工程机械杂志高速公路下伏采空区治理质量检测应用研究

　　【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

　　采空区治理是一项隐蔽工程，治理后的效果如何，能否达到设计及公路工程的要求、保证公路安全运营，需要通过检测工作进行评价。由于高速公路下伏采空区治理是近几年才开始应用的新方法，因此高速公路下伏采空区的治理效果评价中缺少成熟有效的检测评价方法。本文结合焦晋高速公路采空区治理工程质量检测研究课题，讨论了钻孔与岩土测试、综合物探方法及变形监测等对采空区治理质量检测的原理和方法，并对应用效果进行综合分析，推荐了根据具体工程特点，优选经济上合理、技术上可行的质量检测方法组合和采空区治理效果评价方法。

　　1. 质量检测方法及原理

　　采空区治理质量的检测实质上是检测采空区经治理后物理力学性质指标的提高程度是否满足公路工程对采空区处理的要求。因此，除在设计和施工中应明确规定某些质量指标外，还应采用一些有效的方法检验注浆的效果。根据目前研究的结果，对于注浆治理工程效果检验方法主要有：钻孔与岩土测试方法、综合物探方法和变形监测方法。

　　1.1 钻探与岩土测试方法。

　　钻探是一种常用的最直观的质量检测方法，它是按照检验技术要求进行钻孔取芯，根据钻探过程中出现的钻进情况(进尺快慢、掉钻、循环液消耗量、岩心采取率及破碎程度等)，结合室内岩土测试和野外原位测试及检查孔注浆情况，可以对采空区治理效果进行评价。

　　室内岩土测试项目主要是：充填结石体的密度，无侧限饱和抗压强度、抗剪强度等。

　　野外原位测试方法主要是在注浆前后分别进行孔内测井、钻孔弹性波CT等。此外通过在检验孔中进行注浆试验，可以求得注浆充填率。

　　1.2 综合物探方法。

　　综合物探方法就是应用几种物探方法对同一工程进行检测，相互配合，发挥各种物探方法的优越性，以获得最佳的检测效果及检测精度。

　　物探检测方法是根据采空区治理前后同一点和同深度的物性变化来评价采空区治理效果的。各种物探方法的应用都有其相应的物理前提，目前常用的方法主要有：电法(包括高密度电法、瞬变电磁法等)、瑞雷波法等。在焦晋高速公路采空区治理质量检测中，首次采用了高分辨率地震检测，并提出了利用地震波品质因数评价注浆效果的新思路。各种方法用于采空区治理质量检测的基本原理与检测效果分述如下：

　　1.2.1 电法(包括高密度电法和瞬变电磁法)。

　　电法是利用采空区治理前后一同点相同深度的电性变化量的大小，对采空区治理效果进行评价的。根据《开采沉陷学》理论，采空区覆岩按其破坏程度，自下而上可划分为三带――冒落带、裂隙带和弯曲变形带(整体移动带)，在地表形成沉降盆地，并产生裂缝、裂隙等。地下水沿破碎岩层或裂隙向采空区汇集，同时溶解了大量的电解质。因此，采空区治理之前，在充水(或充泥)时，呈现出低阻的电性特征;不充水(充气)时则呈现出高阻特征。采空区经注浆治理后，由于水泥粉煤灰浆液等的注入，使采空区及其覆岩的电性特征发生变化(趋于均匀)。将注浆前后的检测结果进行对比，可以达到定性评价注浆效果的目的。

　　1.2.2 瑞雷波法。

　　(1)众所周知，瑞雷波速度反映地层介质的密度和强度等力学性质，瑞雷波速度高，说明其密度大、强度高。采空区治理后，空洞裂缝被浆液充填，其密度、强度都将提高，瑞雷波速度值将增大;另外，注浆前在地下介质密度的突变点(特别是有空洞存在时)，原始波形记录上会有"绕射弧"出现。当注浆治理以后，空洞裂隙消失，介质密度变得相对均匀，记录上的"绕射弧"将不复存在。因此，利用注浆前后瑞雷波速度值的变化和"绕射弧"出现情况，可以对采空区治理效果进行定量或半定量评价。

　　(2)目前，常用的瑞雷波检测方法，无论是采用稳态还是瞬态，受能量限制，一般测试深度仅几十米。而焦晋高速公路下伏采空区的埋深达100～200m，针对这一实际情况，通过试验采用了浅孔**震源的大能量瑞雷波法，其探测深度可达200m左右。　　1.2.3 高分辨率地震勘探检测。

　　(1)高分辨率地震勘探是煤田勘探中最有效的物探方法，由于煤层与其顶底板围岩之间存在较大的波阻抗差异，是较好的反射界面，在高分辨率地震时间剖面上可以形成较连续、稳定的较强反射波;但对于煤矿采空区，由于煤层采出，顶板岩层不规则冒落，岩层完整性、均匀性受到破坏，使原本较好的反射波品质――连续性、稳定性大大降低，同时将增加许多杂乱的反射;当采空区被注浆治理后，冒落带、裂隙带中裂缝被浆液充填固结，岩层的完整性相对变好，相应的反射波品质则重新提高，杂乱反射相对减少。因此，可以根据注浆前后的地震反射波品质变化评价注浆效果。

　　(2)正是基于这种思路，根据焦晋高速公路下伏采空区的特征，有针对性地建立了新的评价参数――地震波品质因数Q，以品质因数Q的大小来衡量反射波的品质――即反射波连续性、稳定性、振幅强度及一致性的好坏。它将反射波的品质量化，以Q值的大小变化细致地显示注浆前后反射波品质的变化，以此定量评价注浆治理效果。

　　1.3 变形监测。

　　(1)研究采空区剩余沉降对建筑物的危害程度，变形监测是直观有效的方法，采空区治理施工前的变形观测，有助于进一步查明采空区及其影响的平面分布范围，地面沉降、塌陷情况及发展趋势;施工期间的观测，有助于对施工过程进行动态监测，及时发现问题、解决问题;施工后的观测，可以评价治理后的采空区剩余变形是否达到公路工程的要求，能否保证公路安全运营。

　　(2)该方法直观、精度高，但时间跨度长。另外，观测点的选择应考虑在即能反映观测路段的变形情况，又利于观测点的保护(特别是施工期的保护)部位。

　　2. 检测效果

　　焦晋高速公路下伏采空区共分为三个区(合同段)，其中：A区长610m，B区长1811m，C区长630m，现以C区为例，讨论治理质量检测效果。

　　2.1 钻探与岩土测试检测。

　　根据区内布置的3个检查孔检测资料，采空区中浆液凝固程度高(结石体单轴抗压强度大于0.3MPa);检查孔内注浆量均在10～15m3之间，据此求出的填充率均在85%以上;冒落带注浆前横波平均速度仅127m/s，治理后达287m/s，满足设计要求。

　　2.2 综合物探检测

　　2.2.1 高分辨率地震勘探检测。

　　本区评价注浆效果，主要是依据相当于大煤(二叠系下部的主要开采煤层)底板处的反射波TD的品质变化，因为它的好坏可以反映冒落带及附近岩层均匀程度的变化。依据注浆前后TD波的Q值，结合时间剖面上TD波的特征，将剖面上TD波分为三类：Ⅰ类为反射波品质较好;Ⅱ类为反射波品质较差;Ⅲ类为反射波品质差。对比注浆前后各剖面的TD波的Q值曲线可以看出，注浆后反射波的Q值普遍提高，经统计Q值平均提高19.5%，说明注浆治理取得了较好的效果(见图1)。

　　2.2.2 瑞雷波检测。

　　利用瑞雷波检测资料分析评价采空区注浆治理效果，主要是利用由瑞雷波检测数据计算的瑞雷波层速度展布特征以及"绕射弧"的分布特征。为了便于对比解释，瑞雷资料经据处理后，分别绘制了注浆前后冒落带、裂隙带瑞雷波层速度平面等值线图及注浆前后冒落带、裂隙带层速度差值等值线图(见图2)及"绕射弧"分布图。分析瑞雷波资料，注浆前冒落带层速度普遍较低，且横向变化大，其平均层速度为238.1m/s。注浆后层速度则全面有较大幅度提高。其平均层速度为295.4m/s，平均提高57.3m/s，相对提高24.1%。与冒落带相比注浆前裂隙带瑞雷波层速度相对较高且稳定，注浆后层速度虽全面提高，但提高幅度相对较小。注浆前其平均层速度为275.1m/s，裂隙带注浆后平均层速度为326.1m/s，平均提高51m/s，相对提高18.5%。另外，注浆前存在的"绕射弧"经治理后多数消失或减弱，说明大部分地段注浆治理的效果是好的，可以满足设计要求。

　　2.2.3 电法检测。

　　图3是注浆前后瞬变电磁法实测目的层视电阻率平面等值线图，从中可以看出，注浆前表现为整体上视电阻率变化起伏大;注浆后整体上视电阻率较为均匀，说明注浆后改变了采空区的电性特征，反映了注浆治理的效果较好。

　　对比高密度电法在C区注浆前后实测的HD拟断面图，发现电阻率变化不明显，难以评价治理效果。分析高密度电法在焦晋高速公路下伏采空区治理质量检测中效果不明显的原因，认为可能与该处目的层太深有关。因为电法勘探是一种体积勘探，冒落带埋藏较深，而相对厚度较小，本方法的垂向分辨率适应不了具体的需要。

　　2.3 变形监测。

　　图4、图5分别为各观测点的沉降、位移监测成果图，从图中可以看出注浆期间，治理区中部的地表一般都有不同程度的隆起现象，隆起量不尽相同，沉降观测点最大隆起量达200mm左右，位移观测点则呈现出不规则跳动;注浆结束至观测终止，绝大部分观测点趋于稳定，但位于K15+190附近的C8、W6点稳定性相对较差。

　　3. 采空区治理效果的综合评价

　　3.1 采空区治理效果推荐评价指标

　　3.1.1 钻探与岩土测试方法。

　　①填充率。

　　注浆治理后要求充填率达到70～85%;

　　②强度指标。

　　充填结石体，无侧限抗压强度≥0.2MPa;

　　③波速测试。要求VS≥200m/s

　　3.1.2 物探方法

　　(1)高分辨率地震。注浆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。要求注浆治理后冒落带瑞雷波速度大于等于200m/s。

　　3.1.3 变形指标。

　　地表倾斜值：L倾≤3～10mm/m;

　　地表曲率：L曲≤(10.2×10-3～0.6×10-3)/m; 　　水平变形：L水平≤2～6mm/m。

　　上述指标，低限对应构造物路段，高限为一般路段。

　　3.2 治理效果综合评价。

　　根据各类方法的检测结果，除右线K15+180附近，因距现采小煤矿矿井较近，治理边界不够，造成地震反射波Q值小于0.3，瑞雷波速度略低于200m/s，变形观测点稳定性差，治理效果欠佳外，其余路段的各项检测指标均能满足推荐指标的要求，采空区治理效果良好，这一结合也由公路建设施工过程和建成通车后近一年的检验，采空区治理路段未出现任何异常而得到证实。

　　4. 检测方法的有效性评价及综合检测技术的优化

　　4.1 检测方法的有效性评价。

　　通过对焦晋高速公路下伏采空区治理质量检测工作，对各种检测方法的有效性有了进一步认识，详见表1：

　　4.2 综合检测技术的优化。

　　(1)综合检测技术优化是强调采空区治理前后检测参数的对比，强调面积检测与重点部位检验相结合，利用面积检测费用低，速度快，方法简单的特点，提供整个治理区域内的薄弱部位，再采用精度高的检测方法在重点部位和薄弱部位进行定量分析，之后综合两者的检测资料对采空区的治理效果进行综合评价。

　　(2)根据各种检测方法检测效果的差异，考虑到治理工程的实际情况，建议在重大工程中，当对地基治理质量要求较高时，应按综合检测技术流程，采用多种检测技术进行综合检测。当对地基治理质量要求较低或采空区危害程度较低时，仅采用几种个别的检测方法即可满足工程质量的要求。针对不同工程特点建议采用的检测方法见表4.2：

　　5. 结束语

　　5.1 高速公路下伏采空区治理效果的检测，对于确保工程质量对关重要，以综合物探、变形观测为主，结合少量检查钻孔的检测模式是有效的。

　　5.2 各种物探方法有其不同的特点，检测采空区治理的效果究意选择何种方法或方法组合，首先要了解采空区的具体情况，例如开采的矿种、采空规模、开采深度、围岩岩性特征、水文地质条件等，分析不同方法的适应性和预期效果，最终确定选用的方法。

　　5.3 由于物探方法具有多解性和偏重性，因此应采用综合物探方法进行检测，各种方法相互验证，以提高检测精度。物探工作开展前，必须了解工作区使用物探方法的地球物理前提是否存在，且应进行适当的前期试验工作，取得工作区岩(土)层的基本物性特征。

　　5.4 对于具体的采空区治理工程，其检测方法的确定，应根据工程的实际情况，从经济、技术两方面考虑，优化选择最佳的检测方法组合。

　　参考文献

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