建筑場地老采空區勘察及處理方法范文

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摘要:針對老采空區不良地質基礎導致的建筑下沉問題，旨在勘查前期能夠對采空區的范圍進行準確的探測和劃定，以及為地基處理措施的選擇提供依據。探討了采用物探勘測，鉆探驗證的方法對目標區域采空區進行綜合地質勘探與研究，并提出了相應地基處理措施。

關鍵詞:采空區;綜合勘探;地基處理;穩定性

引言

在過去的幾十年中，由于煤炭資源的開采，在中西部地區的一些老能源基地造成了大規模、大范圍的采空塌陷區，導致上覆巖體冒落、斷裂和彎曲，使巖體力學強度降低，造成老采空區上方建筑地基的承載能力下降。隨著西部大開發戰略和基礎建設的加速實施，隨著小城鎮建設的不斷發展，由于可供建筑的地面嚴重不足，一些地區工業廠房和住宅樓不得不建在老采空區上方。在建筑物荷載作用下，有可能使原本處于相對平衡狀態的冒裂帶巖體重新活化，使冒裂帶巖體再壓密。地下殘留空洞再冒落，導致地表產生附加移動和變形，進而使新建建筑物沉降，局部開裂、傾斜、直至倒塌。因此，開展對老采空區建筑地基穩定性評價及其變形破壞規律的研究工作，對老采空區建筑地基的處理，采空區建筑物的布置及其抗變形結構設計等都具有極其重要的理論和實際運用價值。目前，采空區建筑地基的處理一般采用灌漿技術，針對該項技術的研究和工程實踐已有十多年的時間，取得了一定的成效，但是，由于對老采空區建筑物移動變形規律研究不夠，一方面在采空區建筑地基處理設計中忽視了采空區的影響，留下了安全隱患;另一方面，使得采空區建筑地基處理設計的安全性偏高，增大了建設費用。根據大量資料表明，礦區停止開采以后，采動破碎巖體會進行長期的蠕動，地表會繼續進行緩慢的移動變形［1］。并且開采沉陷使采空區形成由殘留空洞和破裂巖體構成的不良地質條件。考慮采空區上方建筑荷載有可能使得原本處于相對平衡狀態的上覆巖層重新發生“活化”，從而威脅到建筑物的安全和穩定［2］。因此，前期勘察中對采空區采深、采厚以及采空范圍的劃定就顯得無比重要。在實際工程勘察中，由于建筑場地范圍大、地質異常區不清楚、鉆探成本高等原因，導致直接采用鉆探對建筑場地進行勘測經濟成本高而結果不理想［3-4］，文中主要探討采用物探與鉆探相結合的綜合勘察方法，先劃定物探異常區再進行鉆探驗證，旨在結合工程實例說明其可行性以及實際效果。

1老采空區現場勘測技術與方法

建筑場地工程地質采礦條件的調查，主要是收集包括地形地貌、地質構造、水文氣象條件、采空情況等詳細資料，并對礦區分布圖、地貌圖、地質柱狀圖等資料進行分析，采空區初步勘探工作步驟如圖1所示。

2采空區綜合物探與鉆探驗證

2．1瞬變電磁法勘探技術

瞬變電磁法屬于主動性勘測方法，適合目標埋深50～600m，適合于復雜地形，具有自動化數據采集、施工難度小等特點，但容易被常見的導電體等因素干擾。老采空區中遭到破壞的上覆巖層的電阻率、密度、彈性等物理特征相對于完整覆巖發生的巨大改變，為使用物探勘測采空區提供了物理前提。瞬變電磁的工作原理:瞬變電磁法(TEM)，是一種時間域電磁法。其探測原理是在發送回線上加載電流脈沖擊波，產生一個向地下傳播的一次磁場，在受到地下不均勻介質的影響后將產生渦流，俗稱“煙圈”。由于一次場的頻率域較高，屈服深度小，衰減快，因此可以探測淺部地層。該“煙圈”在衰減過程中會產生二次場向地表傳播，該二次場屈服深度大，能夠反映深部地質的電性分布。由于實際地下介質電性不同，在視電阻率圖上會產生異常現象，推斷礦體、地下水、殘留空洞等的位置。圖2為瞬變電磁法在礦區的視電阻率剖面等值線圖，可以清楚地反映地下采空區的空間位置特征。采空區的地質及其地球物理特征:根據礦區生產地質報告及其他相關資料，礦區內不同深度覆巖巖性電性特征見表1。 一般情況下，巖石的電阻率除了跟其物質組成有關以外，還跟其巖石的含水率有著密切的關系，即巖石的含水率越高，則其電阻率越低，反之亦然。在采空區上覆巖層發生破壞以后，其整體的電阻率會高于完整巖體的電阻率，而在邊緣區域，電阻率相差不大，且呈現層狀延伸狀態。如果含有充水裂隙的巖層其整體區域電阻率降低，會在視電阻率圖上顯示為低阻異常。由于空氣的電阻率較高，空氣附近區域的電阻率會明顯高于周圍未采空區的電阻率。由于煤層的開采，采空區上覆巖層破壞后形成“三帶”，該三帶內巖性裂隙發育，此區域巖性的電阻率會高于正常覆巖。

2．2高密度電阻率法

高密度電阻率方法一般在地面布置很多電極，電極的位置在不斷的改變，同時把電極先相關的位置測出來，從而達到對不同的深度探測的目的，如圖3所示。礦井高密度電阻率法是一種新型的直流電法技術，是集測深和剖面于一體的一種多裝置，多極距的組合方法，具有一次布極即可進行多點，多極距和多參數的數據采集的優點;并通過數據處理求取比值參數，可突出異常信息，減少多解性與其它方法比較，此法具有高效率、信息豐富、解釋方便、勘探能力顯著。可減少井下通訊不便可能造成的跑極錯誤和保證電極接地條件穩定的特點，是用于解決開采地質條件和水文地質等問題的理想礦井物探方法，非常適合井下施工。

2．3工程鉆探驗證

鉆探是以“點”的方式直接獲取采動巖體破壞情況，探明地下覆巖結構特征的最直接和最有效的方法。從鉆探過程中獲取的資料不僅可以用來查明垮落帶、裂隙發育以及覆巖情況詳細的資料，而且可以對物探成果進行對比修正，從而獲取老采空區綜合地質資料，為以后的建筑物地基和建筑物設計提供有效幫助。鉆探應查明下列內容:①采空區覆巖(土)性狀、結構特征以及驗證采空區的分布范圍、空間和頂底板高程;②采空區垮落帶、斷裂帶和彎曲帶的分布、埋深、密實程度和變形破壞狀況;③采空區中瓦斯等有害氣體賦存狀況;④采空區地下水賦存條件，包括地下水的水力聯系、地下水位及類型。

3老采空區地基處理措施及監測方法

3．1采空區處理措施

大量實例證明，建筑物地基進行抗變形設計能夠有效提高抵抗采空區地基的不均勻沉降。下面簡要介紹國內大型工業建筑物常見的幾種抗變形基礎型式。柱下獨立基礎:此基礎的剛度小，抵抗地表不均勻沉降的能力不足，適合在采空區中部區域構筑，一般會在基礎之間加設地梁以增加建筑物基礎的整體性。柱下條形基礎:此基礎整體性好，還能承受較大的上部荷載，但是一般會改造成柱下十字交叉條形基礎底，以應對地表不均勻沉降較大的區域。筏板基礎:筏板基礎常見于采空區淺部破碎地基上的基礎樣式。相對于條形基礎，其附加應力較小從而提高使用地基移動變形的能力。

3．2老采空區建筑物變形監測

對于新建建筑物，尤其是高層建筑物以及大型工業廠房，不僅需要進行抗變形措施，而且還要對上方的建筑物進行定期沉降觀測。通過監測采空區上方建筑物地基和基礎的殘余變形，不僅可以確保建筑物安全和正常的運行，同為采空區進一步建設大型建筑物的地基和房屋設計提供實測數據。老采空區建筑物的沉降監測主要包括建筑物控制網和建筑物場地監測網的布設，觀測點的重復觀測和數據的整理分析。建筑物場地控制點的布設應布設在建筑物的周邊區域，工作基點也有可能在變形區域內，并產生一定的變形。建筑物觀測點的布設應能夠反映建筑物特征變化的區域，并且觀測點能夠長期保存，根據工程實踐，觀測點應該布設下述位置:①框架建筑物應該在每個立柱上布設一點;箱型建筑物布設在拐角處;②不同建筑基礎相鄰處的兩側;③按照對稱軸線布設;④建筑物觀測點應該和建筑物地表監測點組成閉合環。

4結語

對地下老采空區進行地質勘察以查清老采空區空洞分布、地基裂隙發育特征和覆巖破壞程度，對進一步進行建筑設計和施工提供基本依據是非常重要和必需的。文中詳細介紹了采空區初步勘察階段的任務和技術方法。結合本采空區的特點，提出了以物探先行鉆探驗證的方法，從而準確提供采空區的地質資料。以礦區剖面瞬變電磁視電阻率等值線圖為例，說明了瞬變電磁法在老采空區的地質勘察能夠起到重要的作用。最后介紹廢棄采空區建筑物地基的處理措施和建筑物抗變形設計原則，闡述了采空區新建建筑物監測網布設技術要求。

參考文獻:

［1］滕永海，張俊英．老采空區地基穩定性評價［J］．煤炭學報，1997，22(5):58-62．

［2］彭紅衛．瞬變電磁勘探法在煤礦采空區的應用［J］．山東煤炭科技，2009，37(1):67-68．

［3］劉黎東，李志華，郝明．高精度重磁技術在鐵礦采空區勘察中的應用研究［J］．鐵道工程學報，2010，27(10):8-10．

［4］張俊英．采空區地表建筑地基穩定性模糊綜合評價方法［J］．北京科技大學學報，2009，31(11):1368-1372.

作者：蘇龍 郝淑榮 單位：陽泉新宇巖土工程有限責任公司