量记录。