胡朝陽(yáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

多年來(lái)，在鐵路、公路、隧道等各類工程的建設(shè)中，采空區(qū)的問(wèn)題越來(lái)越多的暴露在選線、設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于采空區(qū)邊界及影響范圍的確定，地基穩(wěn)定性的評(píng)估，采空區(qū)處理技術(shù)方案的制定等都會(huì)影響到整個(gè)方案的選擇、優(yōu)化和工程投資的估算。

采空區(qū)及塌陷區(qū)的探查是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其原因主要在于長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)規(guī)則開(kāi)采及后期的處理不完善，這一問(wèn)題造成上覆巖層破壞，規(guī)律性差，開(kāi)采空洞常常欠充填或垮落巖塊壓密程度差，通常會(huì)造成沉降異常、地表突然塌陷，而塌陷發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間難于估計(jì)。

對(duì)于采空區(qū)勘察的處理，眾多學(xué)者做了大量的物探工作，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和軟件反演，取得了良好的效果。在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用了地面地質(zhì)調(diào)查:調(diào)查地表變形的基礎(chǔ)條件和相關(guān)因素;綜合物探:采用了地震、大地電磁、瞬變電磁等物探手段;鉆探分析:結(jié)合地質(zhì)調(diào)查與綜合物探，在異常點(diǎn)位置有針對(duì)性的布置鉆探，合理分析、優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 環(huán)境地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

太中銀線山西省境內(nèi)處于呂梁山地西側(cè)的低山丘陵區(qū)，是呂梁山地向黃河峽谷的延伸部分，有三川河及其支流南川河、北川河、東川河流經(jīng)本區(qū)。地勢(shì)總體由東向西傾斜，上部多覆蓋有厚層黃土，由于長(zhǎng)期水流侵蝕和切割作用，形成以黃土梁、峁和深切沖溝為主的典型黃土丘陵地貌，地形起伏較大且凌亂破碎。

2.2 地層巖性

工程區(qū)范圍內(nèi)地層有新生界第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)，石炭系上統(tǒng)?，F(xiàn)將煤系地層描述如下。

(1)石炭系上統(tǒng)(C3)

山西組(C3s)地層由灰、灰黑、灰黃色砂巖，砂質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)巖及煤層組成的陸相含煤建造，底部以一層灰白色砂巖與下伏石炭系上統(tǒng)太原組地層分界，二者呈連續(xù)沉積。

太原組(C3t)由灰白、灰黑色砂巖，砂質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)巖，灰?guī)r及煤層組成的海陸交互相含煤建造，是工程區(qū)內(nèi)主要含煤地層之一，厚度87～102 m，與下伏地層呈連續(xù)沉積。

(2)石炭系中統(tǒng)(C2)

石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)由鋁土質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、灰?guī)r及鐵質(zhì)結(jié)核層組成的海陸交互相沉積地層，厚度16～35 m，與下伏奧陶系地層呈平行不整合接觸。上部為灰白、灰黑色砂巖，頁(yè)巖，鋁土質(zhì)頁(yè)巖，灰?guī)r，局部夾煤線;下部為灰白、深灰、灰綠色含鐵鋁土質(zhì)泥巖，黏土巖，鮞狀鋁土質(zhì)泥巖，底部有窩狀山西式鐵礦。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

工程區(qū)位于柳林單斜區(qū)，該區(qū)西起黃河，東至黃花塌、楊家港、三里灣、山灣頂，區(qū)內(nèi)巖層傾角小，一般小于7°，地層平緩，褶皺少而簡(jiǎn)單，斷層規(guī)模小，斷距不大，均產(chǎn)生在三迭系地層中，是燕山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物。

就大地構(gòu)造而言，工程區(qū)處于華北地臺(tái)的山西臺(tái)背斜。中部為呂梁山斷裂隆起，西部與鄂爾多斯臺(tái)向斜的陜北拗陷(柳林單斜)接壤，東部與沁水拗陷的晉中斷裂凹陷毗鄰。構(gòu)造以褶皺為主，伴隨斷裂。

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18306－2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，結(jié)合沿線地質(zhì)條件分析，太中銀鐵路在呂梁地區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

2.4 氣象、水文特征

工程區(qū)位于呂梁山區(qū)及晉南黃土高原，屬溫帶大陸性氣侯區(qū)。受季風(fēng)環(huán)流控制，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季雨量集中，夏短冬長(zhǎng)，秋季則秋高氣爽，晝夜溫差大。按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，線路所經(jīng)地區(qū)為寒冷地區(qū)。

工程區(qū)主要位于呂梁山區(qū)以西黃河?xùn)|側(cè)的黃土丘陵區(qū)，地形復(fù)雜，溝谷發(fā)育，有三川河及其支流北川河、南川河、東川河經(jīng)過(guò)。地面總體以一定的坡度向西側(cè)傾斜，沖溝發(fā)育，地表徑流條件較好。礦區(qū)內(nèi)河流主要為三川河及其支流，為季節(jié)性流水沖溝，均屬黃河水系，主要靠大氣降水補(bǔ)給，排泄方式以徑流和蒸發(fā)為主。

地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水，主要受大氣降水補(bǔ)給。地下水一般埋深1～10 m。高階地及丘陵地區(qū)地下水埋藏較深，一般40～60 m，局部地段埋深大于80 m。

3 綜合勘探手段的運(yùn)用

3.1 地面地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查做為一種以觀察研究為基礎(chǔ)的調(diào)查工作，在采空區(qū)及相關(guān)工程研究中起著極為重要的作用。詳細(xì)、深入的地質(zhì)調(diào)查工作是物探及鉆探工作的基礎(chǔ)。結(jié)合本項(xiàng)目，采空區(qū)的調(diào)查主要從地表沉降、房屋開(kāi)裂、地面塌陷等方面入手，初步分析采空區(qū)的影響范圍及程度。

3.2 綜合物探的運(yùn)用

在采空塌陷的探查方面，地球物理工作的比重越來(lái)越大，也取得了很好的效果。這一方面是儀器靈敏度和信噪比有了很大的提高，另一方面數(shù)據(jù)處理技術(shù)和反演軟件日趨成熟。本項(xiàng)目根據(jù)工程的特性主要采用高密度地震法(6 494 m)、可控源音頻大地電磁法(1 400 m)、高頻電磁法(EH4)(1 220 m)等手段，并有針對(duì)性的根據(jù)既有收集的資料，以核對(duì)采空邊界的準(zhǔn)確性(如圖1所示)。

圖1 物探成果解譯

3.3 鉆探分析

根據(jù)前述地質(zhì)調(diào)查與物探成果的分析結(jié)論，在地表裂縫明顯及物探異常處，有目的的布置勘探孔進(jìn)行驗(yàn)證，以保證資料的真實(shí)有效。圖2是在地面存在裂縫，物探波速異常點(diǎn)所布置的鉆孔。根據(jù)鉆探揭示，地表以下41.9～46.5 m范圍內(nèi)存在不同程度的采空，并且未進(jìn)行后期處理。利用這種手段，在工程區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行異常點(diǎn)的驗(yàn)證，高效準(zhǔn)確地判定出采空區(qū)的邊界范圍及其規(guī)模，為線路的選擇及繞避提供了依據(jù)。

圖2 采空區(qū)斷面

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)資料收集、調(diào)查、物探分析、鉆探驗(yàn)證等各種手段的綜合評(píng)價(jià)，初步查明了采空區(qū)的影響范圍及規(guī)模，取得了很好的效果，能初步滿足線路選線、方案優(yōu)化的要求。主要形成以下結(jié)論:

(1)受煤窯采空段落影響的范圍長(zhǎng)度為1 310 m，主要涉及隧道、路基、橋梁等相關(guān)工程。

(2)勘察區(qū)所見(jiàn)采空為小窯采空，空洞高1.1～3.6 m。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，本區(qū)域開(kāi)采方式為方塊式或樹(shù)狀開(kāi)采，采高約2 m，巷道寬度約3 m，頂板一般不支護(hù)，巷道無(wú)支撐。

(3)采空區(qū)年代久遠(yuǎn)，且近些年的開(kāi)采無(wú)規(guī)律，以點(diǎn)帶面的勘探手段不能查清采空的詳細(xì)情況，只能判定是否存在采空而已。

4.2 建議

本工程在實(shí)際勘察工程中，采用各種手段綜合分析，能滿足線路選線的初步需求，但在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn):

(1)點(diǎn)帶面的勘探手段不能查清采空的詳細(xì)情況，只能判定是否存在采空而已，目前勘探孔間距內(nèi)不一定查明區(qū)域內(nèi)全部空洞，建議采用探灌結(jié)合的方式邊勘探邊處理，注漿孔間距應(yīng)在保證工程安全的前提下合理確定。

(2)開(kāi)采集中的段落，注漿孔宜適當(dāng)加密。

(3)注漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)控制，遵循探灌結(jié)合原則，做好監(jiān)測(cè)工作。

(4)非工程范圍內(nèi)，宜設(shè)置一定數(shù)量注漿孔，鉆孔間距逐漸加大，最外一排孔為帷幕孔，且先施工帷幕孔。

(5)對(duì)于主體工程開(kāi)始施工的注漿孔，注漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)控制，做好監(jiān)測(cè)工作，避免注漿壓力過(guò)大對(duì)主體工程造成不利影響。監(jiān)測(cè)的側(cè)重點(diǎn)主要是進(jìn)行建筑物變形觀測(cè)、地基反力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)采空區(qū)上方大型建筑物的運(yùn)行狀態(tài)。

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