采空区地基处理研究应用

霍治澎，郑海

（延安大学 建筑工程学院，陕西延安 716000）

1 采空区的概念

采空区是指在人类挖掘采矿的过程中，或者在天然的地质活动中，在地表或者地表之下产生的“空洞”。采空区的存在使得矿上的山体存在着很大的安全威胁，作为建筑地基更会存在长久的潜在威胁。

采空区分为露天采空区和地下采空区。露天采空区是指露天采矿或天然地质活动所留下的人们可以直接观察到的采空区；地下采空区是指地下采矿或地质活动留下的，需要根据资料记载或者现场通过机械设备勘探才能发现的“地下空洞”[1]（图1）。

图1 采空区

2 采空区的危害

采空区如果处理不当，有可能会因为不均匀沉降作用，对采空区之上建筑物的结构带来损害，严重地会造成筑物的局部发生开裂、倾斜、甚至倒塌。

由于地下采空区的空间分布没有明显的规律特征，隐伏性较强，而且采空区顶板处容易发生冒落塌陷等情况，因此，如何正确判断地下采空区的分布范围，掌握采空区的空间形态特征和采空区的冒落状况等，一直是工程技术人员对采空区进行潜在危害性评价的难题，对如何合理制定采空区治理对策造成困扰。而且，工程建设会引发或加剧采空塌陷，所以在含有采空区的地区进行建筑施工前，一定要确保地基处理的可靠性。地基处理稍有不当，将会给建筑物带来严重的危害。

同时，随着矿山向内不断挖掘，地球对其压力不断增大，采空区在强大的地压下，容易造成崩塌。另外，在地下开采的过程中遗留下来大量的采场、巷道、硐室，如果不及时做好处理工作，在这种地基上建造房屋会有极大的安全隐患，也会给这些地区广大人民群众的生命财产带来严重的威胁[2-3]（图2）。

图2 采空区的危害

3 常用的采空区处理方法

露天采空区的处理相对简单，大部分情况都可以直接利用回填技术解决，只需考虑经济性原则。地下采空区的处理较为复杂，只有经过查阅相关资料或进行地质勘探后，方可制定合适的施工处理方案，常见的地下采空区的处理方法有以下几种。

3.1 注浆法

注浆法是利用加压设备或者电化学原理，通过注浆管将各种常用的灌浆材料，如水泥系浆材、化学浆材和混合型浆材等注入到地基之中（图3）。这些材料填充在采空区之中，通过渗透和挤密的方式，将土颗粒或岩石裂隙中的水分和空气等排出采空区，占据其位置。经过一定时间后，这些胶凝材料将原来松散的土粒胶结成一个整体，这样就达到了改善地基土的效果。这种方法也可用于提高建筑物下的地基承载力，改善建筑物地基土的性质，减小地基土变形；或者用来提高土地基土的抗渗性，有效防止地基土出现流沙管涌等不良现象；或者用于提高压缩模量，减小土的压缩性，例如用注浆法来处理基坑被动区的土体，不但能减小围护桩的位移，还能有效地处理建筑物的纠正和顶升问题。

图3 注浆法施工

图4 强夯法施工

3.2 强夯法

强夯法指将10～25t的重锤利用起吊设备，提升到距离所需夯击土层的10～25m高处下松开控制，使其重锤在重力作用下做自由落体运动，依靠重锤在下落过程中产生的强大夯击能和冲击波来夯实土层（图4）。强夯法主要适用于非饱和状粘性土、砂性土与杂填土地基。对非饱和状的粘性土地基，一般需要连续多次夯击、多遍间歇性夯击，并结合工程的实际情况根据现场试验来确定需要夯实的次数和有效夯实的深度。根据现有经验表明：在100～200吨米夯实能量下，有效夯实深度大约在3～6m之间[4]。

3.3 沉管夯扩灌注桩

沉管夯扩灌注桩，简称夯扩桩。它是利用打桩设备将内桩和外桩管同步沉入土层内部，通过锤击内桩管夯扩端部混凝土，使桩端形成扩大头，再灌注桩身混凝土，拔出外桩管时，用内桩管和桩锤压顶在管内混凝土面上，使桩身密实成行。夯扩桩扩大头直径在500～900mm之间，桩身直径一般在500mm左右，桩长最好不得大于20m。这种操作方法一般适用于中低压缩性粘土、粉土、砂土、碎石土、强风化岩等[5]（图5）。

4 实际工程应用

图5 沉管夯扩灌注桩示意图

4.1 工程概况

延安市子长县芽坪村安置点项目建设用地位于子长县瓦窑堡镇芽坪村，总占地面积155721.8m2，总建筑用地面积为84945.33m2。 该工程拟建（构）建筑物包括：33栋6层住宅、1栋幼儿园、1栋2层会所活动中心、1栋3层社区养老中心、1栋3层商业中心及附属商业、局部一层地下车库，由于附近存在原小煤窑窑口，拟建场地存在一定规模的采空区，对拟建建筑物的安全存在潜在威胁。周边相对建筑物较远，交通便利，拟建建筑物场地未平整，局部地形起伏较大，地面标高介于1093.20～1116.57m之间，最大高差23.37m。根据民调及现有煤矿调查，拟建场地下部约50～80m有采空区或压矿等不良的地质现象，场地地层自上而下依次由近期人工堆积的素填土（Q4ml）、第四纪全新世冲积粉土（Q4al）、第三纪上更新世冲积粉土（N2）及侏罗纪泥岩、砂岩（J）构成。计划在该场地上建造33栋6层砖混结构住宅楼，且均为地上建筑，室内外高差为0.300m，建筑高度约为17.900m，建筑物基础为条形基础，基础埋深-2.200m，最大基底反力为200kPa，拟建住宅楼为丙级建筑，查相应岩土勘探规范可知，该工程重要性等级为二级，场地等级为三级，地基等级属二级，岩土工程勘察等级为乙级。建筑抗震设防分类丙类，建筑物安全等级要求二级，建筑场地抗震设防烈度6度，地基基础设计等级丙级，结构设计使用年限50年。该工程始建于2015年4月，某栋楼的一层平面布置图如图6所示。

4.2 工程地质条件

根据勘探部门现场18个验证钻孔揭露地层情况，勘查区工程地质条件如下：

图6 拟建场地一层建筑平面图

（1）填土：素填土为主，黄褐色、稍密、稍湿， 厚度0～6.9m，2#、9#、13#、16#钻孔有揭露，厚度分别为6.9m、5.4m、5.1m、1.7m；

（2） 黄土Q4eal+al：浅黄色粉质粘土，硬可塑，厚度介于2.4～27.1m之间，为第四系黄土层，冲洪积成因，上部局部为褐黄色粉土，土质均匀，具大空隙，含铁锰结核；

（3）泥岩与砂岩互层T3w5：砂岩浅灰色，泥岩灰黑色，厚度介于43.6～56.6m之间，上部中细粒结构，中厚层构造，表面风化严重，破碎严重，裂隙发育，局部变相为泥岩，下部淡蓝色中粗粒结构，中层状构造，破碎严重。该岩组作为煤系地层的主要岩组，直接关系着煤系的开采。该层土的土质主要包括泥质粉砂岩和泥岩，还含有砂质泥岩及薄煤层等岩体。经试验测得在干燥状态下，该层土的单轴抗压强度为33.2～106.9MPa，平均值为69.75MPa，岩石呈半坚硬的状态。长时间浸水或者裸露在大气之中，过长岩石可能沿着其层理方向离析成为岩石薄片。饱和状态下，测得该层岩石的抗压强度在0.9～61.7MPa之间，平均抗压强度大约为15.28MPa，软化系数平均值0.24，故该岩层呈现出稳定性较差的特点。岩石的质量指标平均值为73.38%，说明岩石质量较好（Ⅲ），岩体呈中等完整状态；

（4）采空区或3#煤层：采空区或3#煤层厚度在0.8～3.1m之间，3#煤层饱和状态下测得抗压强度6.7～9.2MPa，干燥状态下抗压强度介于14.7～18.3MPa之间，软化系数大约0.48左右。饱和抗拉强度1.2MPa，干燥状态下抗拉强度2.9MPa。饱和抗剪断强度C=1.97MPa，Φ=35.9MPa；

（5）砂岩T3w5：该层未揭穿，以中粒砂岩和细粒砂岩为主，局部为粗粒砂岩，多形成煤层的基本顶或老底。原生结构面由平行层理、块状层理和大型板状交错层理等组成，单层厚度大，构造结构面主要呈节理状态。干燥状态下抗压强度54.70～64.45MPa，饱和抗压强度20.2～28.7MPa，软化系数大约为0.5，抗水性能好，抗冻性能好，工程地质性质较好。岩石的质量指标为78.5%～89.9%，该层岩石质量属中等至好，岩体质量中等。

4.3 采空区分布特征

根据调查、走访、物探解译及现场钻探验证，建设场地区域内存在采空区，采空区的形成主要是由于小煤窑开采，采用的方法主要是条带式，条带采空区异常区宽度7.0～60.0m之间，可以分为三个条带采空区，图7为延安市子长县芽坪村安置点建设项目小煤窑采空区场地采空区分布图。采空区分布情况详见表1。

4.4 采空区治理方案的设计

结合该施工现场实际情况和各种采空区的处理方法的适用条件综合考率，该工程最后拟选用沉管夯扩钢筋混凝土桩的施工方法。地基及基础方案可根据设计院提供的岩土工程勘察任务委托书，设计室内±0.000m标高、荷载、结构、功能特征和地基土工程性质综合而定。根据勘察成果，拟建场地素填土、饱和粉土厚度较大，密实度不均匀，场地大部地段属不均匀地基。根据地基土工程性能特征及分布条件、建筑物荷载特点、基础埋置深度等，通过对地基基础方案进行论证，一致认为采用沉管夯扩钢筋混凝土桩比较适宜，且施工比较方便、经济。

图7 采空区分布图

表1 拟建场地内采空区分布一览表

4.4.1 沉管夯扩钢筋混凝土桩设计

沉管夯扩钢筋混凝土桩是近年来兴起的一种新的地基处理方法，该桩型已在2015年正式成为地方规范《沉管夯扩桩技术规程》DBJ 61/T102-2015。该种桩成孔采用挤密不取土方法，桩底部用干硬性混凝土夯击成大头状，增大了桩端与持力层接触面积，大大提高了单桩承载力及复合地基承载力。同时，该种桩现场施工，干净、无污染、地下水位对其影响较小，施工速度较快、工期短、成本相对较低，是近年来使用较多的地基处理新方法，在西安地区已有许多成功运用的工程案例。根据勘察报告、地层结构资料，结合《沉管夯扩桩技术规程》要求，提供沉管夯扩桩有关设计参数，如表2所示。

根据拟建物结构特征，采用沉管夯扩桩可在条形基础或独立基础下布桩，也可采用单柱单桩。设计严格按照《沉管夯扩桩技术规程》DBJ 61/T102-2015执行，该种桩型主要以端承力及侧阻力发挥作用，设计单位可根据设计参数，及不同建筑物对地基的不同要求和其所在地基土工程特征的不同，选择不同的桩径桩长。

表2 沉管夯扩桩设计参数

采用沉管夯扩桩方案设计时，应注意下列问题：

（1）桩基工程正式施工前，应注意在现场试桩，验证单桩承载力是否满足规范要求，核实该工程现场施工条件，确定好相应的桩尖标高，评判桩尖穿透硬夹层的可能性。必要时根据试验结果作适当调整；

（2）沉管夯扩桩施工前应进行试桩，单桩承载力的静载荷试验应严格按照《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012附录的有关规定进行。试桩报告应及时送交设计单位，经设计单位认可后方可施工工程桩。

当设计上有特殊要求或受施工条件的限制时，不排除采用其它地基处理方法，但无论采用何种处理方法，都必须经过现场载荷试验检测地基的承载力，严格按照《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012及相应的施工规范中的有关要求进行，以确保地基处理后达到预期效果。

桩平面布置图和试桩、工程桩的有效桩长、入岩深度、沉渣、灌入度桩焊接、承载力简图如图8、图9所示。

图8 采空区桩平面布置图

图9 采空区工程桩及试桩示意图

4.5 基坑开挖与支护

现场地四周与已有建筑物、道路均有一定的安全距离，坑壁主要为①层素填土、②层粉土、③层粉质粘土，应根据拟建建筑物基础埋深及周围建筑情况，看是否具备开挖放坡条件。若具备，则放坡坡度①层素填土可按1:1.4进行，②层粉土、③层粉质粘土可按1:1.25进行。若需进行支护，支护设计参数、抗剪强度参数及天然重度，建议采用如下数值，如表3所示。

4.6 基坑开挖应注意的事项

（1）为了保证地基土原状结构不受破坏，基坑开挖应在基底面以上预留一定厚度土层，地基处理施工后进行清理。

表3 基坑开挖设计建议参数表

（2）基坑开挖出来的土不应堆放在基坑边，应及时外运或远离基坑边，以保证边坡的稳定性。

（3）同时，做好场地排水设计，及时排除场地雨水，防止地表水、施工用水及生活用水渗入地下造成对地基和边坡的危害。

4.7 基坑降水

勘察期间，拟建场地在钻探深度内未揭露到地下水，场地内分布上层滞水，粉土与粉质粘土界限处含水量较大，在扰动作用下明显出现橡皮泥或缩孔现象，类似地下水位，根据多日在钻孔内观察及民调，水的补给来源主要为大气降水和地表水的渗入，如需要排水，建议采用集水明排法进行。

4.8 施工过程中需要注意的问题

拟建场地附近未发现有影响施工的因素，上部土为松散的素填土、粉土和粉质粘土，粉土与粉质粘土界限处含水量较大，在扰动作用下明显出现橡皮泥或缩孔现象，采用大开挖时易引起坍塌，建议开挖时采取简单的支护措施，以免影响后续正常施工。

5 结语

该采空区案例已建成3年多，至今采空区治理效果良好，是一个典型的采煤区下的采空区的案例。采空区的处理问题是当今建筑领域的一大技术难题，各种处理方法都存在一定的局限性，在施工之前，要因地制宜，合理结合采空区的几种处理方法，必须做到安全可靠之后方可进行基础施工。