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中山大学硕士学位论文 二广高速公路粤境段采空区 工程地质特征与地基稳定性研究 专业：地质工程 硕士生：张修杰 指导教师：汤连生( 教授) 摘要 采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，我国大部分地区不同程度地存在采空 区。由于采空区削弱或破坏了上覆岩土层的稳定性，在其上修筑高速公路，往往会造成路 基失稳，路面、桥梁涵洞等构筑物的损坏病害，对高速公路工程危害很大。因此，如何对 高速公路下伏的采空区进行勘察、查明采空区工程地质特征、评价采空区地基稳定性在高 速公路建设中具有重要意义。 本文以二广高速公路粤境段采空区为研究对象，采用工程地质调查、采矿情况调查， 物探方法和钻探等多种手段的综合勘察方法，查明了路线采空区的工程地质特征，在此基 础上采用工程类比法和结构力学法对采空区地基稳定性进行了较深入地研究，探讨了采空 区勘察方法和地基稳定性评价问题，得到了采空区勘察手段模式和项目采空区地基稳定性 结论，并提出了采空区地基处理建议。达到了用经济实用合理的勘察手段，查明项目采空 区工程地质特征、划分地基稳定性区域的目的。 采空区工程地质特征是本文的重点也是难点。通过研究，采空区勘察应首先采用工程 地质调查和采矿条件调查，初步查明采空区区域工程地质条件和采空区几何条件，通过室 内资料整理分析，确定采空区与路线的位置关系，在此基础上有针对性地采用不同物探方 法查明采空区在路线区平面上的分布，最后用钻探方法进行验证并解决采空区剖面问题， 这样可以较好地查明采空区的工程地质特征。采空区地质调查和采矿条件调查应紧密依靠 地方政府相头部门，在他们配合下，往往会取得事半功倍的效果；在选择物探方法时，既 要注意其适用条件，也要注意其经济性。 采空区地基稳定性评价有多种方法。通过研究，采用工程类比法进行定性评价和结构 i i i 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 力学法进行定量评价相结合的方法，可很好地对采空区地基稳定性进行评价，划分稳定区 段。结构力学法是工程中常用的分析方法，形式较简单，方法成熟，结果比较可靠。其难 点是确定岩体的力学指标，在大量岩石试验统计结果的基础上，参考桥梁m 法设计思路， 根据岩石破碎程度，提出采用岩石指标除以m = 1 5 的调整系数作为岩体指标的办法，巧妙 解决了岩体强度的问题。针对采空区开采不同方式，使用e x c e l 自编了几个小程序，进行 了大量的计算，得出了地基稳定性安全系数，划分了稳定区段。 影响采空区地基稳定性的因素很多，在各种不同的特定情况下，各种因素都可能成为 主要的控制因素。通过研究分析，认为在采空区项板岩石和采矿几何条件已明确的前提下， 对于倾斜煤层，地基稳定性主要受采空区上覆岩层厚度控制，与其基本成正相关关系；对 于近水平煤层，地基稳定性主要受所留煤柱宽度控制，与其基本成正相关关系。在此分析 计算的基础上，分别绘制了倾斜煤层采空区岩层厚度与土柱高度关系曲线图和近水平煤层 煤柱宽度与地基稳定安全系数关系曲线图，分析计算时首先根据煤层产状选择关系曲线， 再根据岩层厚度或煤柱宽度，查出地基稳定安全系数，确定地基稳定性。这样可方便划分 地基稳定地段，这是本文的一个创新点，为采空区地基稳定性评价积累了经验。 关键词：高速公路，采空区，工程地质，特征，地基稳定性 i v 中山大学硕士学位论文 e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u b gs t a b i l i t y g e o l o g i c a l a n ds u b r r a d es t a b i l i t v o fe m p t y s p a c eo ft h eg u a n g d o n gp r o v i n c ep a r t o fe r l i a n h a o t et og u a n g z h o u f r e e w a yp r o j e c t m a jo r ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g 一 一一 n a m e ：z h a n gx i u ji e 一 一 s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gl i a n s h e n g a b s t r a c t e m p t ys p a c e ，w h i c hi st h es p a c el e f tb yu n d e r g r o u n dm i n i n g ，e x i s ti nt h eg r e a tm a s so f a r e aa n di nd i f f e r e n te x t e n ti no u r c o u n t r y i t sh a r m f u lt of r e e w a ya b o v ec a u s i n gp r o b l e ms u c h a su n s t a b l es u b g r a d e ，m a n g l eo fp a v e m e n t ，b r i d g e ，c u l v e r ta n de t c b e c a u s et h ee m p t y s p a c e w e a k e no rw r e c kt h es t a b i l i t yo fs o i la n dr o c ka b o v e t h e r e f o r e i tb e c a m ea ni m p o r t a n ti s s u ei n f r e e w a yc o n s t r u c t i o nt h a th o wt oi n v e s t i g a t et h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fe m p t y s p a c eu n d e r g r o u n da n dh o wt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fs u b g r a d ea b o v e a c c o r d i n gt ot h es t u d yo nt h eg u a n g d o n gp r o v i n c ep a r to fe r l i a n h a o t et og u a n g z h o u f r e e w a yp r o j e c t ，t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fe m p t ys p a c ea r ef o u n do u tb yw a y so f e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n dm i n i n gs u r v e yc h i e f l yi n t e g r a t i n gd r i l l i n ga n dp h y s i c a le x p l o r a t i o n b a s e do nt h ew o r ka b o v e ，o p i n i o na b o u tc o m p a r i n gr o a dl i n ep r o j e c ti ng e o l o g i c a lp o i n ta n d a d v i c eo nf a t h e r i n ge m p t ys p a c ew i t ha n a l y s i sa n ds u b a r e aa b o u ts t a b i l i t yo f s u b g r a d ea p p l y i n g w a y so fe n g i n e e r i n ga n a l o g ya n ds t r u c t u r em e c h a n i c s t h e r e f o r e ，a i m st oi n v e s t i g a t e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fe m p t ys p a c ea n dt oc o m p a r t m e n t a l i z ea r e ao fs t a b l e s u b g r a d eh a da t t a i n e dt h r o u g he c o n o m i c a la n dl o g i c a ls u r v e yw a y s t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fe m p t ys p a c ei se m p h a s i sa n da l s o d i f f i c u l t y t h r o u g hs t u d yo ni n v e s t i g a t i o no fe m p t ys p a c e ，m e t h o d so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n dm i n i n g c o n d i t i o ni n v e s t i g a t i o nw e r et a k e nt of i n do u tt h ep r i m a r ye n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e ra n d g e o m e t r i cc o n d i t i o no fe m p t ys p a c e ，a n dt h o u g ha n a l y s i so fd a t ai n d o o ra n dl o c a t i o nw i t hr o a d l i n e ，d i f f e r e n tm e t h o d so fp h y s i c a le x p l o r a t i o nt of m do u td i s t r i b u t i n go fe m p t ys p a c ei nr o a d l i n ea r et a k e np u r p o s e f u l l ya n dv a l i d a t e db yw a y so f d r i l l i n g ，w i t hd o i n gt h a tt h ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fe m p t ys p a c ew e r ef o u n do u td e t a i l e d l y t h eg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o no f e m p t ys p a c ea n dm i n i n gc o n d i t i o nr e l yo nt h ec o o p e r a t i o no fl o c a lg o v e r n m e n ta n d m a k i n g g r e a te 妇融c tw i t ht h eh e l po ft h e m i t sb e t t e rt op a ya t t e n t i o nt ot h ec o n d i t i o ni np o i n ta n d v 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 e c o n o m i c a lc o s tw h e nc h o o s i n gw a y so fp h y s i c a le x p l o r a t i o n t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d st oe v a l u a t et h es u b g r a d es t a b i l i t yo fe m p t ys p a c e t h r o u g h s t u d yo nm e t h o d so b o v e , t h i sa r t i c l eh a dt a k e nm e t h o do fa n a l o g i s ma n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c s t o g e t h e rw i t hf i xq u a n t i f y , t h e nv a l u a t e ds u b g r a d es t a b i l i t yo fe m p t ys p a c ea n dd i v i d e ds t a b l e a r e a s t r u c t u r a lm e c h a n i c si sac o m m o nm e t h o do fa n a l y s i sw i t hm a t u r et e c h n i q u e ，s i m p l e f o r m sa n dr e l i a b l er e s u l t i t sd i f f i c u l tt oc o n f i r mm e c h a n i c sd a t a m i l eb a s e do nag r e a tm a s s o fs t a t i s t i cr e s u l t sa n dc o n s u l t i n g m c o d eo fb r i d g ed e s i g n , m e a n st h a tt a k i n gr o c kd a t a “m = 1 5 ”a sr o c kd a t aw a sa d o p t e da c c o r d i n gw i t hg r a d eo fr o c kc r a c k i n g ，s o l v i n gt h ep r o b l e m o fr o c ki n t e n s i t y p u r p o s e f u l l yf o rd i f f e r e n tm o d eo fe m p t ys p a c e ，s e v e r a lp r o c e d u r e so fe x c e l h a db e e nu s e dt oc o u n tt og e ts a f e t yf a c t o ro fs u b g r a d es t a b i l i t ya n d h a dd i v i d e ds t a b l ea r e a f a c t o r st h a ti n f l u e n c es u b g r a d es t a b i l i t yo fe m p t ys p a c ea r em u c ha n de v e r yf a c t o rc o u l d b et h em a j o ro n ei nc e r t a i ns i t u a t i o n t h r o u g ha n a l y s i so fd a t a ，a n di nt h ec o n d i t i o no fc e r t a i n g e o m e t r i cc o n d i t i o no fm i n i n ga n dr o o f r o c ko fe m p t ys p a c e f a c t o r k ”o fs u b g r a d es t a b i l i t yi s i nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ed e p t ho fe m p t ys p a c ef o r t h ed e c l i n i n gc o a lb e d w h i l ef o r t h ea c l i n i c c o a lb e d ，a c t o r k ，o fs u b g r a d es t a b i l i t yi si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h ew i d t ho fm i n i n g b a s e do ns t a t i s t i c a ld a t ao fa n a l y s i s ，c u r v e ss h o w i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nw h a tt h i s p a p e rd e s c r i b ea b o v eh a db e e nd r a w e dt op a r t i t i o ns t a b l ea r e ae x p e d i e n t l ya c c o r d i n gw i t h s i t u a t i o no fc o a lb e d a n dw h a tt h i sp a p e rh a dt a l k e da b o v ei sai n n o v a t i v ep o i n ta c c u m u l a t i n g e x p e r i e n c et oe v a l u a t i o no f t h er e g i o n a ls t a b i l i t yo fe m p t ys p a c e k e y w o r d ：f r e e w a ye m p t ys p a c e ，e n g i n e e r i n gg e o l o g y ，c h a r a c t e r i s t i c s ， s t a b i l i t yo fs u b g r a d e v l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：渤鸣超二 日期o b i b 年工月8 日 二广高速公路喀境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并 允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保 存学位论文。 学位论文作者签名：确鸟正 日期：必略年，工月留日 中山大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章引言 采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区。我国金属和非金属矿产分布 范围广、储量丰富，其开发开采的规模也很大。尤其是煤炭储量和产量，分别 居世界第三位和第一位【卜2 1 。煤炭是我国当前的主要能源，预计今后几十年内， 煤炭作为我国第一能源的地位不会改变。我国除上海市外，各省( 区) 、直辖市 均有煤炭赋存及开采，因此我国采空区的分布十分广泛。在我省韶关地区、梅 州地区、清远地区和肇庆地区均有不同程度的采空区分布。 地下煤层被采出后，空洞上覆岩土层失去了支撑，原来的平衡状态被破坏， 覆盖岩土层在重力和构造应力的作用下，发生变形、破裂、位移等，岩层和地 表的移动过程将持续发展到被采动岩层都达到新的平衡为止，趋于建立新的平 衡【3 】。移动稳定后的岩层按其破坏程度，大致可分为三个不同的移动影响带， 即冒落带、裂隙带和弯曲带【4 j 。 随着我省高速公路建设的发展，越来越多的高速公路向上述韶关地区、梅 州地区、清远地区和肇庆地区沿伸，公路路线不可避免地会遇到采空区。同时 为了提高矿区土地利用率、缓解矿区土地资源紧缺的矛盾，在采空区上方进行 工程建设日益增多。在采空区上方修建高速公路时，会导致一系列工程问题， 归纳起来有路基、路面、桥梁、隧道和地下管线等几个方面【5 】。采空区地表过 度沉降导致路基沉降、破坏，在不均匀沉降下会产生路基倾斜；采空区地基的 水平变形会使路面受拉伸开裂、受压缩隆起，路面产生波状起伏，从而可能影 响车辆行驶的安全；桥梁工程往往会产生桩基、桥墩与桥台的大变形，从而影 响桥梁的安全性；地表变形会导致道路排水系统失效、地下管道变形破坏等等。 一广_ 南速0 镕粤境段集，e t 程地腼特钲+ ，地g 稳2 n 日f r 照片1 - 1 地面沉降破坏公路情况( 张修杰摄) 目前，关于铁路下采煤对路基的影响研究较多，公路与铁路有其其同点， 如两者同为人型线型构筑物、承受行车荷载的作用 。因而高速公路下伏采空 区的研究可借鉴其成果，但高速公路无论是结构组成、技术标准、行车荷载的 复杂性等均与铁路不同，不能生搬硬套，如铁路采动路基般采取在采动过程 中逐步帮填路基的方法处理。嗬高速公路要求次性形成整体结构，不允许采 取铁路路基式的边采边填的处理方式；铁路道床相对稳定，可采取起道、拔道 和调整轨缝等一系列维修方法，而高速公路路面结构抗变形措施只能采取调整 变形缝与配筋设置、基层部位设置滑动层等，与铁路完全不同。凼此，在科学 合理的勘察和评价的基础上进行采空区公路设计，不仅要保证道路的正常运 营，而且，可以有效地节约大量的成本，产牛显著的经济、社会和环境效益。 作为勘察设计单位，如何将先进的勘察手段与科学的数值分析方法帽结合丌展 勘察上作，研究采空区的勘察和评价问题成为优化设计、降低工程成本的重要 因素。 二连浩特至广州国家重点公路粤境怀集怀城至连州朱岗段( 简称二广高速 公路粤境段) 位于广东省西北部山区。项目起于广东省与湖南省界的南风坳， 途经清远市的连州市、连山县、连南县、阳山县，与广贺高速公路连接， 止于肇庆市怀集县怀城镇的横洞。沿线所见的来空区主要分布在上二叠系龙 潭组煤系地层中。其路线段内见大小不等、方向各异的粟空区，部分洞口及洞 中山大学硕士学位论文 身坍塌，局部引起地方公路路基破坏。因此，有必要对其采空区的工程地质特 征和地基稳定性进行研究，划分地基稳定区段，为设计提供采空区基础地质资 料，同时也为采空区治理设计提供依据。 1 2 研究思路方法和内容 1 2 1 研究思路方法 以二广高速公路粤境段采空区( 以下简称二广采空区) 为对象，通过收集 资料、地质调查和采矿条件调查，逐步掌握路线经过区采空区的地质背景、开 采条件等基本情况，针对性地选择物探方法，查明采空区的分布范围，使用钻 探方法对采空区进行验证并采取岩土样品进行试验，选取合适的地基稳定性评 价方法进行分析评价，对采空区按地基稳定性进行分区，在此基础上对路线方 案进行比较，并提出采空区治理的建议。 1 2 2 研究内容 采空区对公路工程会造成多方面破坏，而二广高速公路粤境段需穿越采空 区，本文之前未见对二广采空区的研究，因此需对其进行勘察方法、工程地质 特征、地基稳定性等多方面研究，进行路线方案比较，并推荐路线方案。具体 内容如下： l 、二广采空区工程地质特征，包括采空区形成的地质背景、煤层赋存及开 采情况和不同煤层的覆岩特征； 2 、二广采空区开采特征，包括开采煤层的数量、厚度、埋深、产状、开采 时间、采煤方式、顶板管理方式等； 3 、二广采空区地基稳定性分析评价，包括影响地基稳定性因素、稳定性分 区类型、地基稳定性分析等； 4 、采空区线路方案比选，包括k 线和e 线的工程地质特征、地基稳定性 等方面比较，提出路线推荐方案。 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 第2 章采空区勘察技术与地基稳定性研究现状 矿体被采出后，其上岩土层会产生变形破坏，从而带来一系列工程问题， 给采空区工程建设留下很大隐患。随着科学技术的发展，各国科技人员为了开 发和利用采空区土地、提高矿区土地利用率、缓解矿区土地资源紧张的矛盾， 开展了有关采空区问题的研究。国内外主要是在煤炭、冶金、军事等部门进行， 如波兰、前苏联、英国和中国等主要产煤国家，从2 0 世纪5 0 年代开始就对“三 下( 建筑物下、水体下和铁路下) ”采煤技术进行了详细研究；同时，对采空区 地表构筑物保护和防治技术也进行了大量试验研究，积累了一些理论和实践经 验【9 以2 1 。但由于我国高速公路建设在上世纪八十年代后期才起步，且均在经济 发达的平原区，很少遇到采空区问题。到目前为止，针对高速公路下伏采空区 问题的研究报道甚少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体 系，无规范、规程可循，国际上也鲜有此类工程报道。国内在采空区上方修建 高速公路的研究还处于探索阶段，目前仅在石家庄太原、晋一焦、乌鲁木齐 奎屯及京福高速公路徐州东西绕城段、河北保阜公路等进行了相应的研究 1 3 - 1 9 】；国外，d o n n e l l ylj 、r y a nc r 、s p e n c e rw j 等在美国在科罗拉多州的某 公路上进行了采空区问题的研究【2 0 。2 4 】。 2 1 采空区勘察技术研究 采空区的勘察目前国内外主要以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探 为主，辅以变形观测、水文试验等。结合公路工程的特点，寻求精度高、经济 实用的采空区勘察技术方法组合，建立矿区公路采空区勘察的方法体系，是当 前采空区问题研究要解决的关键技术之一。 2 1 1 国外研究现状 在勘察技术研究方面，美国等西方发达国家主要是以采矿情况调查、地球 物理勘探为主，辅以钻探、变形观测、水文试验等【2 5 1 。在美国，采空区等地下 4 中山大学硕士学位论文 空洞勘察技术较全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平【2 6 1 。 美国早期采用地震折射波法勘察浅部采空塌陷区，并取得了较好效果，但由于 其勘察深度浅、受地表影响较大，而逐渐被高密度电阻率法勘察技术取代，8 0 年代开始用于矿山开采中的地下废巷道和煤矿采空区的勘察，取得了较好的效 果，就目前技术而言，高密度法有效勘察深度约为1 0 0 m ，最大勘察深度也不宜 超过1 5 0 m 。近年来美国在地震c t 勘察技术方面也发展迅速【2 7 1 。在日本应用最 广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较 多【2 引。日本v i c 公司8 0 年代开发研制的“g r - 8 1 0 型佐藤式全自动地下勘察机”， 在采空区、岩溶等空洞勘察中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际 领先水平。总体上，日本工程物探技术在国际同行业中处于领先地位。欧洲国 家工程物探技术也较全面。在采空区的勘察上，一些国家将地质雷达作为勘察 中的一种必备常规手段，如英国、法国、瑞典等，微重力法、浅层地震法也有 使用【2 9 。3 1 】。而俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透 射、射气测量技术等口2 1 。 综上所述，美国、日本及欧洲等发达国家采空区勘察均以物探方法为主， 尤其是美国和日本处于世界领先水平。 2 1 2 国内研究现状 在勘察技术研究方面，国内前期主要是以采矿情况调查、钻探为主，辅以 地球物理勘探、变形观测、水文试验等【3 3 】。八十年代后期，随着国家对外开放 政策，引进了一批国外先进物探仪器，在利用地球物理勘探技术查明地下采空 区方面作了大量的工作，积累了很多资料，目前采用物探和钻探相结合的方法 进行采空区勘察。常用的物探方法主要有高密度电法、地质雷达法、地震波法、 瞬态瑞雷面波法和瞬变电磁法等。如寇绳武，李克祥，郭舜等运用高密度电法 对高速公路下采空区进行了勘察效果分析【3 6 】，葛如冰，黄伟义，张明玉等用高 密度电法对灰岩地区溶洞勘察应用进行了研究【3 7 】，实践表明对于采空区高密度 电阻率法异常特点明显，对于勘察地下采空区及孤立地质体，能得到较为清晰 的二维图像；程哗，赵明华，曹文贵等用地质雷达对岩溶区溶洞进行了勘察探 讨1 3 引，河北建筑科技学院和煤炭科学总院用地质雷达对大柳塔煤矿采空区的导 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 水裂隙带进行了勘察，实践证明该法对地下采空区勘察的有效性，并且对浅部 的采空区勘察效果更好；常锁亮，张淑婷，李贵山等用多道瞬态瑞雷波法对煤 矿采空区进行了勘察研究【3 9 1 ，确定了工作面采空区上方导水裂隙带的具体位置； 贾东新，王自强，徐庆魁用浅层地震法对煤层采空区进行了勘烈4 0 1 ，确定出煤 矿采空区的垮落带及裂隙带位置与高度，应用结果表明：浅层地震法对于浅部煤 矿采空区勘察效果良好；王超凡，赵永贵，靳洪晓等用地震c t 对煤矿进行勘 察f 4 j 】，得到了地层及垮落带分布情况等资料；刘建华，彭向峰，孙智峰等用高 分辨率地震技术进行了采空区勘察【4 2 1 ，路军臣，苏维涛，张济怀等用瞬态电磁 法煤矿采空区进行了勘察【4 3 1 ，李琳，郭文波，李毓茂用瞬态电磁法对煤矿矿井 涌水通道进行了勘裂4 4 1 ，实践表明均有一定效果；韩许恒，郁春霞用氡射气法 对阳泉城关镇一号煤矿采空巷道进行勘察，发现采空巷道的氨测值比正常情况 要高8 0 多倍，能有效的确定采空巷道位置。另外，交通部第一勘察设计院在太 一旧高速公路沿途煤矿、铁矿及矾土矿采空区的勘探中，运用高密度电法、瞬 变电磁法、地震层析法、面波法、微重力法、射气法等进行了勘察，得到了许 多有意义的成果【4 6 1 。 综上所述，随着我国物探技术测量精度和信息处理技术的提高，工程物探 越来越成为探明地下采空区的一项重要有力的勘探手段。国内采空区勘察正在 从以往的以钻探为主逐渐向物探和钻探相结合的方法转变。 2 2 采空区地基稳定性评价研究 目前，高速公路路基下伏采空区稳定性评价在国内是一个新的课题，虽然 国内外对三下( 河流、建筑物和铁路下) 采煤方式早已做了一些的研究，但是对 于在老采区修筑高速公路的研究文献所见较少。从8 0 年代开始，英国、波兰、 德国等国的一些学者相继研究了采空区等地下空洞对公路的危害性问题，但总 体上成果较零乱，未有系统的报道。近年，随着高速公路的大量兴建，我国在 此方面的研究才开始起步，对石- 太、晋焦、乌奎、京一福高速公路等的 采空区问题进行了一定的研究，但多以工程经验积累为主。地基稳定性分析现 有的研究方法主要有预计法、解析法、半预测半解析法及数值模拟方法，评价 主要是通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏 6 中山大学硕士学位论文 范围等来进行。 预计方法是以波兰学者k n o t h e 所提出的几何学理论为基础，以现场观测资 料为依据，利用概率统计中的正态分布规律来预计由于采空区所引起的地表下 沉和倾斜；之后b u d r y k 在k n o t h e 理论的基础上，引入有关参数，构成了著名 的b u d r y k k n o t h e 理论，它不仅可以预计地表的下沉，而且可以预计地表的水 平移动，但误差较大。英国、德国学者，如s a r g a n ds h a dm 4 7 - 4 8 1 ，d r y m m 4 9 。5 0 l 等也不同程度地研究了采空区对公路的危害性问题，提出了各自的见解。另外， 还有一些其他预测方法，如采空区矢量法【5 l 】、模糊数学方法【5 2 】等，但这些方法 尚需在实践中进一步验证。 解析法是是以数学力学为基础，对采空区地质条件进行简化，建立地质模 型，再按一定的原则抽象为一个理想的数学物理力学模型，按照数值方法予以 求解【5 3 1 ，如结构力学方法，就是计算采空区地下残留硐室和矿柱稳定性的一种 常用方法，有单洞室或多硐室弹性地基上梁模型或拱模型等，如何万龙对山区 采动地表变形及坡体稳定性分析中采用结构力学法对采空区地基稳定性进行了 分析酬，余学义在太旧高速公路冶西、柏井采空区中用预计分析方法【5 5 1 ，王练 柱在太旧高速公路冶西、柏井采空区中用结构力学分析方法对地基稳定性进行 了分析，实践表明，该方法简单易行，需注意岩石指标和采空区几何尺寸的确 定。 有限元法是数值计算方法中发展较成熟、应用较广泛的一种方法，它已成 为解答许多复杂工程问题的有力工具【5 6 1 。国内外不少学者对开采沉陷的有限元 程序进行了研究，s a m 是加拿大学者在s a n 的基础上研究出的一种较好的应 用于二维情况的开采沉陷计算的有限元程序系统。在我国目前多采用平面有限 元法对采空区进行模拟，如朱伯芳在有限元法原理与应用中对使用有限元法计 算采空区地基稳定性进行了研究探讨1 5 7 】。但采空区形状复杂，边界条件较难确 定。 这些方法在多层采空区稳定性的评价中尚需解决一些关键问题，其中主要 包括地质模型和预测模型的合理建立，公路工程动态施工过程的模拟，采空区 稳定性和容许变形界限值的确定( 即处治与否的界限) ，采空区处治的原则和需 达到的标准，工后可能变形值的预测等。通过对各种评价方法在理论上、精度 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 上、经济上进行综合比较分析，选择有效预测评价方法，是一个有价值的研究 方向。 2 3 研究现状的分析 高速公路下伏采空区问题的研究是一个涉及到采矿学、岩土力学等众多学 科的综合性课题，目前研究的深度还远远不够。其中在采空区勘察技术、地基 稳定性评价方面的研究都存在一些问题。 采空区勘察虽然方法很多，但往往只能提供定性的资料，而采空区三维空 间范围的准确确定直接关系到相关问题的研究，如稳定性评价、治理工程的设 计计算等。由于矿区地质及采矿条件复杂，采空区的形状、尺寸、地质构造( 断 层等) 、空洞的坍塌和充填及密实状况、风化、水软等条件，因此，有必要从理 论上和实践上来优选最佳的勘察技术组合，提高勘测精度。 在采空区地基稳定性评价方面，由于高速公路涉及范围大，服务年限长， 对路基的稳定性和变形要求较高。因此，关于采空区地基稳定性研究最主要的 是预测采空区地表在使用年限内的剩余位移变形量或发生突然塌陷的可能性。 评价方法虽然很多，但尚需解决一些关键问题，主要包括地质力学模型和预测 模型的合理建立、公路工程动态施工过程的模拟，路线与采空区空间相对位置 的影响、时间效应的考虑，采空区稳定性和容许变形界限值的确定( 即处治与否 的界限) ，采空区治理的原则和要求达到的标准，工后可能变形值的预测等。目 前，国内外虽然在几条高速公路上进行了采空区问题的研究，积累了一定工程 经验，没有形成相关的技术规范，难以满足工程建设的发展，有必要进一步加 强研究。 采空区问题的研究是一项系统工程，涉及学科众多，影响因素复杂，需要 大量人力物力。作为一名工程技术人员，显然难以做到。但结合具体的公路工 程，对采空区勘察技术方法选择和优化进行研究，选择合适地基稳定性评价方 法对采空区地基稳定性进行类别划分和地基稳定性分区，为公路建设提供基础 性的背景资料是必要的也是可行的。同时鉴于目前国内外关于采空区勘察评价 尚无规范、规程可循，通过研究，为公路下伏采空区治理技术规范、规程的提 出积累理论知识及实践经验，做好技术储备工作。 中山大学硕士学位论文 第3 章二广采空区工程地质特征 随着我国交通事业的发展，采空区问题作为公路建设的不良地质问题己越 来越突出，特别是高速公路建设项目对路基质量要求更高。公路穿越采空区路 段的勘察是整个路线勘察的重要组成部分，其勘察成果往往对公路选线、路线 方案及工程造价、工期具有控制作用。目前，国内外对采空区的勘察和评价尚 未形成系统和完善的技术方法，因此，寻求精度高、经济实用的采空区勘察技 术并优化组合，以详细查明公路下伏采空区的工程特征，提供高质量的勘察成 果将直接关系到高速公路建设的质量和经济效益。公路工程中，采空区的工程 地质勘察工作主要包括工程地质测绘、工程物探、工程钻探、室内试验及现场 原位测试、变形观测等1 5 8 棚1 。 3 1 项目概况 二广高速公路粤境段是国家重点公路规划中第六条南北纵线的一段，同时 也是我省规划的第七条纵线中的一段。项目起于广东省与湖南省界的南风坳， 途经清远市的连州市、连山县、连南县、阳山县，与广贺高速公路连接， 止于肇庆市怀集县怀城镇的横洞。它串连了清连高速公路、省道s 1 1 4 、省道 $ 2 6 1 、省道$ 2 6 2 ，它的建设对改善我省北部山区路网结构，完善我省高速公路 网具有重要意义；对沟通内陆省份和广东沿海的联系，完善广东省公路网规划， 提高经济发达的广东珠三角地区的辐射带动能力，对加快“实施泛珠三角”战略 构想具有重要的战略意义。路线整体呈南北向，全长1 7 3 8 k m ，采用双向四、 六、八车道等三种不同高速公路标准建设，计算行车速度l o o k m h t 6 0 1 。其 中连州至黎埠路段先行段长约1 8 k m ( k 5 5 + 3 0 k 7 3 + 2 7 0 ) ，具体情况见图3 1 项目地理位置图。 9 = 广高速。路粤境段朵空ei 挫地质特：与地肇怡超盹研究 图 1 项目地理位置图 = 广高速公路连州至黎埠路段先行段共布设路线方案二条，分别为k 线和 e 线，其中k 线为全线贯通方案，e 线为与k 线局部比较方案。e 比较线与k 线对应段在工程规模及造价方面相近具有比较意义，作同等深度比较，其里 程为e k 6 8 + 1 8 5 一e k 7 6 + 2 0 1 。k 线和e 线在k 7 l 附近穿越采空区。详见图3 2 路线方案示意图。 图 2 路线方案示意图 中山大学硕士学位论文 3 2 工程地质测绘 工程地质测绘工作是采空区勘察的基础，它对于采空区的勘察，起到举足 轻重的作用。如果采空区勘察忽视或对此工作重视不够，势必给之后的物探和 钻探工作带来一定的盲目性，因此通过认真细致的测绘工作，然后有目的、有 计划地进行物探和钻探验证和控制，往往能达到事半功倍的勘察效果。它主要 包括工程地质调查、采矿情况调查、地表变形观测等工作。其目的是为了查清 公路沿线采空区的分布位置，确定物探、钻探探测范围，并为探测方案的选择 提供依据、确定探测工作量，初步建立采空区的三维地质结构模型，为勘察工 作资料的地质解释提供依据。 工程地质调查包括地形地貌、地层、构造、岩土性质、地震、水文地质条 件、气象及各种物理地质现象的调查。主要是通过搜集测区区域地质图、地形 地势图、地貌图、地震图、构造地质图、矿产分布图、地质平面图和柱状图及 文字说明等资料，并进行现场踏勘，有条件时可通过航卫片判释进行。它是为 了了解工作区地质概况，建立工作区综合柱状图，为后续工作做好准备，是基 本的基础工作。 采矿情况调查包括开采方式、开采时间、顶板管理方式、采空区踏勘测量、 地面建筑物破坏情况调查等。主要是通过收集采空区资料和走访踏勘的方法进 行，了解采空区的基本情况，为后续工作做好准备工作。 根据二广项目情况，经研究决定在项目先行段工程地质测绘范围为推荐k 线和比较e 线轴线左右各2 0 0 m 范围，图件比例尺为1 ：2 0 0 0 ；采矿情况调查范 围为k 线和比较e 线附近的煤矿。 3 3 工程物探 在自然界，不同的物理作用具有不同的物理场，而组成地壳的不同的岩土 介质往往在密度、弹性、电性、磁性、放射性和导热性等方面会存在差异，这 些差异将引起相应地球物理场的局部变化，对于这种与地下岩土介质局部变化 有关的地球物理场的变化，通常称为异常场。地球物理勘探主是通过专门的仪 器观测这些地球物理场的分布和变化特征，然后结合已知地质资料进行分析研 二广高速公路粤境段采空区工程地质特征与地基稳定性研究 究，推断出地下岩土介质的性质和环境资源等状况，从而达到解决地质问题的 目的。它是地质勘察的方法之一，由于它是以观测各种地球物理场的变化规律 为基础的，因此，应用物探方法来解决各种地质问题时，必须具备一定的地质 及地球物理条件，才能取得满意的效果。 3 3 1 物探方法的选择 目前国内常用的采空区物探方法有高密度电法、地质雷达法、瞬变电磁法、 面波法、折射波和反射波法等。每种物探方法都有其适用范围和特点，但由于 物探解释具有多解性，单一的物探方法往往得不到确切的结论，为提高勘测精 度，有必要选用2 3 种适合大面积采空区勘察的经济合理、技术可行的方法进 行适当组合来提高勘测精度。把几种物探方法有机地组合在一起，则将显示出 较强的互补性，如从地表至地下1 0 m 主要靠地质雷达，而1 0 4 0 m 主要靠面波 技术等。下面对几种常见的方法进行分析，以便根据工程地质测绘已查明的项 目采空区情况选择适当的物探方法。 1 、高密度电法 该方法为电法的一种，是目前较为常用的采空区勘察物探方法之一，其原 理是根据当地下存在采空区空洞时，所测电位差与正常曲线发生偏离，从而判 断空洞的存在。该方法的优点是：成果图比较直观，异常部位明显，施工方便， 费用一般2 0 0 0 0 元k m ，适用条件要求一般为：地形平坦，岩层倾角较小，岩性 差异大，探测深度一般在1 0 0 1 5 0 m 以内，精度范围1 0 2 0 ，一般4 0 1 0 0 m 效 果较好。 2 、地质雷达法 该方法为电磁法的一种，是近年来新发展起来的，在采空区勘察中取得了 令人满意的效果。该方法的优点是：比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、 轮廓大小、而且具有很高的分辨能力，可直接探测到较小的空洞。成果图比较 直观，异常部位明显，解释容易，施工方便，费用一般1 0 0 0 0 元l ( m ，适用条件 要求一般为：不受地形影响，适用于高阻地质体( 溶洞充水) ，探测深度一般在 6 0 m 以内，精度范围5 ，一般1 0 m 以内效果较好。 3 、面波法 1 2 中山大学硕士学位论文 该方法为地震法的一种，是近年来新发展起来的，在采空区勘察中取得了 令人满意的效果。该方法的优点是：比较准确地确定出地下空洞的埋藏深度、 轮廓大小、而且具有很高的分辨能力，可直接探测到较