采空區(qū)公路勘察綜合勘察方法運(yùn)用

劉 偉，胡華敏

(湖南嘉灃工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007)

1 勘察方法介紹

目前常用的勘察方法包括工程地質(zhì)測(cè)繪、勘探與取樣、原位測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。

工程地質(zhì)測(cè)繪是巖土工程勘察的基礎(chǔ)工作，一般在勘察的初期階段進(jìn)行。這一方法的本質(zhì)是運(yùn)用地質(zhì)、工程地質(zhì)理論，對(duì)地面的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察和描述，分析其性質(zhì)和規(guī)律，并藉以推斷地下地質(zhì)情況，為勘探、測(cè)試工作等其它勘察方法提供依據(jù)。

勘探包括物探、鉆探和坑探等多種方法。它是用來(lái)調(diào)查地下地質(zhì)情況的，并且可利用鉆探取樣進(jìn)行原位測(cè)試和監(jiān)測(cè)。物探是一種間接的勘探手段，它的優(yōu)點(diǎn)是較之鉆探和坑探輕便、經(jīng)濟(jì)而迅速，能夠及時(shí)解決工程地質(zhì)測(cè)繪中難于推斷而又急待了解的地下地質(zhì)情況，所以它常與測(cè)繪工作配合使用。它又可作為鉆探和坑探的先行或輔助手段。但是，物探成果判釋往往具多解性，方法的使用又受地形條件等的限制，其成果需用鉆探工程來(lái)驗(yàn)證。

原位測(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)的主要目的，是為巖土工程問(wèn)題分析評(píng)價(jià)提供技術(shù)參數(shù)，包括巖土的物性指標(biāo)、強(qiáng)度參數(shù)、固結(jié)變形特性參數(shù)、滲透性參數(shù)和應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間關(guān)系的參數(shù)等。原位測(cè)試一般都藉助于勘探工程進(jìn)行，是詳細(xì)勘察階段主要的勘察方法。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)與監(jiān)測(cè)是構(gòu)成巖土工程系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，大量工作在施工和運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行。但是這項(xiàng)工作一般需在施工勘察階段開(kāi)始實(shí)施，所以也被列為一種勘察方法。它的主要目的在于保證工程質(zhì)量和安全，提高工程效益。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在巖土工程勘察領(lǐng)域中不斷引進(jìn)高新技術(shù)。例如，工程地質(zhì)綜合分析、工程地質(zhì)測(cè)繪制圖和不良地質(zhì)現(xiàn)象監(jiān)測(cè)中遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)即“3S”技術(shù)的引進(jìn)；勘探工作中地質(zhì)雷達(dá)和地球物理成像技術(shù)(CT)的應(yīng)用等。

2 某公路勘察項(xiàng)目背景

2.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目擬建公路規(guī)劃為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度40km/h。道路采用一幅路形式，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為路面寬8.5m，路基全寬10m。路線全長(zhǎng)12km，其中特長(zhǎng)隧道1座，大橋3座，中橋2座，小橋2座。特長(zhǎng)隧道采用分離式雙洞形式，單洞寬9.5m。

2.2 地形地貌

線路區(qū)域地形較復(fù)雜，線路總體地勢(shì)為兩端低中間高。線路起點(diǎn)段（即線路起點(diǎn)—隧道入口，里程K0+000～K2+600），高程292～397m，相對(duì)高差105m；線路中間段（即隧道段，里程K2+600～K7+650），山勢(shì)陡峻，山體剝蝕作用強(qiáng)烈，高程390～1050m，相對(duì)高差660m；線路終點(diǎn)段（即隧道出口—線路終點(diǎn)，里程K7+650～K12+000），高程140～276m，相對(duì)高差136m。

線路通過(guò)的地貌有沖積河谷地貌與構(gòu)造剝蝕丘陵、低山和中山地貌單元。其中線路起點(diǎn)段和終點(diǎn)段屬?zèng)_積河谷地貌，地勢(shì)較為平緩，地形較為開(kāi)闊，海拔140～397m，其相對(duì)高差257m，溝谷中常堆積有第四系松散坡殘積與崩坡積堆積層，滑坡、崩塌（危巖）較多，泥石流偶有發(fā)生。隧道段屬構(gòu)造剝蝕丘陵、低山和中山地貌，地勢(shì)較為陡峻，常形成平頂山及橫向谷、縱向谷；溝谷一般呈“V”型，構(gòu)造剝蝕作用強(qiáng)烈，丘陵起伏，海拔390～1050m，最大高差660m，地表多堆積有較薄的第四紀(jì)沖洪積層與奧陶紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)砂巖脫落與風(fēng)化的坡殘積覆蓋及堆積層，部分地區(qū)基巖直接裸露，滑坡、崩塌較少。

2.3 工程地質(zhì)條件

（1）第四系覆蓋物：

①第四系全新統(tǒng)人工填土層：表層為雜填土，以建筑垃圾為主，其下以碎石土為主，局部含少量粉土、細(xì)砂、卵石等，成份復(fù)雜、均勻性較差，范圍及厚度均較小，遇水發(fā)生軟化易產(chǎn)生不均勻沉降或過(guò)大沉降。

②粘土夾碎石：黃色、棕紅色，結(jié)構(gòu)松散，分布于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平緩的低山、丘陵地帶，呈可塑—硬塑狀，厚度0～2m，局部厚度可達(dá)5m，不良工程地質(zhì)作用主要為潛在不穩(wěn)定斜坡。

③碎石土：雜色，稍濕，松散，最大粒徑不小于100mm，一般粒徑20～40mm，大于20mm粒徑的顆粒質(zhì)量約占總質(zhì)量的70%，亞圓形，分布于沖溝地帶，厚度0～3.5m，不良工程地質(zhì)作用主要為不均勻沉降。

（2）巖類(lèi)：

①白云質(zhì)石灰?guī)r：礦物成分主要為方解石，含少量的白云巖，灰色、厚層狀，鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，中風(fēng)化。

②砂巖：灰白色，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，細(xì)粒結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，硅質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙較發(fā)育。由于人工活動(dòng)，使得在陡峻地形中多出現(xiàn)崩塌，在斜坡上形成巖堆。

③礫巖：灰白色，稍濕，成分以石英巖為主，硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，巖性堅(jiān)硬，巖芯呈碎塊狀及柱狀，裂隙較發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化。礫巖中夾有細(xì)砂巖，砂質(zhì)礦物成分以長(zhǎng)石、石英砂巖為主，砂質(zhì)巖性較軟弱，抗風(fēng)化能力差，與礫巖常差異風(fēng)化形成風(fēng)化腔和凹槽。

3 采空區(qū)勘察技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施

3.1 采空區(qū)勘探技術(shù)難點(diǎn)

據(jù)資料，擬建公路沿線煤礦采空區(qū)主要分布于K3+000～K5+600和K6+800～K9+300，采空區(qū)勘探為本項(xiàng)目主要技術(shù)難點(diǎn)。存在地形條件復(fù)雜、地下采空區(qū)規(guī)模大、開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)、資料不全等不利因素。

據(jù)調(diào)查，采空區(qū)包含國(guó)有煤礦及黑煤窯采空區(qū)，煤井井口分布較多，隧道出口附近山谷是煤礦開(kāi)采井口密集區(qū)。上述煤礦從清朝、民國(guó)一直開(kāi)采至今，目前僅掌握近年國(guó)營(yíng)煤礦的開(kāi)采記錄。而前清、民國(guó)和解放初期的資料已缺失，解放后至今幾百座私人煤礦的具體情況也無(wú)據(jù)可查。據(jù)當(dāng)?shù)厝私榻B，除井口外，隧道入口附近黑煤窯采空區(qū)頂板厚度一般在10m左右，隧道出口附近的黑煤窯采空區(qū)頂板厚度一般在40m左右。國(guó)營(yíng)煤礦采空區(qū)頂板厚度一般為100～200m，大部分井口已封閉，地面未發(fā)現(xiàn)明顯坍塌現(xiàn)象。

由于采空區(qū)范圍涵蓋了整個(gè)山谷和附近多處山體，根據(jù)已知采空區(qū)取范圍，路線設(shè)計(jì)采取了避讓措施，在K3+400附近向北側(cè)進(jìn)入山體，但此段未進(jìn)行過(guò)老采區(qū)的探查工作，需補(bǔ)充開(kāi)展全面的采空區(qū)探測(cè)工作。

3.2 采空區(qū)勘探應(yīng)對(duì)措施

本次勘察擬先開(kāi)展采空區(qū)地質(zhì)調(diào)查復(fù)核和工程物探方法對(duì)線路的地質(zhì)情況、采空區(qū)范圍進(jìn)行排查，圈定區(qū)域和評(píng)價(jià)后再以物探和鉆探相配合的方法進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、工程物探、地質(zhì)鉆探等方法的配合使用輔以其他測(cè)試手段進(jìn)行全面可靠的勘察。

在隧道段先對(duì)沿線的采掘硐、井進(jìn)行走訪調(diào)查，與已有資料結(jié)合進(jìn)行綜合分析后，采用間距25m的EH4電磁測(cè)深法進(jìn)行隧道縱斷面掃測(cè)，根據(jù)掃測(cè)結(jié)果再對(duì)隧道外側(cè)區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)延伸，對(duì)高疑似區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密探測(cè)，圈定高疑似采空區(qū)后在具備條件的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)鉆探驗(yàn)證，根據(jù)鉆探資料再對(duì)工程物探數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解譯。

橋梁段先進(jìn)行資料統(tǒng)合和采空區(qū)補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查，在綜合分析的基礎(chǔ)上擬先采用高密度電法或EH4電磁測(cè)深法，后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，具備條件的可再開(kāi)展跨孔CT等方法對(duì)橋基采空區(qū)進(jìn)行可靠的勘察。

同時(shí)對(duì)路基、邊坡、滑坡等各工點(diǎn)展開(kāi)地調(diào)、挖探、簡(jiǎn)易鉆探、鉆探等工作，對(duì)巖、土層開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速測(cè)試、跨孔CT、地應(yīng)力等測(cè)試，遵照相關(guān)規(guī)范的要求采取一定數(shù)量的原狀土、石試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，查明場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)，測(cè)試各層巖、土體的物理力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算土層等效剪切波速和進(jìn)行地震效應(yīng)分析，對(duì)采空區(qū)對(duì)本項(xiàng)目工程結(jié)構(gòu)體的影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；勘察中還需對(duì)地下水進(jìn)行觀測(cè)，了解其變化幅度和規(guī)律，測(cè)定地層的滲透性，并采取一定數(shù)量的水試樣進(jìn)行水質(zhì)分析，測(cè)定其對(duì)混凝土有無(wú)腐蝕性。

4 綜合勘察方法運(yùn)用

4.1 一般路基勘察方法

一般路基勘察手段以工程地質(zhì)測(cè)繪為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆探取樣及原位測(cè)試進(jìn)行。路基勘探孔沿道路中心線布置，間距為80m，孔深預(yù)估為10m。

4.2 橋梁勘察方法

橋梁勘察方法以鉆探取樣為主，并對(duì)工程地質(zhì)測(cè)繪進(jìn)行復(fù)核。鉆孔深度以滿足規(guī)范、滿足設(shè)計(jì)計(jì)算深度要求為原則，每組橋墩布置一個(gè)勘探孔，呈之字型布置，鉆孔深度不小于30m且進(jìn)入中風(fēng)化巖層10m，遇采空區(qū)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加深或加密。

4.3 隧道勘察方法

隧道段工程地質(zhì)勘察方法以鉆探為主，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行波速測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)試及水文地質(zhì)試驗(yàn)，同時(shí)，進(jìn)行地調(diào)復(fù)核，結(jié)合初勘地質(zhì)成果（含物探及各種測(cè)試試驗(yàn)），相互驗(yàn)證，以期取得深入、可靠的地質(zhì)結(jié)論。

隧道段的地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)測(cè)繪復(fù)核重點(diǎn)為復(fù)核隧道通過(guò)的嚴(yán)重不良地質(zhì)、特殊地質(zhì)地段，收集地質(zhì)橫、縱斷面資料，以確定隧道位置的工程地質(zhì)條件。根據(jù)隧道區(qū)域不良地質(zhì)情況及隱蔽的工程地質(zhì)問(wèn)題，按實(shí)際情況適當(dāng)加大調(diào)繪范圍和工作量。同時(shí)，加強(qiáng)節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)調(diào)查，在進(jìn)出口段統(tǒng)計(jì)數(shù)量不少于10個(gè)點(diǎn)，洞身段每500m不少于1個(gè)點(diǎn)，在節(jié)理裂隙變化段應(yīng)加密統(tǒng)計(jì)調(diào)查點(diǎn)。另外，為評(píng)價(jià)隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件，應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料進(jìn)行搜集，并對(duì)隧址區(qū)的水文地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)繪。

隧道K3+500～K4+600段，鉆孔沿隧道雙洞中線布置，根據(jù)實(shí)際地形和采空區(qū)位置選擇具備條件的位置進(jìn)行布設(shè)，重點(diǎn)疑似采空區(qū)可在中線兩側(cè)斷面再適當(dāng)布設(shè)鉆孔驗(yàn)證，具備條件的可在鉆孔間進(jìn)行跨孔CT探測(cè)，橫斷面鉆孔間距40m為宜。一般鉆孔深至隧道底板以下3倍洞徑。疑似采空區(qū)鉆孔深至采空區(qū)底板以下10m或隧道底板以下3～5倍采空區(qū)厚度的完整基巖，隧道K4+600以后區(qū)域受地形影響，鉆孔施工難度太大，將以物探為主；K6+500至隧道出口段，根據(jù)物探資料在重點(diǎn)疑似區(qū)域和具備條件的位置可布設(shè)2～3個(gè)鉆孔，孔深控制準(zhǔn)則同上。

4.4 滑坡勘察方法

滑坡勘察方法將在已有資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)查與測(cè)繪為主，輔以適當(dāng)?shù)你@探取樣。鉆探點(diǎn)（線）應(yīng)沿滑坡的主滑方向布置。根據(jù)滑坡規(guī)模布置2～3個(gè)勘探斷面，孔深預(yù)估為20m。

滑坡的鉆探深度應(yīng)至滑坡體以下的穩(wěn)定地層內(nèi)不小于3m。設(shè)置支擋工程部位，勘探點(diǎn)的深度應(yīng)滿足支擋工程設(shè)計(jì)的要求?；鹿こ痰刭|(zhì)鉆探應(yīng)根據(jù)滑坡體及滑動(dòng)面（帶）的物質(zhì)組成選擇干鉆、無(wú)泵反循環(huán)或雙層巖芯管鉆探等方法。

鉆探應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)回次。至預(yù)估的滑動(dòng)面（帶）以上5m或發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)面（帶）跡象時(shí)，必須進(jìn)行干鉆，同回次進(jìn)尺不得大于0.3m，并及時(shí)檢查巖芯，確定滑動(dòng)面位置。應(yīng)在滑坡體及滑床地層中，分層采取巖、土、水試樣；滑動(dòng)面（帶）應(yīng)采取原狀樣。

4.5 采空區(qū)勘察方法

采空區(qū)勘察為本項(xiàng)目重點(diǎn)以及難點(diǎn)所在，路基、橋梁以及隧道均存在穿越采空區(qū)的地段。因此，路基、橋梁與隧道勘察方案均應(yīng)同時(shí)滿足采空區(qū)勘察技術(shù)要求。采空區(qū)須采用綜合勘察方法，勘探前期以搜集資料和調(diào)查訪問(wèn)為主，對(duì)地質(zhì)測(cè)繪進(jìn)行詳細(xì)復(fù)核與補(bǔ)充。勘探手段則以鉆探與物探相互驗(yàn)證、同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于地勢(shì)陡峭鉆孔難以施工的地段，則主要進(jìn)行綜合物探。

（1）物探。根據(jù)采空區(qū)的埋藏深度，采用電法、地質(zhì)雷達(dá)、綜合測(cè)井等綜合物探手段，其方法可參考表1。

表1 物探組合方法選用表

采空區(qū)物探測(cè)線布置應(yīng)根據(jù)：線路縱、橫斷面方向，并結(jié)合工程性質(zhì)，采空區(qū)的埋深、延伸方向進(jìn)行布置，以查明采空區(qū)的范圍、埋深、采空區(qū)的空間大小、上覆巖、土層厚度。

（2）鉆探與測(cè)試。根據(jù)搜集的圖紙資料、調(diào)查測(cè)繪以及物探的成果資料，先綜合分析，再確定鉆孔的數(shù)量及深度，以進(jìn)一步驗(yàn)證物探結(jié)果，得以相互補(bǔ)充，鉆孔深度應(yīng)鉆至最低層洞底地層以下不少于2m。布孔應(yīng)結(jié)合工程和坑洞展布情況以及物探異常點(diǎn)，經(jīng)綜合分析研究后進(jìn)行布置。

對(duì)上覆不同性質(zhì)的巖、土層，應(yīng)分別取代表性試樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，提供穩(wěn)定性驗(yàn)算及工程設(shè)計(jì)所需參數(shù)。分別取地表水及地下水樣做水質(zhì)分析。對(duì)煤層或可能儲(chǔ)氣部位，必要時(shí)進(jìn)行有害氣體含量及壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

（3）地表變形的觀測(cè)。線路通過(guò)大面積采空區(qū)，當(dāng)缺乏資料且勘探難以查明采空區(qū)的基本特征時(shí)，應(yīng)進(jìn)行定位觀測(cè)，直接查明地表變化特征、變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)。

觀測(cè)線宜平行或垂直礦層走向成直線布置，其長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)移動(dòng)盆地的預(yù)計(jì)變形范圍，走向觀測(cè)線（即觀測(cè)線平行礦層走向），應(yīng)有一條測(cè)線通過(guò)預(yù)計(jì)最大下沉值的位置；傾向觀測(cè)線（即觀測(cè)線垂直礦層走向）不宜少于2條。方法是先確定礦層走向，然后根據(jù)礦區(qū)已有的地表移動(dòng)資料，確定走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線。且觀測(cè)線上的觀測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)大致相等。觀測(cè)點(diǎn)間距的選用詳見(jiàn)表2。觀測(cè)周期可根據(jù)表3選用。在觀測(cè)地表變形的同時(shí)，應(yīng)觀測(cè)地表裂縫、陷坑、臺(tái)階的發(fā)展和建筑物的變形情況。

表2 定位觀測(cè)點(diǎn)間距選用表

觀測(cè)資料的整理：①繪制下沉曲線圖、下沉等值線圖、水平變形分布圖。②根據(jù)有關(guān)變形值，劃分地表變形區(qū)的范圍。如根據(jù)建筑物對(duì)地表變形區(qū)的允許極限值，確定移動(dòng)區(qū)范圍（內(nèi)邊緣區(qū)），根據(jù)地表下沉10mm的下沉值，確定輕微變形區(qū)，即移動(dòng)盆地的范圍。③計(jì)算盆地內(nèi)有關(guān)地點(diǎn)的地表下沉值、傾斜值、曲率、水平移動(dòng)值和水平變形值。④對(duì)正在開(kāi)采和將來(lái)開(kāi)采的采空區(qū)，應(yīng)預(yù)算其最大變形（最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大水平移動(dòng)值和最大水平變形值）對(duì)緩傾巖層或地表變形平緩連續(xù)時(shí)，可按條有關(guān)方法計(jì)算最大變形值。⑤原始測(cè)量記錄。

表3 觀測(cè)周期表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采空區(qū)公路勘察的工程實(shí)踐，充分說(shuō)明對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的勘察項(xiàng)目，只有通過(guò)多種勘察方法的綜合運(yùn)用，相互驗(yàn)證，相輔相成，方可取得準(zhǔn)確的巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，隨著新型巖土工程勘察技術(shù)的出現(xiàn)，并與傳統(tǒng)勘察方法的相互結(jié)合及綜合運(yùn)用，未來(lái)勘察技術(shù)成果必將進(jìn)一步走向精確與可靠。