采空區地基處理研究應用

霍治澎，鄭海

（延安大學 建筑工程學院，陜西延安 716000）

1 采空區的概念

采空區是指在人類挖掘采礦的過程中，或者在天然的地質活動中，在地表或者地表之下產生的“空洞”。采空區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。

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

圖1 采空區

2 采空區的危害

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

由于地下采空區的空間分布沒有明顯的規律特征，隱伏性較強，而且采空區頂板處容易發生冒落塌陷等情況，因此，如何正確判斷地下采空區的分布范圍，掌握采空區的空間形態特征和采空區的冒落狀況等，一直是工程技術人員對采空區進行潛在危害性評價的難題，對如何合理制定采空區治理對策造成困擾。而且，工程建設會引發或加劇采空塌陷，所以在含有采空區的地區進行建筑施工前，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，隨著礦山向內不斷挖掘，地球對其壓力不斷增大，采空區在強大的地壓下，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，也會給這些地區廣大人民群眾的生命財產帶來嚴重的威脅[2-3]（圖2）。

圖2 采空區的危害

3 常用的采空區處理方法

露天采空區的處理相對簡單，大部分情況都可以直接利用回填技術解決，只需考慮經濟性原則。地下采空區的處理較為復雜，只有經過查閱相關資料或進行地質勘探后，方可制定合適的施工處理方案，常見的地下采空區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，占據其位置。經過一定時間后，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，減小地基土變形；或者用來提高土地基土的抗滲性，有效防止地基土出現流沙管涌等不良現象；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，一般需要連續多次夯擊、多遍間歇性夯擊，并結合工程的實際情況根據現場試驗來確定需要夯實的次數和有效夯實的深度。根據現有經驗表明：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樁和外樁管同步沉入土層內部，通過錘擊內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，用內樁管和樁錘壓頂在管內混凝土面上，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層社區養老中心、1棟3層商業中心及附屬商業、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模的采空區，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。根據民調及現有煤礦調查，擬建場地下部約50～80m有采空區或壓礦等不良的地質現象，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 工程地質條件

根據勘探部門現場18個驗證鉆孔揭露地層情況，勘查區工程地質條件如下：

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。該層土的土質主要包括泥質粉砂巖和泥巖，還含有砂質泥巖及薄煤層等巖體。經試驗測得在干燥狀態下，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。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，軟化系數平均值0.24，故該巖層呈現出穩定性較差的特點。巖石的質量指標平均值為73.38%，說明巖石質量較好（Ⅲ），巖體呈中等完整狀態；

（4）采空區或3#煤層：采空區或3#煤層厚度在0.8～3.1m之間，3#煤層飽和狀態下測得抗壓強度6.7～9.2MPa，干燥狀態下抗壓強度介于14.7～18.3MPa之間，軟化系數大約0.48左右。飽和抗拉強度1.2MPa，干燥狀態下抗拉強度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理狀態。干燥狀態下抗壓強度54.70～64.45MPa，飽和抗壓強度20.2～28.7MPa，軟化系數大約為0.5，抗水性能好，抗凍性能好，工程地質性質較好。巖石的質量指標為78.5%～89.9%，該層巖石質量屬中等至好，巖體質量中等。

4.3 采空區分布特征

根據調查、走訪、物探解譯及現場鉆探驗證，建設場地區域內存在采空區，采空區的形成主要是由于小煤窯開采，采用的方法主要是條帶式，條帶采空區異常區寬度7.0～60.0m之間，可以分為三個條帶采空區，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場地采空區分布圖。采空區分布情況詳見表1。

4.4 采空區治理方案的設計

結合該施工現場實際情況和各種采空區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設計院提供的巖土工程勘察任務委托書，設計室內±0.000m標高、荷載、結構、功能特征和地基土工程性質綜合而定。根據勘察成果，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、經濟。

圖7 采空區分布圖

表1 擬建場地內采空區分布一覽表

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年正式成為地方規范《沉管夯擴樁技術規程》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，在西安地區已有許多成功運用的工程案例。根據勘察報告、地層結構資料，結合《沉管夯擴樁技術規程》要求，提供沉管夯擴樁有關設計參數，如表2所示。

根據擬建物結構特征，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《沉管夯擴樁技術規程》DBJ 61/T102-2015執行，該種樁型主要以端承力及側阻力發揮作用，設計單位可根據設計參數，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

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，應注意在現場試樁，驗證單樁承載力是否滿足規范要求，核實該工程現場施工條件，確定好相應的樁尖標高，評判樁尖穿透硬夾層的可能性。必要時根據試驗結果作適當調整；

（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范》JGJ 79-2012附錄的有關規定進行。試樁報告應及時送交設計單位，經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，都必須經過現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范》JGJ 79-2012及相應的施工規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 采空區樁平面布置圖

圖9 采空區工程樁及試樁示意圖

4.5 基坑開挖與支護

現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層粉質粘土，應根據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層粉質粘土可按1:1.25進行。若需進行支護，支護設計參數、抗剪強度參數及天然重度，建議采用如下數值，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未揭露到地下水，場地內分布上層滯水，粉土與粉質粘土界限處含水量較大，在擾動作用下明顯出現橡皮泥或縮孔現象，類似地下水位，根據多日在鉆孔內觀察及民調，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

擬建場地附近未發現有影響施工的因素，上部土為松散的素填土、粉土和粉質粘土，粉土與粉質粘土界限處含水量較大，在擾動作用下明顯出現橡皮泥或縮孔現象，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，以免影響后續正常施工。

5 結語

該采空區案例已建成3年多，至今采空區治理效果良好，是一個典型的采煤區下的采空區的案例。采空區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。