廣州地鐵某采空區穩定性及工程建設適宜性淺析

游思琴，代志坤，詹堅鑫

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

采空區是由人為挖掘地下礦產資源后殘留的“空洞”，具有隱蔽性強、規律性差、復雜性強等特點[1]。近年隨著城市的發展，各大中城市進行城市軌道交通建設。與此同時，采空區作為地鐵施工和運營安全的不良地質隱患，影響城市軌道選線、設計以及后續施工等各個環節，多數情況選擇繞避[2]。但在實際工程建設中時常有無法繞避，必須通過的情況，故確定采空區范圍和邊界，查明其地質特征，是地鐵工程勘察穩定性評價及工程建設適宜性分析、以及設計施工制定采空區處理技術方案的重要依據[3]。國內外對采空區勘察已經有較為詳實的研究，黃創[4]采用高密度電法確定采空區的分布范圍；林惠立、欒恒杰[5]利用現場調研和EH4大地電磁法確定采空區面積、內積水等分布詳情；高奮飛、嚴克淵[6]綜合條件判別法和數值模擬方式對采空區對隧洞的影響進行分析。其中，城市軌道交通建設尤其以地鐵工程建設對采空區的勘察的研究相對較少，本文以廣州地鐵十二號線受采空區影響的某工程區為例，詳勘階段通過收集區域地質環境條件資料、現場調查走訪、常規鉆探[7-11]、綜合物探[2,10-12]等方法，查明煤礦采空區的具體位置分布、形態、和充填情況，并對采空區對地鐵工程區隧道工程的影響進行評價。為后續地鐵施工前對采空區進行注漿等預處理措施提供依據，確保地鐵工程安全施工。

1 采空區勘察

1.1 采空區基本工程地質條件

廣州市三元里至嘉禾一帶分布有煤炭資源，自明清時期就有零星開采，解放后才有一定規模的開采，20世紀80年代末該區所有煤礦陸續停產關閉，但留下了許多地下采空區，其平面位置及空間狀況對廣州市北部地鐵線路敷設方案及工法選擇有著較大的影響。工程區附近分布的煤田采空區主要為二井田、三井田、四井田采空區，其中二井田采空區與工程區有相交，相交位置示意見圖1。

圖1 廣州市煤田采空區與工程區相交位置示意

采空區含煤地層為上二疊統龍潭組(P2l)，其上部為灰白色長石石英砂巖、灰色泥巖，含鐵質結核和菱鐵礦條帶，中部夾鈣質泥巖，硅質巖透鏡體。下部為灰白色粉砂巖、粉砂質泥巖，與細砂巖互層，夾數層煤層和炭質泥巖，厚度為150～300 m。采空區走向與區域龍潭組地層走向基本一致(為北北東向)，與工程區隧道斜交，分布寬度約120 m。

1.2 綜合地球物理勘察

在采空區現場調查的基礎上，根據實際施工條件，結合采空區空間分布特征、范圍，沿地鐵沿線，垂直采空區或地層走向為原則布置勘探線或勘探點，進行綜合地球物理勘察。本工程區物探工作共設計微動面波勘探測線2條，分別為DL6、DL7，共計600 m，測點為62個，同時初勘DL18、DL20巖芯，揭露了采空區特征，對2個鉆孔進行了參數采集，總計采集64個物理勘探點(見圖2)。

圖2 工程區物探實際工作量示意

根據圖3所示，通過煤田勘探和煤礦開采資料，DL6測線異常：6-1、6-2、6-3區埋深100 m范圍內無煤層和采空區，推測為巖層破碎；其中6-4、6-5、6-6和6-7異常區對應二井田煤層。DL7測線異常：7-1、7-2異常區對應二井田煤層。

圖3 DL6、DL7 面波波速等值線剖面圖與平面異常示意

根據DL6和DL7測線圈定的低速異常帶，結合煤田勘探資料，在平面上圈定6個異常區(XSX-1至XSX-6)。其中XSX-1、XSX-2、XSX-3異常區對應DL6測線面波速度剖面圖上的6-1、6-2、6-3異常。XSX-4、XSX-5、異常區對應DL6、DL7測線面波速度剖面圖上的6-4、6-5、6-6、7-1、7-2異常。XSX-6異常區對應DL6測線面波速度剖面圖上的6-7異常。

1.3 鉆探驗證

依據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[13]，結合搜集資料、工程地質調查與測繪成果、工程物探異常區域、地表變形觀測資料等，根據采空區與地鐵沿線的關系以及對既有采空區的認識，對微動面波勘探劃定的異常區進行驗證，55個驗證孔分布見表1。

表1 工程區物探異常情況及鉆探驗證孔分布 m

在揭露老窿、采空區的范圍內，共計有46個鉆孔，其中揭露采空區的鉆孔有30個，揭露煤層的鉆孔18個(其中有8個共同揭露了采空區、煤層)，鉆孔見采空區率為64.04%，見煤層率38.65%。采空區的分布在地鐵線路走向上有一定的連續性，由西往東逐漸變淺，采空區順著煤層在北東至南西方向也有一定的延續，采空擾動影響的區域更廣，煤層往南西向逐漸尖滅。

在平面上，主要分布在6個區域，其中開采巷道基本平行煤層或地層走向呈條帶狀分布，開拓巷道基本垂直煤層和地層走向(見圖4)。通過鉆探結果確定區域內采空區特征見表2。

表2 確定區域內采空區特征

圖4 揭露采空區平面分布示意

2 場地穩定性分析及工程建設適宜性評價

2.1 場地穩定性分析

1) 采空區場地現階段穩定性評價

依據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，綜合開采條件判別法、采深采厚比、采深及垮落斷裂帶高度、極限平衡法和采深采厚比4種判別方法，結合工程區煤礦采空區的特征，工程區采空區埋深小于60 m時，采空區對擬建地鐵的影響較大，為不穩定場地；采空區埋深大于60 m時，采空區對擬建地鐵的影響較小，為穩定場地。

2) 施工期采空區場地穩定性評價

工程區揭露的采空區主要為淺層采空區，隧道底板下方的巖土層主要有：強風化泥質粉砂巖、粉砂巖<7-3>，中風化泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖<8-3>，角礫狀斷層破碎帶< F-2>屬極軟-軟硬巖。隧道掘進過程中建議根據地質超前預報情況(包括工程地質、水文地質條件)進行隧道圍巖分級修正。如在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖遇有地下水時，可根據具體情況和施工條件降低圍巖級別。結合工程區區間盾構方式與地質情況進行綜合分析，工程區淺部采空區進行治理后，其穩定性為基本穩定。

2.2 工程建設適宜性評價

1) 采空區對地鐵工程的影響程度

采空區對各類工程的影響程度，應根據采空區場地穩定性、建筑物重要程度和變形要求、地表變形特征及發展趨勢、地表移動變形值、采深或采深采厚比、垮落裂隙帶的密實狀態、活化影響因素等。

① 場地穩定性及工程重要性等級定性分析采空區對工程的影響程度：工程區老窿采空區場地穩定性等級為不穩定，擬建地鐵車站工程為重要工程，變形要求高，因此，采空區對工程的影響程度為大。

② 采空區特征及活化影響因素對工程影響程度：根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》工程區采空區采深采厚比H/M<30，采空區非垮落充分充填密實型，存在不連續的空洞，鉆探過程有掉鉆，多數為充水狀態。現階段地面穩定性較好，但上覆強風化巖層較軟弱，可能發生不連續變形。基坑施工過程可能造成周邊地下水位下降引起巷道上方垮落斷裂帶壓密即淺層采空區活化引發地面沉降變形等，因此，活化的可能性中等～大。綜合采空區特征及活化影響因素分析采空區對工程的影響程度為大。

綜合分析，在后續施工過程中，施工的動態荷載及地下水位的變化可能激活采空破裂巖層導致地面發生塌陷，巷道支護較好的采空區下沉可能在采后很多年才發生，甚至50 a以上。另外保護煤柱也可能發生風化現象，引起采空區塌陷。因此，工程區采空區對工程建設的影響為大。

2) 擬建工程對采空區穩定的影響程度

綜合分析荷載臨界影響深度判別法、附加應力分析法、數值分析法等方法，據極限平衡法和采深采厚比等級評價標準進行采空區穩定性評價，選取代表性鉆孔進行定量定性分析，工程區荷載臨界影響深度HD(24.43 m)>采空區采深H(22.50 m)、附加應力影響程度Ha(40.40 m)>垮落斷裂帶深度Hlf(14.74 m)，可知擬建工程對工程區采空區穩定性影響程度為大。

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，工程區采空區垮落不充分，存在地面發生變形的可能，工程建設對采空區穩定的影響很大，需規劃、建筑、結構，采空區治理和地基處理等的綜合設計，采空區場地對地鐵建設的適宜性評價為適宜性差。但場地不良地質作用可通過工程措施予以防治，由于廣州地區經濟發達,工程建設頻繁，在不良地質和地質災害治理方面積累了大量的工作經驗，擬建場地通過采取相應的防治措施，風險也是可控的，可以進行工程建設，處理后的場地基本適宜地鐵工程建設。

3 結論及建議

1) 民窯、小煤窯開采歷史悠久，未進行正規礦山設計，規律性差，需要廣泛收集采空區地質資料、現場調研的基礎上，初步劃定分析工程區采空區范圍，通過綜合物探方法在采空區劃定范圍內圈定異常帶，根據物探異常帶指導鉆探工作，進行鉆探驗證，修正物探成果，能夠有效提高采空區勘察的準確性，同時節約現場勘察工作的時間以及成本，也減輕了前期大量密集鉆孔勘探對采空區巖層造成破碎，降低后期施工的風險，建議推廣使用。

2) 采空區地質條件復雜，對設計施工影響較大。通過收集區域地質環境條件資料、現場調查走訪、常規鉆探、綜合物探等方法，查明煤礦采空區的具體位置分布、形態、和充填情況，并對采空區對地鐵工程區隧道工程的場地穩定性及工程建設適宜性進行評價。為下一步設計施工方優化采空區注漿治理方案提供依據，提出安全高效的注漿處理措施，降低施工風險，確保安全施工。

3) 地鐵工程采空區場地穩定性分析及工程建設適宜性評價對后續設計及施工尤為重要，本工程區評價體系以定性分析為主，評價體系不夠完善，后續建議可通過數值模擬方法結合工程建設的實際案例進行評價，進行更為深入的研究和探索，進一步研究采空區注漿處理措施，按照動態設計原則，施工過程中進行優化和調整。