采空區(qū)地基處理研究應用

霍治澎，鄭海

（延安大學 建筑工程學院，陜西延安 716000）

1 采空區(qū)的概念

采空區(qū)是指在人類挖掘采礦的過程中，或者在天然的地質(zhì)活動中，在地表或者地表之下產(chǎn)生的“空洞”。采空區(qū)的存在使得礦上的山體存在著很大的安全威脅，作為建筑地基更會存在長久的潛在威脅。

采空區(qū)分為露天采空區(qū)和地下采空區(qū)。露天采空區(qū)是指露天采礦或天然地質(zhì)活動所留下的人們可以直接觀察到的采空區(qū)；地下采空區(qū)是指地下采礦或地質(zhì)活動留下的，需要根據(jù)資料記載或者現(xiàn)場通過機械設備勘探才能發(fā)現(xiàn)的“地下空洞”[1]（圖1）。

圖1 采空區(qū)

2 采空區(qū)的危害

采空區(qū)如果處理不當，有可能會因為不均勻沉降作用，對采空區(qū)之上建筑物的結構帶來損害，嚴重地會造成筑物的局部發(fā)生開裂、傾斜、甚至倒塌。

由于地下采空區(qū)的空間分布沒有明顯的規(guī)律特征，隱伏性較強，而且采空區(qū)頂板處容易發(fā)生冒落塌陷等情況，因此，如何正確判斷地下采空區(qū)的分布范圍，掌握采空區(qū)的空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等，一直是工程技術人員對采空區(qū)進行潛在危害性評價的難題，對如何合理制定采空區(qū)治理對策造成困擾。而且，工程建設會引發(fā)或加劇采空塌陷，所以在含有采空區(qū)的地區(qū)進行建筑施工前，一定要確保地基處理的可靠性。地基處理稍有不當，將會給建筑物帶來嚴重的危害。

同時，隨著礦山向內(nèi)不斷挖掘，地球?qū)ζ鋲毫Σ粩嘣龃?，采空區(qū)在強大的地壓下，容易造成崩塌。另外，在地下開采的過程中遺留下來大量的采場、巷道、硐室，如果不及時做好處理工作，在這種地基上建造房屋會有極大的安全隱患，也會給這些地區(qū)廣大人民群眾的生命財產(chǎn)帶來嚴重的威脅[2-3]（圖2）。

圖2 采空區(qū)的危害

3 常用的采空區(qū)處理方法

露天采空區(qū)的處理相對簡單，大部分情況都可以直接利用回填技術解決，只需考慮經(jīng)濟性原則。地下采空區(qū)的處理較為復雜，只有經(jīng)過查閱相關資料或進行地質(zhì)勘探后，方可制定合適的施工處理方案，常見的地下采空區(qū)的處理方法有以下幾種。

3.1 注漿法

注漿法是利用加壓設備或者電化學原理，通過注漿管將各種常用的灌漿材料，如水泥系漿材、化學漿材和混合型漿材等注入到地基之中（圖3）。這些材料填充在采空區(qū)之中，通過滲透和擠密的方式，將土顆粒或巖石裂隙中的水分和空氣等排出采空區(qū)，占據(jù)其位置。經(jīng)過一定時間后，這些膠凝材料將原來松散的土粒膠結成一個整體，這樣就達到了改善地基土的效果。這種方法也可用于提高建筑物下的地基承載力，改善建筑物地基土的性質(zhì)，減小地基土變形；或者用來提高土地基土的抗?jié)B性，有效防止地基土出現(xiàn)流沙管涌等不良現(xiàn)象；或者用于提高壓縮模量，減小土的壓縮性，例如用注漿法來處理基坑被動區(qū)的土體，不但能減小圍護樁的位移，還能有效地處理建筑物的糾正和頂升問題。

圖3 注漿法施工

圖4 強夯法施工

3.2 強夯法

強夯法指將10～25t的重錘利用起吊設備，提升到距離所需夯擊土層的10～25m高處下松開控制，使其重錘在重力作用下做自由落體運動，依靠重錘在下落過程中產(chǎn)生的強大夯擊能和沖擊波來夯實土層（圖4）。強夯法主要適用于非飽和狀粘性土、砂性土與雜填土地基。對非飽和狀的粘性土地基，一般需要連續(xù)多次夯擊、多遍間歇性夯擊，并結合工程的實際情況根據(jù)現(xiàn)場試驗來確定需要夯實的次數(shù)和有效夯實的深度。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗表明：在100～200噸米夯實能量下，有效夯實深度大約在3～6m之間[4]。

3.3 沉管夯擴灌注樁

沉管夯擴灌注樁，簡稱夯擴樁。它是利用打樁設備將內(nèi)樁和外樁管同步沉入土層內(nèi)部，通過錘擊內(nèi)樁管夯擴端部混凝土，使樁端形成擴大頭，再灌注樁身混凝土，拔出外樁管時，用內(nèi)樁管和樁錘壓頂在管內(nèi)混凝土面上，使樁身密實成行。夯擴樁擴大頭直徑在500～900mm之間，樁身直徑一般在500mm左右，樁長最好不得大于20m。這種操作方法一般適用于中低壓縮性粘土、粉土、砂土、碎石土、強風化巖等[5]（圖5）。

4 實際工程應用

圖5 沉管夯擴灌注樁示意圖

4.1 工程概況

延安市子長縣芽坪村安置點項目建設用地位于子長縣瓦窯堡鎮(zhèn)芽坪村，總占地面積155721.8m2，總建筑用地面積為84945.33m2。 該工程擬建（構）建筑物包括：33棟6層住宅、1棟幼兒園、1棟2層會所活動中心、1棟3層社區(qū)養(yǎng)老中心、1棟3層商業(yè)中心及附屬商業(yè)、局部一層地下車庫，由于附近存在原小煤窯窯口，擬建場地存在一定規(guī)模的采空區(qū)，對擬建建筑物的安全存在潛在威脅。周邊相對建筑物較遠，交通便利，擬建建筑物場地未平整，局部地形起伏較大，地面標高介于1093.20～1116.57m之間，最大高差23.37m。根據(jù)民調(diào)及現(xiàn)有煤礦調(diào)查，擬建場地下部約50～80m有采空區(qū)或壓礦等不良的地質(zhì)現(xiàn)象，場地地層自上而下依次由近期人工堆積的素填土（Q4ml）、第四紀全新世沖積粉土（Q4al）、第三紀上更新世沖積粉土（N2）及侏羅紀泥巖、砂巖（J）構成。計劃在該場地上建造33棟6層磚混結構住宅樓，且均為地上建筑，室內(nèi)外高差為0.300m，建筑高度約為17.900m，建筑物基礎為條形基礎，基礎埋深-2.200m，最大基底反力為200kPa，擬建住宅樓為丙級建筑，查相應巖土勘探規(guī)范可知，該工程重要性等級為二級，場地等級為三級，地基等級屬二級，巖土工程勘察等級為乙級。建筑抗震設防分類丙類，建筑物安全等級要求二級，建筑場地抗震設防烈度6度，地基基礎設計等級丙級，結構設計使用年限50年。該工程始建于2015年4月，某棟樓的一層平面布置圖如圖6所示。

4.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探部門現(xiàn)場18個驗證鉆孔揭露地層情況，勘查區(qū)工程地質(zhì)條件如下：

圖6 擬建場地一層建筑平面圖

（1）填土：素填土為主，黃褐色、稍密、稍濕， 厚度0～6.9m，2#、9#、13#、16#鉆孔有揭露，厚度分別為6.9m、5.4m、5.1m、1.7m；

（2） 黃土Q4eal+al：淺黃色粉質(zhì)粘土，硬可塑，厚度介于2.4～27.1m之間，為第四系黃土層，沖洪積成因，上部局部為褐黃色粉土，土質(zhì)均勻，具大空隙，含鐵錳結核；

（3）泥巖與砂巖互層T3w5：砂巖淺灰色，泥巖灰黑色，厚度介于43.6～56.6m之間，上部中細粒結構，中厚層構造，表面風化嚴重，破碎嚴重，裂隙發(fā)育，局部變相為泥巖，下部淡藍色中粗粒結構，中層狀構造，破碎嚴重。該巖組作為煤系地層的主要巖組，直接關系著煤系的開采。該層土的土質(zhì)主要包括泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，還含有砂質(zhì)泥巖及薄煤層等巖體。經(jīng)試驗測得在干燥狀態(tài)下，該層土的單軸抗壓強度為33.2～106.9MPa，平均值為69.75MPa，巖石呈半堅硬的狀態(tài)。長時間浸水或者裸露在大氣之中，過長巖石可能沿著其層理方向離析成為巖石薄片。飽和狀態(tài)下，測得該層巖石的抗壓強度在0.9～61.7MPa之間，平均抗壓強度大約為15.28MPa，軟化系數(shù)平均值0.24，故該巖層呈現(xiàn)出穩(wěn)定性較差的特點。巖石的質(zhì)量指標平均值為73.38%，說明巖石質(zhì)量較好（Ⅲ），巖體呈中等完整狀態(tài)；

（4）采空區(qū)或3#煤層：采空區(qū)或3#煤層厚度在0.8～3.1m之間，3#煤層飽和狀態(tài)下測得抗壓強度6.7～9.2MPa，干燥狀態(tài)下抗壓強度介于14.7～18.3MPa之間，軟化系數(shù)大約0.48左右。飽和抗拉強度1.2MPa，干燥狀態(tài)下抗拉強度2.9MPa。飽和抗剪斷強度C=1.97MPa，Φ=35.9MPa；

（5）砂巖T3w5：該層未揭穿，以中粒砂巖和細粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖，多形成煤層的基本頂或老底。原生結構面由平行層理、塊狀層理和大型板狀交錯層理等組成，單層厚度大，構造結構面主要呈節(jié)理狀態(tài)。干燥狀態(tài)下抗壓強度54.70～64.45MPa，飽和抗壓強度20.2～28.7MPa，軟化系數(shù)大約為0.5，抗水性能好，抗凍性能好，工程地質(zhì)性質(zhì)較好。巖石的質(zhì)量指標為78.5%～89.9%，該層巖石質(zhì)量屬中等至好，巖體質(zhì)量中等。

4.3 采空區(qū)分布特征

根據(jù)調(diào)查、走訪、物探解譯及現(xiàn)場鉆探驗證，建設場地區(qū)域內(nèi)存在采空區(qū)，采空區(qū)的形成主要是由于小煤窯開采，采用的方法主要是條帶式，條帶采空區(qū)異常區(qū)寬度7.0～60.0m之間，可以分為三個條帶采空區(qū)，圖7為延安市子長縣芽坪村安置點建設項目小煤窯采空區(qū)場地采空區(qū)分布圖。采空區(qū)分布情況詳見表1。

4.4 采空區(qū)治理方案的設計

結合該施工現(xiàn)場實際情況和各種采空區(qū)的處理方法的適用條件綜合考率，該工程最后擬選用沉管夯擴鋼筋混凝土樁的施工方法。地基及基礎方案可根據(jù)設計院提供的巖土工程勘察任務委托書，設計室內(nèi)±0.000m標高、荷載、結構、功能特征和地基土工程性質(zhì)綜合而定。根據(jù)勘察成果，擬建場地素填土、飽和粉土厚度較大，密實度不均勻，場地大部地段屬不均勻地基。根據(jù)地基土工程性能特征及分布條件、建筑物荷載特點、基礎埋置深度等，通過對地基基礎方案進行論證，一致認為采用沉管夯擴鋼筋混凝土樁比較適宜，且施工比較方便、經(jīng)濟。

圖7 采空區(qū)分布圖

表1 擬建場地內(nèi)采空區(qū)分布一覽表

4.4.1 沉管夯擴鋼筋混凝土樁設計

沉管夯擴鋼筋混凝土樁是近年來興起的一種新的地基處理方法，該樁型已在2015年正式成為地方規(guī)范《沉管夯擴樁技術規(guī)程》DBJ 61/T102-2015。該種樁成孔采用擠密不取土方法，樁底部用干硬性混凝土夯擊成大頭狀，增大了樁端與持力層接觸面積，大大提高了單樁承載力及復合地基承載力。同時，該種樁現(xiàn)場施工，干凈、無污染、地下水位對其影響較小，施工速度較快、工期短、成本相對較低，是近年來使用較多的地基處理新方法，在西安地區(qū)已有許多成功運用的工程案例。根據(jù)勘察報告、地層結構資料，結合《沉管夯擴樁技術規(guī)程》要求，提供沉管夯擴樁有關設計參數(shù)，如表2所示。

根據(jù)擬建物結構特征，采用沉管夯擴樁可在條形基礎或獨立基礎下布樁，也可采用單柱單樁。設計嚴格按照《沉管夯擴樁技術規(guī)程》DBJ 61/T102-2015執(zhí)行，該種樁型主要以端承力及側阻力發(fā)揮作用，設計單位可根據(jù)設計參數(shù)，及不同建筑物對地基的不同要求和其所在地基土工程特征的不同，選擇不同的樁徑樁長。

表2 沉管夯擴樁設計參數(shù)

采用沉管夯擴樁方案設計時，應注意下列問題：

（1）樁基工程正式施工前，應注意在現(xiàn)場試樁，驗證單樁承載力是否滿足規(guī)范要求，核實該工程現(xiàn)場施工條件，確定好相應的樁尖標高，評判樁尖穿透硬夾層的可能性。必要時根據(jù)試驗結果作適當調(diào)整；

（2）沉管夯擴樁施工前應進行試樁，單樁承載力的靜載荷試驗應嚴格按照《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ 79-2012附錄的有關規(guī)定進行。試樁報告應及時送交設計單位，經(jīng)設計單位認可后方可施工工程樁。

當設計上有特殊要求或受施工條件的限制時，不排除采用其它地基處理方法，但無論采用何種處理方法，都必須經(jīng)過現(xiàn)場載荷試驗檢測地基的承載力，嚴格按照《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ 79-2012及相應的施工規(guī)范中的有關要求進行，以確保地基處理后達到預期效果。

樁平面布置圖和試樁、工程樁的有效樁長、入巖深度、沉渣、灌入度樁焊接、承載力簡圖如圖8、圖9所示。

圖8 采空區(qū)樁平面布置圖

圖9 采空區(qū)工程樁及試樁示意圖

4.5 基坑開挖與支護

現(xiàn)場地四周與已有建筑物、道路均有一定的安全距離，坑壁主要為①層素填土、②層粉土、③層粉質(zhì)粘土，應根據(jù)擬建建筑物基礎埋深及周圍建筑情況，看是否具備開挖放坡條件。若具備，則放坡坡度①層素填土可按1:1.4進行，②層粉土、③層粉質(zhì)粘土可按1:1.25進行。若需進行支護，支護設計參數(shù)、抗剪強度參數(shù)及天然重度，建議采用如下數(shù)值，如表3所示。

4.6 基坑開挖應注意的事項

（1）為了保證地基土原狀結構不受破壞，基坑開挖應在基底面以上預留一定厚度土層，地基處理施工后進行清理。

表3 基坑開挖設計建議參數(shù)表

（2）基坑開挖出來的土不應堆放在基坑邊，應及時外運或遠離基坑邊，以保證邊坡的穩(wěn)定性。

（3）同時，做好場地排水設計，及時排除場地雨水，防止地表水、施工用水及生活用水滲入地下造成對地基和邊坡的危害。

4.7 基坑降水

勘察期間，擬建場地在鉆探深度內(nèi)未揭露到地下水，場地內(nèi)分布上層滯水，粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大，在擾動作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象，類似地下水位，根據(jù)多日在鉆孔內(nèi)觀察及民調(diào)，水的補給來源主要為大氣降水和地表水的滲入，如需要排水，建議采用集水明排法進行。

4.8 施工過程中需要注意的問題

擬建場地附近未發(fā)現(xiàn)有影響施工的因素，上部土為松散的素填土、粉土和粉質(zhì)粘土，粉土與粉質(zhì)粘土界限處含水量較大，在擾動作用下明顯出現(xiàn)橡皮泥或縮孔現(xiàn)象，采用大開挖時易引起坍塌，建議開挖時采取簡單的支護措施，以免影響后續(xù)正常施工。

5 結語

該采空區(qū)案例已建成3年多，至今采空區(qū)治理效果良好，是一個典型的采煤區(qū)下的采空區(qū)的案例。采空區(qū)的處理問題是當今建筑領域的一大技術難題，各種處理方法都存在一定的局限性，在施工之前，要因地制宜，合理結合采空區(qū)的幾種處理方法，必須做到安全可靠之后方可進行基礎施工。