高速公路下伏采空區(qū)治理質(zhì)量檢測應(yīng)用研究

耿玉嶺

【摘 要】高速公路下伏采空區(qū)治理工程的質(zhì)量檢測技術(shù)對確保工程質(zhì)量至關(guān)重要。由于目前尚無規(guī)范可循，且缺乏成熟的經(jīng)驗，本文結(jié)合工程實例，討論了各種檢測方法的原理和有效性，推薦了各種檢測方法的評價指標和根據(jù)具體工程特點優(yōu)選的檢測方法組合模式。

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)；注漿治理；質(zhì)量檢測；綜合物探

Application and research of quality check for the bare ground treatment under highway

Geng Yu-ling

（HeNan academy of geophysical and engineering exploration Xinxiang HeNan 453000 ）

【Abstract】For ensuring engineer quality the technology of quality check for the bare ground treatment under highway is very important. Being no standard and ripe experience to be referred to at the present time and linked to engineer example， this article discuss the principle and effect of different treatment ways， and recommend evaluation guideline of different treatment ways and select excellent way combination according as actual engineer.

【Key words】Bare ground；Slurry-casting Treatment quality check； Integrated geophysics

采空區(qū)治理是一項隱蔽工程，治理后的效果如何，能否達到設(shè)計及公路工程的要求、保證公路安全運營，需要通過檢測工作進行評價。由于高速公路下伏采空區(qū)治理是近幾年才開始應(yīng)用的新方法，因此高速公路下伏采空區(qū)的治理效果評價中缺少成熟有效的檢測評價方法。本文結(jié)合焦晉高速公路采空區(qū)治理工程質(zhì)量檢測研究課題，討論了鉆孔與巖土測試、綜合物探方法及變形監(jiān)測等對采空區(qū)治理質(zhì)量檢測的原理和方法，并對應(yīng)用效果進行綜合分析，推薦了根據(jù)具體工程特點，優(yōu)選經(jīng)濟上合理、技術(shù)上可行的質(zhì)量檢測方法組合和采空區(qū)治理效果評價方法。

1. 質(zhì)量檢測方法及原理

采空區(qū)治理質(zhì)量的檢測實質(zhì)上是檢測采空區(qū)經(jīng)治理后物理力學(xué)性質(zhì)指標的提高程度是否滿足公路工程對采空區(qū)處理的要求。因此，除在設(shè)計和施工中應(yīng)明確規(guī)定某些質(zhì)量指標外，還應(yīng)采用一些有效的方法檢驗注漿的效果。根據(jù)目前研究的結(jié)果，對于注漿治理工程效果檢驗方法主要有：鉆孔與巖土測試方法、綜合物探方法和變形監(jiān)測方法。

1.1 鉆探與巖土測試方法。

鉆探是一種常用的最直觀的質(zhì)量檢測方法，它是按照檢驗技術(shù)要求進行鉆孔取芯，根據(jù)鉆探過程中出現(xiàn)的鉆進情況（進尺快慢、掉鉆、循環(huán)液消耗量、巖心采取率及破碎程度等），結(jié)合室內(nèi)巖土測試和野外原位測試及檢查孔注漿情況，可以對采空區(qū)治理效果進行評價。

室內(nèi)巖土測試項目主要是：充填結(jié)石體的密度，無側(cè)限飽和抗壓強度、抗剪強度等。

野外原位測試方法主要是在注漿前后分別進行孔內(nèi)測井、鉆孔彈性波CT等。此外通過在檢驗孔中進行注漿試驗，可以求得注漿充填率。

1.2 綜合物探方法。

綜合物探方法就是應(yīng)用幾種物探方法對同一工程進行檢測，相互配合，發(fā)揮各種物探方法的優(yōu)越性，以獲得最佳的檢測效果及檢測精度。

物探檢測方法是根據(jù)采空區(qū)治理前后同一點和同深度的物性變化來評價采空區(qū)治理效果的。各種物探方法的應(yīng)用都有其相應(yīng)的物理前提，目前常用的方法主要有：電法（包括高密度電法、瞬變電磁法等）、瑞雷波法等。在焦晉高速公路采空區(qū)治理質(zhì)量檢測中，首次采用了高分辨率地震檢測，并提出了利用地震波品質(zhì)因數(shù)評價注漿效果的新思路。各種方法用于采空區(qū)治理質(zhì)量檢測的基本原理與檢測效果分述如下：

1.2.1 電法（包括高密度電法和瞬變電磁法）。

電法是利用采空區(qū)治理前后一同點相同深度的電性變化量的大小，對采空區(qū)治理效果進行評價的。根據(jù)《開采沉陷學(xué)》理論，采空區(qū)覆巖按其破壞程度，自下而上可劃分為三帶——冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶（整體移動帶），在地表形成沉降盆地，并產(chǎn)生裂縫、裂隙等。地下水沿破碎巖層或裂隙向采空區(qū)匯集，同時溶解了大量的電解質(zhì)。因此，采空區(qū)治理之前，在充水（或充泥）時，呈現(xiàn)出低阻的電性特征；不充水（充氣）時則呈現(xiàn)出高阻特征。采空區(qū)經(jīng)注漿治理后，由于水泥粉煤灰漿液等的注入，使采空區(qū)及其覆巖的電性特征發(fā)生變化（趨于均勻）。將注漿前后的檢測結(jié)果進行對比，可以達到定性評價注漿效果的目的。

1.2.2 瑞雷波法。

（1）眾所周知，瑞雷波速度反映地層介質(zhì)的密度和強度等力學(xué)性質(zhì)，瑞雷波速度高，說明其密度大、強度高。采空區(qū)治理后，空洞裂縫被漿液充填，其密度、強度都將提高，瑞雷波速度值將增大；另外，注漿前在地下介質(zhì)密度的突變點（特別是有空洞存在時），原始波形記錄上會有"繞射弧"出現(xiàn)。當注漿治理以后，空洞裂隙消失，介質(zhì)密度變得相對均勻，記錄上的"繞射弧"將不復(fù)存在。因此，利用注漿前后瑞雷波速度值的變化和"繞射弧"出現(xiàn)情況，可以對采空區(qū)治理效果進行定量或半定量評價。

（2）目前，常用的瑞雷波檢測方法，無論是采用穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)，受能量限制，一般測試深度僅幾十米。而焦晉高速公路下伏采空區(qū)的埋深達100～200m，針對這一實際情況，通過試驗采用了淺孔炸藥震源的大能量瑞雷波法，其探測深度可達200m左右。endprint

1.2.3 高分辨率地震勘探檢測。

（1）高分辨率地震勘探是煤田勘探中最有效的物探方法，由于煤層與其頂?shù)装鍑鷰r之間存在較大的波阻抗差異，是較好的反射界面，在高分辨率地震時間剖面上可以形成較連續(xù)、穩(wěn)定的較強反射波；但對于煤礦采空區(qū)，由于煤層采出，頂板巖層不規(guī)則冒落，巖層完整性、均勻性受到破壞，使原本較好的反射波品質(zhì)——連續(xù)性、穩(wěn)定性大大降低，同時將增加許多雜亂的反射；當采空區(qū)被注漿治理后，冒落帶、裂隙帶中裂縫被漿液充填固結(jié)，巖層的完整性相對變好，相應(yīng)的反射波品質(zhì)則重新提高，雜亂反射相對減少。因此，可以根據(jù)注漿前后的地震反射波品質(zhì)變化評價注漿效果。

（2）正是基于這種思路，根據(jù)焦晉高速公路下伏采空區(qū)的特征，有針對性地建立了新的評價參數(shù)——地震波品質(zhì)因數(shù)Q，以品質(zhì)因數(shù)Q的大小來衡量反射波的品質(zhì)——即反射波連續(xù)性、穩(wěn)定性、振幅強度及一致性的好壞。它將反射波的品質(zhì)量化，以Q值的大小變化細致地顯示注漿前后反射波品質(zhì)的變化，以此定量評價注漿治理效果。

1.3 變形監(jiān)測。

（1）研究采空區(qū)剩余沉降對建筑物的危害程度，變形監(jiān)測是直觀有效的方法，采空區(qū)治理施工前的變形觀測，有助于進一步查明采空區(qū)及其影響的平面分布范圍，地面沉降、塌陷情況及發(fā)展趨勢；施工期間的觀測，有助于對施工過程進行動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；施工后的觀測，可以評價治理后的采空區(qū)剩余變形是否達到公路工程的要求，能否保證公路安全運營。

（2）該方法直觀、精度高，但時間跨度長。另外，觀測點的選擇應(yīng)考慮在即能反映觀測路段的變形情況，又利于觀測點的保護（特別是施工期的保護）部位。

2. 檢測效果

焦晉高速公路下伏采空區(qū)共分為三個區(qū)（合同段），其中：A區(qū)長610m，B區(qū)長1811m，C區(qū)長630m，現(xiàn)以C區(qū)為例，討論治理質(zhì)量檢測效果。

2.1 鉆探與巖土測試檢測。

根據(jù)區(qū)內(nèi)布置的3個檢查孔檢測資料，采空區(qū)中漿液凝固程度高（結(jié)石體單軸抗壓強度大于0.3MPa）；檢查孔內(nèi)注漿量均在10～15m3之間，據(jù)此求出的填充率均在85%以上；冒落帶注漿前橫波平均速度僅127m/s，治理后達287m/s，滿足設(shè)計要求。

2.2 綜合物探檢測

2.2.1 高分辨率地震勘探檢測。

本區(qū)評價注漿效果，主要是依據(jù)相當于大煤（二疊系下部的主要開采煤層）底板處的反射波TD的品質(zhì)變化，因為它的好壞可以反映冒落帶及附近巖層均勻程度的變化。依據(jù)注漿前后TD波的Q值，結(jié)合時間剖面上TD波的特征，將剖面上TD波分為三類：Ⅰ類為反射波品質(zhì)較好；Ⅱ類為反射波品質(zhì)較差；Ⅲ類為反射波品質(zhì)差。對比注漿前后各剖面的TD波的Q值曲線可以看出，注漿后反射波的Q值普遍提高，經(jīng)統(tǒng)計Q值平均提高19.5%，說明注漿治理取得了較好的效果（見圖1）。

2.2.2 瑞雷波檢測。

利用瑞雷波檢測資料分析評價采空區(qū)注漿治理效果，主要是利用由瑞雷波檢測數(shù)據(jù)計算的瑞雷波層速度展布特征以及"繞射弧"的分布特征。為了便于對比解釋，瑞雷資料經(jīng)據(jù)處理后，分別繪制了注漿前后冒落帶、裂隙帶瑞雷波層速度平面等值線圖及注漿前后冒落帶、裂隙帶層速度差值等值線圖（見圖2）及"繞射弧"分布圖。分析瑞雷波資料，注漿前冒落帶層速度普遍較低，且橫向變化大，其平均層速度為238.1m/s。注漿后層速度則全面有較大幅度提高。其平均層速度為295.4m/s，平均提高57.3m/s，相對提高24.1%。與冒落帶相比注漿前裂隙帶瑞雷波層速度相對較高且穩(wěn)定，注漿后層速度雖全面提高，但提高幅度相對較小。注漿前其平均層速度為275.1m/s，裂隙帶注漿后平均層速度為326.1m/s，平均提高51m/s，相對提高18.5%。另外，注漿前存在的"繞射弧"經(jīng)治理后多數(shù)消失或減弱，說明大部分地段注漿治理的效果是好的，可以滿足設(shè)計要求。

2.2.3 電法檢測。

圖3是注漿前后瞬變電磁法實測目的層視電阻率平面等值線圖，從中可以看出，注漿前表現(xiàn)為整體上視電阻率變化起伏大；注漿后整體上視電阻率較為均勻，說明注漿后改變了采空區(qū)的電性特征，反映了注漿治理的效果較好。

對比高密度電法在C區(qū)注漿前后實測的HD擬斷面圖，發(fā)現(xiàn)電阻率變化不明顯，難以評價治理效果。分析高密度電法在焦晉高速公路下伏采空區(qū)治理質(zhì)量檢測中效果不明顯的原因，認為可能與該處目的層太深有關(guān)。因為電法勘探是一種體積勘探，冒落帶埋藏較深，而相對厚度較小，本方法的垂向分辨率適應(yīng)不了具體的需要。

2.3 變形監(jiān)測。

圖4、圖5分別為各觀測點的沉降、位移監(jiān)測成果圖，從圖中可以看出注漿期間，治理區(qū)中部的地表一般都有不同程度的隆起現(xiàn)象，隆起量不盡相同，沉降觀測點最大隆起量達200mm左右，位移觀測點則呈現(xiàn)出不規(guī)則跳動；注漿結(jié)束至觀測終止，絕大部分觀測點趨于穩(wěn)定，但位于K15+190附近的C8、W6點穩(wěn)定性相對較差。

3. 采空區(qū)治理效果的綜合評價

3.1 采空區(qū)治理效果推薦評價指標

3.1.1 鉆探與巖土測試方法。

①填充率。

注漿治理后要求充填率達到70～85%；

②強度指標。

充填結(jié)石體，無側(cè)限抗壓強度≥0.2MPa；

③波速測試。要求VS≥200m/s

3.1.2 物探方法

（1）高分辨率地震。注漿治理后要求高分辨率地震反射波Q值大于等于0.3；

（2）瑞雷波。要求注漿治理后冒落帶瑞雷波速度大于等于200m/s。

3.1.3 變形指標。

地表傾斜值：L傾≤3～10mm/m；

地表曲率：L曲≤（10.2×10-3～0.6×10-3）/m；endprint

水平變形：L水平≤2～6mm/m。

上述指標，低限對應(yīng)構(gòu)造物路段，高限為一般路段。

3.2 治理效果綜合評價。

根據(jù)各類方法的檢測結(jié)果，除右線K15+180附近，因距現(xiàn)采小煤礦礦井較近，治理邊界不夠，造成地震反射波Q值小于0.3，瑞雷波速度略低于200m/s，變形觀測點穩(wěn)定性差，治理效果欠佳外，其余路段的各項檢測指標均能滿足推薦指標的要求，采空區(qū)治理效果良好，這一結(jié)合也由公路建設(shè)施工過程和建成通車后近一年的檢驗，采空區(qū)治理路段未出現(xiàn)任何異常而得到證實。

4. 檢測方法的有效性評價及綜合檢測技術(shù)的優(yōu)化

4.1 檢測方法的有效性評價。

通過對焦晉高速公路下伏采空區(qū)治理質(zhì)量檢測工作，對各種檢測方法的有效性有了進一步認識，詳見表1：

4.2 綜合檢測技術(shù)的優(yōu)化。

（1）綜合檢測技術(shù)優(yōu)化是強調(diào)采空區(qū)治理前后檢測參數(shù)的對比，強調(diào)面積檢測與重點部位檢驗相結(jié)合，利用面積檢測費用低，速度快，方法簡單的特點，提供整個治理區(qū)域內(nèi)的薄弱部位，再采用精度高的檢測方法在重點部位和薄弱部位進行定量分析，之后綜合兩者的檢測資料對采空區(qū)的治理效果進行綜合評價。

（2）根據(jù)各種檢測方法檢測效果的差異，考慮到治理工程的實際情況，建議在重大工程中，當對地基治理質(zhì)量要求較高時，應(yīng)按綜合檢測技術(shù)流程，采用多種檢測技術(shù)進行綜合檢測。當對地基治理質(zhì)量要求較低或采空區(qū)危害程度較低時，僅采用幾種個別的檢測方法即可滿足工程質(zhì)量的要求。針對不同工程特點建議采用的檢測方法見表4.2：

5. 結(jié)束語

5.1 高速公路下伏采空區(qū)治理效果的檢測，對于確保工程質(zhì)量對關(guān)重要，以綜合物探、變形觀測為主，結(jié)合少量檢查鉆孔的檢測模式是有效的。

5.2 各種物探方法有其不同的特點，檢測采空區(qū)治理的效果究意選擇何種方法或方法組合，首先要了解采空區(qū)的具體情況，例如開采的礦種、采空規(guī)模、開采深度、圍巖巖性特征、水文地質(zhì)條件等，分析不同方法的適應(yīng)性和預(yù)期效果，最終確定選用的方法。

5.3 由于物探方法具有多解性和偏重性，因此應(yīng)采用綜合物探方法進行檢測，各種方法相互驗證，以提高檢測精度。物探工作開展前，必須了解工作區(qū)使用物探方法的地球物理前提是否存在，且應(yīng)進行適當?shù)那捌谠囼灩ぷ鳎〉霉ぷ鲄^(qū)巖（土）層的基本物性特征。

5.4 對于具體的采空區(qū)治理工程，其檢測方法的確定，應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，從經(jīng)濟、技術(shù)兩方面考慮，優(yōu)化選擇最佳的檢測方法組合。

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