某高速公路鐵礦采空區工程地質問題研究

郭 彪

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

經初步調查,某擬建高速公路K4+620～K10+550段存在鐵礦采空區,為查明采空區的工程地質特征,確定采空區的分布范圍,該工程采用資料搜集、工程地質調繪、物探、鉆探等多種手段,評價采空區對公路工程的危害程度,進而提出合理的治理建議[1]。

1 采空區工程地質特征勘察

1.1 采礦情況調查

經調查,擬建線路K4+620～K10+550范圍內沿線主要存在7家礦企及多家小礦企,其中3家礦企在采礦有效期限內,其余大小礦企均已停采,具體情況見表1。

表1 調查路線內主要礦企情況表

(1)礦企1(K4+620～K6+800)

礦山規模為小型,礦種為鐵礦,開采標高190～320m,生產規模15.00萬噸/年,采礦有限期限為2011年12月29日至2012年12月29日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒夾二云石英片巖,礦山處于閉坑狀態。經現場調查,礦區內可見多處山體開挖,未見明顯采洞,詳情見圖1。

圖1 調查圖片

(2)礦企2(K7+000～K7+300)

礦山規模為小型,礦種為鐵礦,生產規模5.0萬噸/年,采礦有限期限為2011年10月30日至2017年10月30日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、變粒夾二云石英片巖,礦山處于閉坑狀態。經現場調查,該礦山開采主要為露天,礦山廢棄多年,未見明顯采洞。該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離281m。

(3)礦企3(K7+350～K8+200)

礦山規模為小型,礦種為鐵礦,生產規模15.00萬噸/年,采礦有限期限為2014年1月20日至2022年2月20日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒夾二云石英片巖,經現場調查,礦山在采礦期內。該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離306m。

(4)個人鐵礦(K7+550～K7+950)

經調查,線路K7+550～K7+950穿越個人鐵礦,開采方式為井工開采,調查期間發現4個礦洞,洞口進深方向均與線路相交,目前礦山停采,洞口照片詳見圖1。

(5)礦企4(K8+700～K9+700)

礦山規模為小型,礦種為鐵礦,開采標高95～327m,生產規模20.00萬噸/年,采礦有限期限為2013年4月17日至2023年4月17日。該礦礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖夾二云石英片巖,經現場調查,礦山在采礦期內,該礦整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離214m。

(6)礦企6

礦山規模為小型,礦種為鐵礦,生產規模90.00萬噸/年,采礦有限期限為2018年5月4日至2023年5月4日。礦石層位為太古界鞍山群茨溝組,巖性主要為斜長角閃巖、角閃片巖、角閃變粒巖、黑云變粒巖夾二云石英片巖,經現場調查,礦山在采礦期內,整體礦界位于線位以南,距離線位最近距離698m。

1.2 采空范圍初步確定

通過調查,基本查明沿線礦企情況,主要包括開采情況、分布情況、地層情況等。同時,基本查明設計線位與沿線各礦區的交叉情況。通過初步調查發現,線位在K7+550～K7+950與采礦采空區存在交叉,其余沿線企業礦區對設計線位影響較小,初步確定采空段落為K7+550～K7+950,在該段內重點布設下一步工作。

1.3 物探成果

根據采空區特征、現場地形條件及擬建公路展線情況,在初步確定K7+550～K7+950采空范圍內進行物探測試工作,主要應用方法為天然源面波法、智能鉆孔電視法等[2]。

物探左線距離公路中心線30m,中線沿公路中心線布置,右線距離公路中心線30m。橫剖面1布置在K7+670m處,橫剖面2布置在K7+740m處,橫剖面3布置在K7+790m處,橫剖面均沿公路中心左右延伸,物探測線布置見圖2,物探成果詳見圖3～圖5,物探異常詳見表2。

圖2 物探測線布置圖

圖3 K7+600鐵礦采空區天然源面波法斷面圖 (左線)

圖4 K7+600鐵礦采空區天然源面波法斷面圖 (中線)

圖5 K7+600鐵礦采空區天然源面波法斷面圖 (右線)

表2 K7+550～K7+590鐵礦采空區物探異常一覽表

根據天然源面波法和智能鉆孔電視法資料,結合現場調查及鉆探驗證資料,推測K7+734～K7+748附近存在鐵礦礦洞,礦洞與線位斜交,礦洞高4.1～20.2m,洞寬8～11m,洞走向近南北,詳見圖6。

圖6 典型智能鉆孔電視成果圖

1.4 地面變形特征

K4+620～K10+550路段內,采礦主要以鐵礦為主,大部分企業礦權范圍與設計線路有一定距離,開采方式為露天及井工,其中K7+550～K7+950段可見多處采礦礦洞,部分已經封堵,地表可見礦石堆,多處山體開挖破壞,可見由于地下開采造成的明顯采空塌陷變形。

1.5 鉆孔情況

依據調查結果、物探解譯結果進行了鉆孔位置布設,此次工點勘察共布置鉆孔4個,完成鉆孔4個,分別為ZK1、ZK2、ZK3、WZK0704。完成調查點1個,為DWZK0701。利用附近鉆孔1個,為ZK0707。其中ZK1、ZK2揭露鐵礦采空層,其他鉆孔中未揭露采空層位。鉆探深度內揭露地層主要為太古界鞍山群茨溝組變粒巖、角閃片巖等,鉆孔基本情況詳見表3。

表3 鉆孔情況統計表

2 釆空區對公路工程危害程度評述

根據研究資料,采空區塌陷、冒落、造成的地面變形對公路的危害,主要有以下六方面:

(1)引起橋梁墩臺差異沉降,橋柱傾斜,破壞橋梁上部結構。

(2)引起橋臺與路基不均勻沉降,導致橋臺跳車現象。

(3)造成公路路基下沉,如果在豎直方向上產生拉伸變形,將引起路基本身松弛。還有可能在不同地層中產生脫層。這將影響路基的承載力,加大地表傾斜和拉伸變形,對路基的穩定性產生影響。

(4)路基在下沉的同時,將伴有水平方向位移。垂直于路線方向的橫向移動將改變路基原有的方向;沿路基縱向的水平變形,使路基受到拉伸和壓縮。由于這兩種移動的不均勻性,會使高速公路產生坡度變化、豎曲線形態變化和路線方向變化等。

(5)路基隨地表下沉而下沉。因地表變形的不連續與無規律下沉,使得路面的原有坡度出現無規律變化。如果地表傾斜方向和路線坡度方向一致,路線坡度將增大;反之,路線坡度將減小或形成反坡。路線坡度的增減,將使移動盆地內各段路線的運行阻力有所增減,長久運行路面會產生下沉。

(6)地表的不均勻下沉。路線坡度改變時,必將導致路線在豎直方向上彎曲,改變原有設計的曲率半徑,對公路上運行的車輛及路基造成危害,嚴重時會造成交通事故[1]。

綜合以上分析,該段采空區地表變形目前處于不穩定狀態,地表變形仍然在持續,對公路工程危害嚴重。

3 釆空區治理措施建議

3.1 治理建議

采空區治理方案主要依據地表變形特征、地質與采礦特征等因素確定。主要治理方法有注漿法、砌筑法、干料填充法、垮落法和挖填法。

根據各路段采空區特征、構筑物特點,采空區段落治理建議采用垮落法、注漿法。該方法已在各地的采空區治理取得成功經驗。

3.2 釆空區處治監測與檢測

采空區處治施工期間進行地表變形監測。半年內每周監測一次,半年后至通車期間內宜每月監測一次;通車2年內,宜每2個月監測一次;變形顯著時,應增加監測頻次。經變形監測資料分析和評價,確認采空區已完全穩定,對公路工程無影響時,可停止監測。

鉆探及巖土測試檢測工作應在采空區處治施工結束后6個月進行。路基工程監測指標應為結體抗壓強度和橫波波速。橋梁工程檢測指標應包括結石體抗壓強度、橫波波速、注漿量及變形檢測。

各項檢測指標均達到設計要求時,采空區處治工程質量為合格,可進行路基、橋梁等主體工程施工。