（地质工程专业论文）大型采空区加固效果检测方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 采空区问题是世界性难题，当前国内外采空区加固效果检测方法手段甚 多，但尚没有成熟的理论及经验。国内外对其技术尚未形成系统，也未建立 相应的技术规程或行业标准。对采空区的加固处理效果的检测成本高昂，甚 至可能会留存盲区，为道路工程的建设留下安全隐患。因此有必要对采空区 加固效果检测方法的研究。 本论文以国电河北龙山电厂铁专线巨型采空区注浆加固处理工程为依 托。总结了当前一些应用比较广泛的检测手段，分析各自的优缺点，结合具 体工程的特点，采用钻孔检测、电磁波c t 法、波速测试、电测深法、室内 实验、变形监测六种方法综合、立体检测的检测模式。经对检测数据的综合 分析、解释，对注浆中的异常部位进行钻孔取芯观察，开挖验证，最后完成 对注浆效果的综合评价。同时对各种检测方法的准确性进行评估，为今后的 采空区加固处理测试方法的评价应用提供依据，为相关领域的评价研究提供 参考。该综合检测具有时效性、直观性，为今后在复杂的采空区注浆检测积 累了宝贵的经验。 关键词：采空区钻孔检测电磁波c t 法波速测试电测深法、变形监测 a bs t r a c t g o a v e si sw o r d w i d ed i f f i c u l tp r o b l e m n o w a d a y s ，t h e r e a r e m a n y m o t h e d st od e t e c tt h er e i n f o r c e de f f e c to ft h eg o a v e sa th o m ea n da b r o a d b u t i th a s n tm a t u r et h e o r ya n de x p e r i e n c e ，i th a s n ty e tt ot a k es h a p ea th o m ea n d a b r o a df o ri t ss y s t e mt e c h n o l o g y ，a l s oh a s n tb u i l tu pt h et e c h n i c a lr e g u l a t i o n s o ri n d u s t r ys t a n d a r d s 。i ti sh i g hc o s tt od e t e c tt h eg o a v e so ft h er e i n f o r c e m e n t e f f e c t i tm a yb er e t a i n e db l i n ds p o t sf o rr o a dc o n s t r u c t i o np r o j e c t sr e m a i n h i d d e nd a n g e r s t h e r e f o r ，i ti sn e s s a r yt os t u d yo nt h ed e t e c t i o nm e t h o d so f r e i n f o r c e m e n te f f e c to fg o a v e s t h i st h e s i sb a s e do i lt h eg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n go fg i g a n t i c g o a v e so fd e d i c a t e dr a i ll i n k ，w h i c hb e l o n g s t oh e b e il o n g s h a n p l a n to fs t a t ep o w e r a f t e rs u m m e du pt h e c u r r e n tn u m b e ro f a p p l i c a t i o n sc o m p a r e dw i t ha w i d er a n g eo fm e a n st e s t i n g ，a n a l y s i so ft h e r e s p e c t i v ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a n d l i g h t o ft h e s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o je c t ，t h ed e t e c t i o nm o t h e d st ob eu s e dw i t hd r i l l i n s p e c t i o n ，c tt o m o g r a p h i cm e t h o d ，p sw a v e st e s t ，h i g h - d e n s i t ye l e c t r i c a l m e t h o d ，i n d o o re x p e r i m e n t s ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g a f t e rc o m p r e h e n s i v e a n a l y z i n ga n de x p l a i n i n g t h et e s t i n g t e s t i n gt h ea b n o r m a ls e c t i o n s o ft h e c o m p r e h e n s i v ee s t i m a t i n go ft h ee f f e c t d a t u ，a n do b s e r v i n ga n de x c a v a t i o n g r o u t i n gb yd r i l l i n g a n dc o r i n g ，t h e o ft h eg r o u t i n gi sc o m p l e t e di nt h ee n d i nt h es a m et i m e ，t h ea c c u r a c yo ft h ea b o v em e t h o d sh a sb e e na s s e s s e d ，t h e a s s e s s m e n tb a s i so fd i s p o s i n gm e t h o d so fg o a v e s r e i n f o r c e m e n th a sb e e n p r o v i d e d ，a n dt h er e f e r e n c eo fa s s e s s m e n ts t u d yi nt h ea s s o c i a t es o p h e r eh a s b e e no f e r e d t h ek e yw o r d s ：g o a v e s ，d r i l li n s p e c t i o n ，c tt o m o g r a p h i cp sw a v e st e s t i n g ， h i g h d e n s i t y ，d e f o r m a t i o n 西南交通大学曲南文逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 同期：如d f 反矽 指导老师签名：孑确豸岳 日期：刿班) 护7 r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本研究总结了当前一些应用比较广泛的检测手段，分析各自的优缺 点，结合具体工程的特点，提出了采用钻孔检测、电磁波c t 法、波速、 电测深法、室内实验、变形监测六种方法综合、立体检测的检测模式。 学位论文作者签名： 日期：) d d 孕，f9 。吵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 采空区问题是世界性难题，在勘探及测试方面还没有成熟的理论及经 验，查清采空区分布范围的成本高昂，甚至可能会留存盲区，为道路工程的 建设留下安全隐患，因此以前道路工程建设一般多采取绕避措施解决采空区 问题，随着铁路建设的跨越式发展，行车速度高达2 0 0 k m h 的高等级铁路 将是现在及今后新建铁路的主要部分，城市轻轨交通建设也在蓬勃发展，各 种交通设施建设中将不可避免的遇到越来越多的地下采空区问题。目前正在 建设中的胶济铁路四线遇到多处煤层采空区，设计采用钻孔注浆填充空洞处 理，由于采空空洞无规律性，会大大增加钻孔注浆量。正在修建的石( 家庄) 太( 原) 快速客运专线由于采空区无法有效处理，只能将线路绕避采空区，不 得不远离经济发达的阳泉市。因此对大型采空区加固效果检测方法的研究， 提高采空区加固处理效果的检测水平，为加快线路的建设、节约建设成本、 充分利用有限的土地资源等均有重要的意义。 本文就是根据国电河北龙山电厂巨型采空区铁专线的地质背景、采空区 的分布范围、加固处理的方法、注浆影响范围及要达到的处理效果等，有针 对性地论述各种检测方法的优缺点及适用范围来确定检测方法。通过多种方 法对矿层采空区注浆加固处理效果进行检测，来指导和控制注浆加固处理。 如瞬态面波法、单孔波速测试法，高密度电法，c t 层析成像法等手段对采 空区的注浆处理效果进行评估，辅以钻孔取芯、开挖验证。对治理后的铁路 线路运行在一定时期内进行沉降观测，最终完成巨型采空区治理效果检测方 法的研究。 1 2 国内外相关研究的现状 国内外目前无论在交通系统，还是在煤炭、冶金和水电系统，采空塌陷 区在探测、危害性评价及治理加固技术方面虽已经积累了一些理论和实践经 验，但在煤矿采空区上方修建铁路的研究也还处于探索阶段。 采空区的检测目前国内外主要以工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变 形观测、水文试验等。铁专线工程对路基质量要求较高，采空区治理范围的 准确界定是工程建设的首要任务。结合铁路工程的特点，寻求精度高、系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性强、经济实用的采空区探测技术方法，并进行最优组合，建立采空区处理 效果检测的方法体系，是当前采空区问题要解决的关键技术之一。 目前，世界发达国家对地下采空区的检测主要采用地球物理勘探技术， 其种类繁多，主要有电法、电磁法、地震波法、声波法、重力法等几类。物 探方法是通过观测和研究各种地球物理场的变化来解决地质问题的一种检测 方法。在自然界，不同的物理作用具有不同的物理场，如在重力作用的空间 有重力场；天然或人工建立的电( 磁) 力作用的空间有电( 磁) 场等。而组成 地壳的不同的岩土介质往往在密度、弹性、电性、磁性、放射性以及导热性 等方面会存在差异，这些异常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 球物理勘探就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 后结合己知地质资料进行分析研究，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。目前常用的地球物理方法主要有电 法、电磁法、地震法、重力测量、放射性测量等 电阻率法早期广泛应用地溶洞的探测，由于其具有较好的垂直分辨率， 取得了较好的应用效果。在8 0 年代初该法开始用探测煤矿采空区。 目前，高密度电法是较为有效的电阻率法。由美国陆军和矿产局首先开 发，最初在7 0 年代用于越南战场，目的是搜寻地道等军事掩体，后经理论 上的深入研究和探测方法上的不断完善，于8 0 年代开始用于矿山开采中的 地下废巷道的探测。高密度电法也是工程物探中的主要方法，但各国所有用 的装置形式略有不同，英国b a r k e r 采用温纳装置，后来美国b r i s t o w 采用 单极一偶极装置，日本t o y o 公司采用施伦贝尔装置。就目前技术而言， 高密度法有效探测深度约为1 0 0 m ，最大探测深度也不宜超过1 5 0 m 。当采 空区中被水充填时，电法勘探能取得较好的效果，由于体积效应的影响，采 空区探测的深度误差较大。 9 0 年代开始，煤科总院西安分院、重庆分院、淮北矿务局、峰峰矿务 局、河北煤研所、中国矿业大学、铁道部勘查院等单位采用高密度电法、层 测深法、微分测深法在淮北、山西、河北、北京、山东等地进行了采空区、 陷落柱等探测。 电磁法根据激发场的类型，可分为两类：一类为磁场激发；一类为电场 激发。国内国土资源部地质技术经济研究中心对电磁勘探进行了研究，结果 表明：电场激发比磁场激发探测深度更大，可达5 1 0 k m ，观测方便，效率 高，异常分辨率强。电磁法可大致圈定地下空洞的分布范围，具有快速简 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 便、成本较低的特点，但受地表覆盖物的影响较大。美国、欧洲一些国家则 将地质雷达作为探测中的一种必备常规手段。该方法具有很高的分辨率，适 合于低覆盖的区域，但其有效探测深度一般为l o m 左右，在干燥的石英砂 土覆盖区的有效探测深度也仅有3 0 m ：而瞬变电磁法和井中电法可以反映 较大的深度的空洞。 目前，国外用于采空区探测的电磁法主要有；地面地质雷达、孔中地质 雷达、瞬变电磁法、低频电磁法、钻孔无线电透视等。 前苏联早在5 0 年代就基本建立了瞬变电磁法的解释理论和野外施工方 法，欧美各国也于7 0 年代开始大规模发展该方法，但用于采空区的探测仍 然很少。地质雷达在美国、瑞典、加拿大等国已成为探测地下空洞的一种有 效方法，具有很高的分辨率，可以准确地确定地下采空区的深度和位置，但 探测深度较浅，一般在3 0 m 以内。 国内近年来在利用地球物理勘探技术来探测地下采空区处理效果方面也 作了大量的工作，积累了很多资料。 刘敦文等人设计了一个由混凝土、矿粉和尾砂等材料制成的带空洞的实 验模型。在模型的预留空洞中，分别充填水、砂、泥和空气进行了模拟实 验，研究不同充填介质在探地雷达探测图像中表现出的特征及差异，进而辨 别不同充填介质。论述了采空区探地雷达探测原理与方法，并通过在甘肃厂 坝铅锌矿进行现场试验，分析、识别了采空区内充填物类型及状态。实践表 明，应用探地雷达技术，可以高效、准确地探测采空区及其充填情况。 张俊英等人概述了我国采空区地表建筑概况，介绍了某矿拟在采空区地 表新建住宅楼的基本情况，根据该采空区特点，采取了采空区注浆充填处 理。在工程实践的基础上，提出了注浆充填有关技术工艺、参数的确定方 法，及注浆效果的检测技术等。 余郑生等人研究了高等级公路下伏煤矿采空区注浆治理质量检测方法， 归纳起来有钻探、物探、压浆试验、孔内电视、人工开挖及变形观测等。每 种方法都有其适应性及局限性，检测的精度效果及费效比也不尽相同。试用 郑州少林寺高速公路煤矿采空区注浆治理质量检测为实例，探讨在特定 的地质条件下注浆质量检测工作方法的确定及检测结果对注浆效果的评价。 张志沛等人介绍了某煤矿采空区注浆治理前后，钻孔内不同岩性的声波 波形与声波波速特征，证实可采用声波技术对该矿采空区注浆治理工程的质 量进行检测与评价，提出了该类注浆治理工程声波检测指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 张刚艳等人研究了e h 4 电导率成像系统在煤矿采空区探测中的应用研 究，e h 4 电导率成像系统是一套电磁自动采集和处理系统，它是c s a m t 和m t 的结合体，介绍了e h 4 电导率成像系统的原理、特点并通过煤矿采 空区探测的应用对其效果进行了分析。 吴圣林介绍在京福高速徐州东绕城采空区注浆段应用点面结合的综合检 测方法对注浆效果进行检测，通过注浆检测试验表明：( 1 ) 注浆达到了预期的 效果；( 2 ) 各种检测手段中，除钻孔取芯、注水试验等常规直观手段外，孔内 三侧向电阻率测井和高密度电法对饱水采空区注浆效果检测是非常有效的方 法；( 3 ) 只有采用点面结合的综合检测方法才能对注浆效果进行全面准确的评 价。 杨锋研究了电法勘探在禹登高速公路采空区勘察中的应用，禹州至登封 高速公路沿线分布有煤矿采空区和铝土矿采空区，为了准确而快速地划定采 空区范围，为公路工程选线和工程处治提供依据，采用了高密度电法和瞬变 电磁方法进行勘探，取得了较好的效果。 崔颖超根据禹登高速公路采空区治理工程的实践，总结完善在复杂地质 条件下，高等级公路下伏采空区注浆治理工程质量和效果检测评价的综合方 法与技术，可供国内同类工程借鉴。 李金花介绍了瞬变电磁法的勘探原理及其野外工作参数，并对瞬变电磁 法数据的处理内容进行了阐述，指出瞬变电磁法不仅能有效的探查采空区， 而且能有效的检测采空区的注浆效果，勘查实例说明该检测方法效果良好， 值得推广应用。 贾学民进行了采空区治理注浆质量瑞雷波检测试验研究，采空区治理施 工属于地下隐蔽工程，注浆工程的质量检测工作显得十分重要。目前主要检 测手段是钻探和物探方法，物探方法与钻探方法相比，它具有快捷、简便的 特点。结合工程实践，分析研究瑞雷波检测的试验检测结果，讨论质量检测 指标。目的是为评价注浆工程的施工质量，确立可靠的试验方法和技术。 季秀卿通过对某深层采空区治理工程的跟踪试验，对采空区注浆治理后 的质量检测手段进行了分析研究，对深层采空区注浆治理后的质量检测方法 等方面提出了合理、经济的技术指标，并在该项工程中加以应用，效果显 著。 张俊英概述了我国采空区地表建筑概况，介绍了某矿拟在采空区地表新 建住宅楼的基本情况，根据该采空区特点，采取了采空区注浆充填处理。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 工程实践的基础上，提出了注浆充填有关技术工艺、参数的确定方法，及注 浆效果的检测技术等。 刘尧军等人介绍青藏铁路高原冻土区段路基沉降变形和地温的监测方 法，并结合试验段情况，探讨测试元件的埋没、保护方法以及测试时应注意 的事项。 周伟义，赵明华，曹文贵等人结合工程，通过对岩溶及采空区岩土力学 试验研究，应用统计损伤理论，首次建立了能反映工程实际的岩石损伤软化 统计本构模型及损伤统计强度理论。应用模糊数学理论，针对岩溶及采空区 路、桥基础稳定性评价的不同特点，首次建立了岩溶及采空区路、桥基础稳 定性的模糊综合二级评判模型及评判方法。将数值流形分析应用于依托工 程，具有新颖性。将连续配筋混凝土路面结构应用于岩溶及采空区路基处 理，效果良好。 张胜结合安徽省铜陵至汤口高速公路具体工程实例，探讨小煤窑采空区 综合勘察与评价。 李志刚在万家寨引黄工程北干煤矿采空区变形监测中，采用静态g p s 进 行平面变形监测，取得了良好结果，通过变形监测为以后进行类似工作和建 立高精度的施工控制网奠定了良好的基础。 以上表明我国在采空区的设计施工检测等方面进行了大量卓有成效的研 究并积累了大量工程实践经验，但在采空区处置方法、施工工艺、检测手 段、预警系统等方面还需进一步研究和完善。 1 3 本文的研究内容和思路 本论文以铁二院国电河北龙山电厂铁专线采空区为研究对象。对此类大 型采空区加固效果的检测方法进行研究，对各种检测方法的优缺点及适用范 围进行论证，而后选定检测方法。通过选定的方法对矿层采空区注浆加固处 理效果进行检测。如瞬态面波法、单孔波速测试法，高密度电法，c t 层析 成像法等手段对采空区的注浆处理效果进行评估，辅以钻孔取芯、开挖验 证。铁路线路运行的一定时期内对沉降进行观测，最终完成对处理效果进行 综合的评价。 ( 一) 本文的研究思路如下 1 收集已有的地质勘察资料( 地层岩性、地质构造、水文地质条件和 地形地貌) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 对各种检测方法的特点进行描述，其适用范围进行筛选，确定该工程 注浆加固处理的效果的检测方法。 3 应用确定的各种检测方法所取得的数据进行分析、解释，确定处理后 的异常部位，并对异常部位进行钻孔取芯观察及开挖验证，从而对整个工程 的注浆处理效果进行评价。 4 综合分析各种检测方法所测得结果，并对测试数据与现场钻孔取芯及 开挖验证，对各种检测方法的准确性和适用性进行评估，为以后的采空区加 固效果的检测提供依据。 ( 二) 本文内容安排如下： 第一章：广泛查阅采空区相关文献资料，论述采空区危害现状及铁路工 程采空区问题的研究意义，系统地总结了采空区变形控制与治理手段的研究 现状，提出了本论文的研究方法和研究目的。 第二章：对研究对象国电河北龙山电厂铁路专用线采空区的基本地质背 景，采空区的工程特征、采空区的范围及设计原则进行描述。 第三章：对采空区注浆加固效果的检测方法进行研究，确定能够适用本 工程的检测方法，并对各种检测方法进行描述。 第四章：对各种检测方法所得出的检测结果进行解释及综合的分析，对 比印证，找出注浆加固中的异常部位，进行钻孔取芯，开挖验证，最后得出 检测结果。 第五章：通过对检测结果的分析、统计、计算得出检测结论，并为今后 的相关检测提供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章采空区工程背景及工程特征 2 1 工程背景 国电河北龙山发电厂一期铁路专用线( 以下称铁路专用线) 是国电河北 龙山发电有限责任公司燃煤运输专用铁路，铁路专用线在井店站长治方向咽 喉区接轨，另一端连接电厂线，中间不设站。工程范围包括井店站改建、涉 县站改建及电厂线新建工程。建设总规模为1 1 4 7 1 铺轨公里，其中正线2 5 铺轨公里。采空区的加固及加固处理效果的检测为该铁路专用线工程 c k 0 + 2 8 0 c k 0 + 7 6 0 段，根据工程的特点此次检测主要采用电测深法、钻孔 取芯法、电磁波层析成像法、井中波速测试( 单孔法) 及地面沉降观测等方 法。 2 1 1 地形地貌 采空区地处太行山东麓的黄土丘陵区，区内海拔标高为5 3 5 5 7 7 m ， 相对高差4 2 m ，地形起伏较大。采空区地表大部分被第四系黄土覆盖，仅 在采空区南部有较小的中奥陶统马家沟组灰岩露头，区内地表己多辟为耕 地。 2 1 2 地层岩性 采空区勘探深度内揭露的地层主要为第四系全新统( q 4 m 1 ) 人工堆积碎石 土、第四系更新统冲洪积( q 3 + 2 a l + p 1 ) 黄土、奥陶系( 0 2 ) 灰岩及燕山期侵入闪长 山 石。 第四系( q ) ：中更新统( q 2 “+ p 1 ) 老黄土：棕红色，灰褐色，局部为褐黄 色，硬塑坚硬，含碎石或姜石。下部见泥、钙质胶结砾石层，胶结程度不 一，局部地段似砾岩状，致密。线路影响范围厚1 5 2 1 5 m 。上更新统 ( q 3 a l + p 1 1 新黄土：黄褐色、褐黄色，硬塑坚硬，具大孔隙，含植物根系， 具有湿陷性，湿陷系数8 s = 0 0 2 4 - - 0 1 3 6 。下部含碎石较多，局部夹碎石透 镜体。线路影响范围厚4 5 - 4 6 6 m 。全新统( q 4m 1 ) ：为分布在矿井i = l 的开采 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 矿碴形成的碎石土，成份主要为灰岩、闪长岩，松散，稍湿，厚约o0 8o m ( 见图21 ) 。 目22 磁铁矿石及奥陶系中统( 0 2 ) 灰岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 3 地质构造 涉县位于太行台隆中段东侧，构造单元属武安凹断陷。断裂构造发育， 构造线方向为北东和北北东向，在空间上西疏东密，西弱东强，涉县主要断 裂有涉县大断裂；龙山断裂；更乐断裂。其中龙山断裂与更乐断裂为 两条近平行呈北西南东向展布的正断层，与涉县断裂相交，规模较小。此 外，在涉县盆缘山区，发育许多规模较小的老断裂。 本区褶皱构造主要为涉县向斜，呈北东南西向展布，轴部及两翼主要 由奥陶系中统灰岩组成，两翼地层产状平缓，倾角9 0 1 5 0 ，断裂带附近产 状较零乱，一般倾角较大。线路经过地段地层产状平缓，计算时按水平处 理。 2 1 4 水文地质 采空区区域地下水主要岩石裂隙水，地下水位在2 0 0 m 以下。地下水对 采空区稳定性不构成影响。 2 1 5 地震烈度 根据中华人民共和国国家标准g b l8 3 0 6 2 0 0 l 中国地震动参数区划 图( 1 4 0 0 0 0 0 0 ) ，本区地震动峰值加速度为0 1 0 9 ，对应抗震设防烈度 为v i i 度。 2 1 6 气象特征 涉县地处半湿润半干旱地区，属温带大陆性季风气候，春秋干旱少雨， 夏季炎热多雨，冬季少雪，昼夜温差大。降雨多集中在6 1 0 月份，占全 年降雨量的7 0 以上。流经涉县的主要河流是漳河。主要气象要素见表 2 1 ： 表2 1 气象资料统计表 项目名称涉县 历年年平均气温( o c )2 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 历年极登曼高气温 3 9 4 ( o c ) 历年极鬻曼低气温 - 1 7 2 ( o c ) 历年最? 昱亍均气温 - 1 8 4 ( o c ) 历年年平均降雨量 5 5 0 7 3 ( r a m ) 历年年亍孥蒸发量 1 5 81 7 1 i m m ) 历年最大风速( m s ) 累年最多风向 历年平均相对湿度( ) 最大积雪深度( c m ) 累年平均风速( m s ) 土壤最夯垮结深度 4 0 ( c m ) 2 1 7 岩土体物理力学特性 场地内上覆第四系全新统( q 4 m 1 ) 人工堆积碎石土、第四系更新统冲洪 积( q 3 + 2 a l + l ) 黄土、奥陶系( 0 2 ) 灰岩及燕山期侵入闪长岩。对研究区内 的岩土体钻探取样，并按国家标准土工试验方法标准进行了大量的室内 3 e 8 6 钙 瞄 舶 1 e 6 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 试验，在此基础上进行系统整理分析，并类比有关国内外岩土体工程资料， 得出岩土体的物理力学性质，见表2 2 。 表2 2 岩层的物理力学参数 出日 体积模量剪切模量密度粘聚力内摩擦角 “一 ( m p a )( m p a ) ( k g m 3 )( k p a ) ( o ) 黄土 1 43l5 0 04 5 3 0 灰岩 l7 8 5 7 24 6 8 7 2 7 0 02 0 03 5 2 2 采空区工程特征 2 2 1 采空区分布现状与分布特征 新建国电龙山电厂铁专线起点始于邯长铁路井店车站，于里程 c k 0 + 2 8 0 c k 0 + 7 8 0 处遇井店镇台村鑫宝冶金集团有限公司台村矿业分公 司磁铁矿采空区和南凹磁铁矿采空区。采空区已形成三个大型塌陷盆地，铁 专线从三个大 图2 3 采空区与铁专线示意图 采空区为磁铁矿开采形成，范围约6 0 0 r e x1 2 0 0 m 。一方面由于采空区 埋藏浅，项板灰岩相对较薄，且顶板灰岩节理、裂隙发育，岩体较破碎，另 一方面在对磁铁矿回采时，对项板采取无支护自然垮落的方法，导致在回采 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 不久项板即产生坍塌变形。坍塌的顶板在采空区内形成松散堆积体，在地表 则表现为强烈的塌陷变形。 目前采空区强烈塌陷变形仍在进行。由于采空区地表强烈塌陷变形，致 使采空区影响范围内地层结构遭到严重破坏，采空区项板岩土体破碎，裂隙 发育。地表凹陷、陷坑、错台、裂缝发育，工程地质条件差。 ( 一) 磁铁矿赋存特征 铁路专用线通过磁铁矿地段，地表为第四系中上更新统冲洪积 ( q 3 + 2 副+ p 1 ) 黄土，沉积厚度一般为l o - - 一4 0 m ，下伏地层为中奥陶系( q 2 ) 灰岩，其下为闪长岩。磁铁矿即赋存于灰岩的接触带及接触带顶底板灰岩薄 弱带中，矿床成因类型为接触交代型磁铁矿床。矿体总体走向为北东3 0 0 5 0 0 ，倾向南东，倾角9 0 2 0 0 ，含矿l 3 层，单层平均厚度2 4 m ，局部 地段5 7 m ，矿体在矿区内呈非连续条带状和鸡窝状分布。埋深一般在 3 0 - - 9 0 m 之间。铁路范围内有主采矿井三口，经过3 0 多年的开采，矿区已 达到充分开采，从地表到采空层有多层硐室分布。 ( 二) 磁铁矿开采历史 本区在2 0 世纪7 0 年代初发现磁铁矿起，就开始了磁铁矿的开采。2 0 世纪8 0 年代初随着我国改革开放的逐步深入，本区的集体铁矿和个体铁矿 迅速兴起。从收集到的资料及的巷道进行了实地勘察后，基本查明磁铁矿开 采特征如表2 3 ： 表2 3 磁铁矿开采特征表 序 矿名称矿层情况开采支护情况地表变形情况 号 在线路通过区的 矿层平均厚度 始建于1 9 7 1 年，维护带范围内， 河北鑫宝冶为6 9 m 最厚 金集团有限1 9 7 5 m ，矿体 2 0 0 4 年停采。采只形成了冒落带 1 公司台村矿深度9 0 m 。线位 用房柱式炮采，和裂隙带。线路 业分公司磁通过处理采空厚 采空区顶板自然左侧4 0 m 以外地 铁矿。度约为l0 0 垮落，回采率约表出现开裂、错 为6 0 以上。动、坍塌等情 m 。 况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在线路通过区的 始建于19 7 6 年，维护带范围内， 矿层平均一般为至今仍在开采。形成了冒落带、 井店镇台村 4 o 6 o m ，矿采用竖井开拓方 裂隙带， 2 采矿队南凹 体埋深4 0 - - 式，以无底柱崩 c k 0 + 5 2 0 一 8 5 m 。线位通过落法开采，采空c k 0 + 7 7 0 段已经 铁矿 处采空厚度约为区项板自然垮形成弯曲带并在 5 o m 。 落，回采率约为地表出现开裂、 6 0 以上。错动、坍塌等情 况。 矿层厚度一般为 始建于1 9 8 3 2 0 5 o m ，矿 1 9 9 4 年，开采历 3 其他磁铁矿体埋深4 0 - - - - 史10 2 0 年。采 采空区地表出现 8 5 m 。局部最大 空区项板自然垮 开裂、错动、坍 落，矿区内铁矿 塌等情况。 埋深约1 1o m 。 基本已采尽 ( 三) 磁铁矿开采特征 本矿区磁铁矿的开采大部分矿井均为集体或个体小窑，属权转让频繁， 其开采的方式方法多种多样。据调查本区所有矿井均为无支护开采，仅在局 部必要地段设置非永久性支护，支护有效期一般在3 个月左右。矿井回采为 全断面采尽全部预留矿柱和矿体。为延长矿井使用寿命，各矿在矿井使用期 末，均在井下掘巷寻找盲矿。由于本区矿井数量多，规模小，开采方式多样 化，因而管理难度大。乱采乱掘，越界开采现象在各矿经常发生。因而使矿 区地表塌陷表现为多样性和复杂化的格局。 2 2 2 采空区地面塌陷特征 采空区地势总体上西高东低，东北、西南高，中部低。地面变形塌陷范 围基本上与采空区范围一致，由于采空影响，地面上北、西、南向中心倾 斜。地表变形塌陷规律与矿体分布、厚度、埋深、上覆地层岩性及开采方式 密切相关，其表现为变形塌陷区边缘地带变形微弱，中部东、西两侧边界地 带局部为台阶式沉陷；变形塌陷区内则表现为剧烈的地表变形，塌陷坑、塌 陷台阶、地裂缝相互交织，遍布全区。 1 ) 塌陷凹地 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 塌陷凹地为相对集中采矿所形成，凹地呈椭圆形或近似圆形。凹地四周 为塌陷形成的斜坡地或阶地，伴有较多的地裂缝，凹地的中部常为数量不等 的塌陷坑，凹地中心与边缘相对高差约为5 1o m 。本区最大的塌陷凹地为 “台村矿业公司”矿井开采所形成的，位于采空区中部偏东，南北宽约 2 2 0 m ，东西长约2 6 0 m ，近拟圆形，中心与边缘相对高差约为1 0 m ，见图 24 。 2 ) 塌陷坑 塌陷坑为采空区瞬间塌陷形成的，主要分布于塌陷凹地内，单独或成片 出现，近似呈圆形，直径5 1 2 m ，坑壁直立，塌陷深度3 8 m 不等，见图 25 。 3 ) 塌陷地堑 塌陷地堑为采空区快速塌陷形成，宽约2 - 5 m ，长约3 0 6 0 m ，塌陷 深度2 5 m ，两侧坑壁直立或表现为塌陷错台，目前一些塌陷地堑已充填 矿碴，见图26 。 4 ) 地裂缝 地裂缝主要出现在塌陷区、塌陷凹地的边缘地带，呈直线、弧形或网格 状分布，裂缝宽度一般为5 1o o c m ，长度一般为2 0 - 4 0 m 不等。与塌陷凹 地，塌陷错台等相伴而生，见图27 。 5 ) 塌陷错台 塌陷错台主要出现在塌陷区、塌陷凹地的周围，常数级连续出现，长度 3 0 5 0 m 不等，落差05 1o m ，错台间伴有宽大地裂缝，见图28 。 图2 4 塌陷凹地图25 塌陷坑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图26 塌陷地堑图27 地裂缝 图2 8 塌陷错台 t 述各种塌陷形式交织在一起，构成本区复杂的塌陷格局。在施工道路 和蓄水池修筑后地表仍然处于变形当中。 2 23 采空区注浆加固 ( 1 ) 处置方案依据 依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程( 煤 行管字 2 0 0 0 第8 i 号) 、铁路特殊路基设计规范( t b l0 0 3 5 2 0 0 2 ) 、岩 十工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) , 和铁路丁程不良地质勘察规程 ( t b l 0 0 2 7 2 0 0 1 ) 及鉴定中心意见，研究确定采空区的处置控制指标。 ( 2 ) 采空区加固7 l 距 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 根据采空区的工程地质特征，参照浆液在不同地层中的扩散半径，所布 置注浆孔能够充填整个采空区。本工程采空区钻孔间距2 0 m ，采用正三角 形布置。线路中心、空洞分布区和维护带边缘可适当加密孔间距。对已经充 填的竖井或斜井及半径3 0 m 范围，如果验证确已达到充填效果，可以不再 进行钻孔、充填和灌浆。施工时，视采空区和冒落带分布情况，调整孔数和 孔位。 ( 3 ) 采空区加固孔深 采空区下伏空洞为多层串联，最大单层高8 m ，局部总高度可达2 0 m ， 采空区的埋深在3 0 1 0 0 m 以上，空洞上部裂隙非常发育。同时各种塌陷形 式交织在一起，构成现在采空区复杂的塌陷格局。设计孔深达到采空区最下 层底板。针对不同的采空区塌陷特征设计不同钻孔孔深： 1 ) 塌陷坑、塌陷盆地、塌陷地堑区整治设计深度至采空区底部，控制性 钻孔钻至冒落带底部，一般性钻孔钻至冒落带顶部或最底层的空洞。 2 ) 地表变形轻微，只形成了冒落带和裂隙带的地区整治设计深度至采空 区底部，控制性钻孔钻至冒落带底部，一般钻孔钻至冒落带顶部或最底层的 空洞。 3 ) 维护带边缘采用钻孔充填注浆，空洞连通性好，需要加碎石和石粉， 整治设计深度至开采矿井底部。 4 ) 正在开采的位于线路中心的南凹、鑫宝矿井，竖井或斜井与运输通 道、空洞连通性较好的，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半径 4 0 m 范围的运输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。对位于线路 中心附近的已经封堵的竖井或斜井进行重新挖掘和清理，打通与运输通道、 空洞的联系，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半径4 0 m 范围的运 输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。 ( 4 ) 采空区加固序次 根据采空区的空洞大、分层分布及易塌陷等特点，注浆加固施工孔序， 按i i i 序进行，第1 序为线路中心附近的竖井或斜井充填；第1 i 序为线路左 右侧8 6 m 、2 6 o m 充填孔和处理边界的帷幕孔，充填孔间距2 0 m ，正三角 形布置钻孔，帷幕孔间距1 0 m ，线形布置：第1 i i 序为已形成正三角形的中 心根据i i 序孔所揭示采空区、冒落带及充填情况决定是否需要布置钻孔， 为注浆补强孔，施工完成后形成新的钻孔，间距1 1 5 m ，正三角形布置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 2 4 设计原则及实施 ( 1 ) 处理对象及范围 在( c k 0 + 2 0 0 - - c k 0 + 8 0 0 段通过采空区) 围护带宽度范围内的空洞和冒 落带松散体的空隙，其长为6 0 0 m 。路堤部分以坡脚外1 m 为界；路堑部分 以两侧堑项边缘为界，两侧界线以内的范围为受保护对象，以此界线外一定 范围宽度作为维护带宽度。根据铁路工程地质手册的规定，铁路建筑物 维护带宽度般不小于1 5 m ，结合本工点实际，c k 0 + 2 9 0 - - c k 0 + 4 9 0 维护 带宽度为5 m ，c k 0 + 4 9 0 一c k o + 7 5 0 维护带宽度为1 5 m ，其设计如图2 9 。 不同地层的移动角：松散层取5 0 0 ，坚硬灰岩取7 5 0 ，冒落带及软弱覆 岩取6 0 。根据不同地层的移动角来确定采空区路堤路堑加固处理代表断面 如图2 9 - - 2 1 0 ，其中路堤段加固宽度9 0 2 8 m ，路堑加固段1 4 5 4 9 m 。根据 数值分析的结果，路堤段加固宽度6 0 m 时，线路中心及线路维护带2 0 m 处 的安全系数均大于1 2 ，堤路堑加固宽度8 0 m 时，线路中心及线路维护带 2 0 m 处的安全系数均大于1 2 。通过以上的研究及综合分析：设计路堤段加 固宽度约6 0 m 、路堑加固段加固宽度约为9 0 m ，其中路堑过渡段参照加固 宽度数值分析结果及现在监测结果进行了优化。详细见注浆整治平面图及线 路纵断面图见图2 1 l - - - - 2 1 2 。 图2 9 采空区路堤加固处理代表断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 图2 1 0 采空区路堑加固处理代表断面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 瓣 委 f 蔟j 理 荔群 簿掣 。毒撼隧薹。殳 堡、： 。 零x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 詈匿圜匿盈互i 冒 咽圜划刚川剧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ( 2 ) 不同塌陷变形的处理原则 采用“备足预案、探灌结合，先探后灌”的原则，根据地表变形和巷道分 布情况，选择具有代表性的位置进行补充勘察和钻探验证，在全面清楚掌握 空洞和松散体的空隙、裂隙的空间分布形态的基础上，进行施工图设计。 针对不同塌陷变形的治理，般遵循以下原则： 1 ) 塌陷坑、塌陷盆地、塌陷地堑区采用钻孔灌浆加部分充填注浆。 2 ) 地表变形轻微，只形成了冒落带和裂隙带的地区采用钻孔灌浆加充填 注浆。 3 ) 维护带边缘采用钻孔充填注浆加部分灌浆，空洞连通性好，需要加碎 石和石粉，整治设计深度至开采矿井底部。 4 ) 正在开采的位于线路中心的南凹、鑫宝矿井，竖井或斜井与运输通 道、空洞连通性较好的，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半径 4 0 m 范围的运输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。 5 ) 对位于线路中心附近的已经封堵的竖井或斜井进行重新挖掘和清理， 打通与运输通道、空洞的联系，采用充填水泥砂浆的方法对竖井或斜井及半 径4 0 m 范围的运输通道、空洞和冒落带松散体的空隙进行加固。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 第三章采空区注浆效果检测方法确定 3 1 当前主要检测方法 3 1 1 钻孔法 该方法主要是在采空区注浆加固后，施工结束一定时间后，根据现场的 地质勘察的结果，在注浆区进行钻探，检测注浆段的充填、加固效果。在钻 探过程中可以根据注浆段钻孔冲洗液损失( 流量法) 分析灌浆后采空区加固效 果；通过钻探提取注浆段岩芯，对灌浆前后的岩芯进行对比分析，统计岩芯 中水泥结石的形状、展布特点、厚薄、胶结质量，以及岩体裂缝被水泥结石 充填的情况，并取样进行物理力学性能实验，分析注浆前后岩样的物理力学 性质变化情况。最后对检测孔进行二次注浆，分析注浆量来间接的判断注浆 的充填率。这种方法最直观也是最常用的一种，但工程钻孔的成本较高，钻 孔的数量有限，因此钻孔法一般为验证性的检测。 3 1 2 瞬态面波法 3 1 2 1 瞬态面波法概述 1 8 8 7 年，r a y l e i g h 首先发现了瑞雷面波的存在并揭示了瑞雷面波在弹 性半空间介质中的传播特性，2 0 世纪5 0 年代初人们又发现了瑞雷面波的频 散特性，随之开始了利用天然地震记录中的瑞雷面波探测地球内部结构的研 究。 1 9 6 0 年，美国密西西比陆军工程队水路试验所开始研究面波的工程勘 探方法，但是由于当时的技术条件限制未能获得成功。真正将瑞雷面波的频 散特性用来解决工程问题始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年，美国e k c h n a g 和r e b a l a r d 等人利用瞬态瑞雷面波来研究地质问题，引起许多地球物理学 者的注意，开始了对瑞雷面波勘探理论及方法的深入研究，8 0 年代初，面 波工程勘探方法有了突破性进展，19 8 2 年，日本v i c 株式会社研制出了稳 态法的g r 8l 型佐藤全自动勘察机，用以解决工程地质勘查问题。l9 8 3 年，s t o k e a 和n a z a r i n a 等提出了所谓的面波频谱分析方法s a s w ( s p e e t r a l a n a l y s i so fs u r f a c ew a v e s ，简称s a s w ) ，通过分析面波的频散曲线建立近 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 地表的剪切波波速度剖面。随后，s a s w 方法不断改进并在许多工程中得 到应用，1 9 9 9 年，夏江海博士等人提出了瑞雷面波反演估算近地表剪切波 速的新方法，对瞬态瑞雷面波法进行了十分有效的改进。 我国瑞雷面波法工程勘探的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，铁路系统首 先引进g r 8 1 0 型面波勘探仪用以解决铁路和公路路基的勘探问题。1 9 8 8 年，吴世明等人采用瞬态瑞雷面波法测试土层波速，随后展开了一系列研 究，1 9 9 6 年，出版了专著土介质中的波