某高速公路铁矿采空区工程地质问题研究

郭 彪

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

经初步调查,某拟建高速公路K4+620～K10+550段存在铁矿采空区,为查明采空区的工程地质特征,确定采空区的分布范围,该工程采用资料搜集、工程地质调绘、物探、钻探等多种手段,评价采空区对公路工程的危害程度,进而提出合理的治理建议[1]。

1 采空区工程地质特征勘察

1.1 采矿情况调查

经调查,拟建线路K4+620～K10+550范围内沿线主要存在7家矿企及多家小矿企,其中3家矿企在采矿有效期限内,其余大小矿企均已停采,具体情况见表1。

表1 调查路线内主要矿企情况表

(1)矿企1(K4+620～K6+800)

矿山规模为小型,矿种为铁矿,开采标高190～320m,生产规模15.00万吨/年,采矿有限期限为2011年12月29日至2012年12月29日。该矿矿石层位为太古界鞍山群茨沟组,岩性主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒夹二云石英片岩,矿山处于闭坑状态。经现场调查,矿区内可见多处山体开挖,未见明显采洞,详情见图1。

图1 调查图片

(2)矿企2(K7+000～K7+300)

矿山规模为小型,矿种为铁矿,生产规模5.0万吨/年,采矿有限期限为2011年10月30日至2017年10月30日。该矿矿石层位为太古界鞍山群茨沟组,岩性主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、变粒夹二云石英片岩,矿山处于闭坑状态。经现场调查,该矿山开采主要为露天,矿山废弃多年,未见明显采洞。该矿整体矿界位于线位以南,距离线位最近距离281m。

(3)矿企3(K7+350～K8+200)

矿山规模为小型,矿种为铁矿,生产规模15.00万吨/年,采矿有限期限为2014年1月20日至2022年2月20日。该矿矿石层位为太古界鞍山群茨沟组,岩性主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒夹二云石英片岩,经现场调查,矿山在采矿期内。该矿整体矿界位于线位以南,距离线位最近距离306m。

(4)个人铁矿(K7+550～K7+950)

经调查,线路K7+550～K7+950穿越个人铁矿,开采方式为井工开采,调查期间发现4个矿洞,洞口进深方向均与线路相交,目前矿山停采,洞口照片详见图1。

(5)矿企4(K8+700～K9+700)

矿山规模为小型,矿种为铁矿,开采标高95～327m,生产规模20.00万吨/年,采矿有限期限为2013年4月17日至2023年4月17日。该矿矿石层位为太古界鞍山群茨沟组,岩性主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩夹二云石英片岩,经现场调查,矿山在采矿期内,该矿整体矿界位于线位以南,距离线位最近距离214m。

(6)矿企6

矿山规模为小型,矿种为铁矿,生产规模90.00万吨/年,采矿有限期限为2018年5月4日至2023年5月4日。矿石层位为太古界鞍山群茨沟组,岩性主要为斜长角闪岩、角闪片岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩夹二云石英片岩,经现场调查,矿山在采矿期内,整体矿界位于线位以南,距离线位最近距离698m。

1.2 采空范围初步确定

通过调查,基本查明沿线矿企情况,主要包括开采情况、分布情况、地层情况等。同时,基本查明设计线位与沿线各矿区的交叉情况。通过初步调查发现,线位在K7+550～K7+950与采矿采空区存在交叉,其余沿线企业矿区对设计线位影响较小,初步确定采空段落为K7+550～K7+950,在该段内重点布设下一步工作。

1.3 物探成果

根据采空区特征、现场地形条件及拟建公路展线情况,在初步确定K7+550～K7+950采空范围内进行物探测试工作,主要应用方法为天然源面波法、智能钻孔电视法等[2]。

物探左线距离公路中心线30m,中线沿公路中心线布置,右线距离公路中心线30m。横剖面1布置在K7+670m处,横剖面2布置在K7+740m处,横剖面3布置在K7+790m处,横剖面均沿公路中心左右延伸,物探测线布置见图2,物探成果详见图3～图5,物探异常详见表2。

图2 物探测线布置图

图3 K7+600铁矿采空区天然源面波法断面图 (左线)

图4 K7+600铁矿采空区天然源面波法断面图 (中线)

图5 K7+600铁矿采空区天然源面波法断面图 (右线)

表2 K7+550～K7+590铁矿采空区物探异常一览表

根据天然源面波法和智能钻孔电视法资料,结合现场调查及钻探验证资料,推测K7+734～K7+748附近存在铁矿矿洞,矿洞与线位斜交,矿洞高4.1～20.2m,洞宽8～11m,洞走向近南北,详见图6。

图6 典型智能钻孔电视成果图

1.4 地面变形特征

K4+620～K10+550路段内,采矿主要以铁矿为主,大部分企业矿权范围与设计线路有一定距离,开采方式为露天及井工,其中K7+550～K7+950段可见多处采矿矿洞,部分已经封堵,地表可见矿石堆,多处山体开挖破坏,可见由于地下开采造成的明显采空塌陷变形。

1.5 钻孔情况

依据调查结果、物探解译结果进行了钻孔位置布设,此次工点勘察共布置钻孔4个,完成钻孔4个,分别为ZK1、ZK2、ZK3、WZK0704。完成调查点1个,为DWZK0701。利用附近钻孔1个,为ZK0707。其中ZK1、ZK2揭露铁矿采空层,其他钻孔中未揭露采空层位。钻探深度内揭露地层主要为太古界鞍山群茨沟组变粒岩、角闪片岩等,钻孔基本情况详见表3。

表3 钻孔情况统计表

2 釆空区对公路工程危害程度评述

根据研究资料,采空区塌陷、冒落、造成的地面变形对公路的危害,主要有以下六方面:

(1)引起桥梁墩台差异沉降,桥柱倾斜,破坏桥梁上部结构。

(2)引起桥台与路基不均匀沉降,导致桥台跳车现象。

(3)造成公路路基下沉,如果在竖直方向上产生拉伸变形,将引起路基本身松弛。还有可能在不同地层中产生脱层。这将影响路基的承载力,加大地表倾斜和拉伸变形,对路基的稳定性产生影响。

(4)路基在下沉的同时,将伴有水平方向位移。垂直于路线方向的横向移动将改变路基原有的方向;沿路基纵向的水平变形,使路基受到拉伸和压缩。由于这两种移动的不均匀性,会使高速公路产生坡度变化、竖曲线形态变化和路线方向变化等。

(5)路基随地表下沉而下沉。因地表变形的不连续与无规律下沉,使得路面的原有坡度出现无规律变化。如果地表倾斜方向和路线坡度方向一致,路线坡度将增大;反之,路线坡度将减小或形成反坡。路线坡度的增减,将使移动盆地内各段路线的运行阻力有所增减,长久运行路面会产生下沉。

(6)地表的不均匀下沉。路线坡度改变时,必将导致路线在竖直方向上弯曲,改变原有设计的曲率半径,对公路上运行的车辆及路基造成危害,严重时会造成交通事故[1]。

综合以上分析,该段采空区地表变形目前处于不稳定状态,地表变形仍然在持续,对公路工程危害严重。

3 釆空区治理措施建议

3.1 治理建议

采空区治理方案主要依据地表变形特征、地质与采矿特征等因素确定。主要治理方法有注浆法、砌筑法、干料填充法、垮落法和挖填法。

根据各路段采空区特征、构筑物特点,采空区段落治理建议采用垮落法、注浆法。该方法已在各地的采空区治理取得成功经验。

3.2 釆空区处治监测与检测

采空区处治施工期间进行地表变形监测。半年内每周监测一次,半年后至通车期间内宜每月监测一次;通车2年内,宜每2个月监测一次;变形显著时,应增加监测频次。经变形监测资料分析和评价,确认采空区已完全稳定,对公路工程无影响时,可停止监测。

钻探及岩土测试检测工作应在采空区处治施工结束后6个月进行。路基工程监测指标应为结体抗压强度和横波波速。桥梁工程检测指标应包括结石体抗压强度、横波波速、注浆量及变形检测。

各项检测指标均达到设计要求时,采空区处治工程质量为合格,可进行路基、桥梁等主体工程施工。