（岩土工程专业论文）大运公路介休至霍州段灵石隧道采空区处理技术研究.pdf

c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a l l ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 豫高) 舂 b f 口年月6e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 张南i 篙 饬l 口 年占月f 日 导师签 l d | 伊年毛只 e t l 摘要 近年来，随着山区公路的大量修建，隧道工程在公路建设中所占比例日益增大，其 中对隧道穿越特殊地质地段的设计研究就显得尤为重要，位于大运公路介休至霍州段改 建工程上的灵石隧道穿越石膏矿采空区，对于研究隧道与采空区的问题有重要的意义。 本文以灵石隧道项目为依托，借鉴前人的研究成果，运用相关理论，对隧道采空区的探 测技术、处治方法及治理效果方面做了系统地阐述，取得了一些研究成果，以期能应用 于实际工程中，为相关工程提供有益指导。 ( 1 ) 在采空区探测方面，运用地质雷达探测技术，能在短距离内对采空区的位置、 形状、大小做出比其他探测方法更为精确的判断，这为接下来对采空区的治理工作提供 了详细的信息。 ( 2 ) 对于采空区的治理，使用有限元分析软件，对治理方案进行优化，同时根据采 空区所处位置和隧道实际情况，采用了不同于常用的片石充填和注浆方法，而是采用钢 拱架支撑、并用轻型材料填充的技术，既满足工程质量安全要求，又节省了工程投资。 ( 3 ) 监控量测作为保障安全、优化设计、指导施工的重要手段，其技术的不断进步， 对不良地质隧道施工有重要意义。将监控量测作为采空区治理效果评价的重要手段之 一，在施工中不断完善监控技术，对监控数据进行科学地处理，及时反馈信息，对隧道 的安全施工提供重要的技术支持和理论保证。 关键词：隧道，采空区，地质雷达，处治技术，监控量测 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，、) l ，i mal a r g en u m b e ro fm o u n t a i nh i g h w a yb e i n gc o n s t r u c t e d ，t h e p r o p o r t i o no ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o nr a p i d l yi n c r e a s e di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n s p e c i a l l y , t h e d e s i g no ft h et u n n e lt h r o u g ht h es p e c i f i cg e o l o g yi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h ev a c a n c y o ft h e l i n g s h it u n n e lt h r o u g ht h eg e s s ow a sf o u n di nt h ed a y u nr o a dr e c o n s t r u c t i o nf r o mj i e x i ut o h u o z h o u s ot h el i n g s h it u n n e li sg o o df o rt h ea n a l y s i sa b o u tt h et u n n e la n dv a c a n c y t h i s p a p e rb e g a nw i t ht h et u n n e lp r o j e c t , k n e wp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，a n du s e dt h ec o r r e l a t i v e t h e o r i e s t e s tt e c h n o l o g y , t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dt h e r a p yr e s u l t sw e r et o l db yt h e n u m b e r s t h er e s u l t st h r o u g ht h i sp a p e rw i l lb eu s e dt op r a c t i c a lp r o j e c t sa n dg u i d a n c ef o rt h e r e l e v a n tp r o j e c t s ( 1 ) i nt h ed e t e c t i o n , i ft h eg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt e c h n o l o g yw a su s e d ，t h el o c a t i o n o ft h ev a c a n c y , t h es h a p ea n dt h es i z ew e r l ：m a d em o r ea c c u r a t e l yj u d g m e n t st h a no t h e r d e t e c t i o nm e t h o d si nas h o r td i s t a n c e i ti sn e x tt op r o v i d i n gt h ed e t a i l e di n f o r m a t i o no ft h e t r e a t m e n tw o r ka b o u tt h ev a c a n c y ( 2 ) f o rt h et r e a t m e n to f t h ev a c a n c ya r e a s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew a su s e d t oo p t i m i z et h em a n a g e m e n to ft h ep r o g r a m w h i l ea c c o r d i n gt ot h el o c a t i o no fv a c a n c ya r e a s a n dt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h et u n n e l ，t h et r e a t m e n tw h i c hu s e dt h es t e e lf r a m es t r u c t u r ea n d l i g h t w e i g h tm a t e r i a l st of i nw i t ht h i sv a c a n c yw a sa d o p t e d t h i si st om e e tt h ep r o j e c tq u a l i t y a n ds a f e t yr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s ot os a v et h ep r o j e c ti n v e s t m e n t ( 3 ) a s 趾i m p o r t a n tm e a n s o fas a f e t ym e a s u r e ，o p t i m i z a t i o n , d e s i g n i n ga n d c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sc o n s t a n t l ya d v a n c e d i ti ss i g n i f i c a n c et ot h et u n n e l c o n s t r u c t i o n0 1 1t h ep o o rg e o l o g i c a l m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi s0 1 1 eo ft h ee v a l u a t i o ni m p o r t a n t m e a n sw h i c ha l eu s e dt ot r e a tt ov a c a n c y m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yw a sc o n t i n u o u s l yi m p r o v e d i nt h ec o n s t r u c t i o n t h em o n i t o r i n gd a t aw a ss c i e n t i f i cp r o c e s s , t i m e l yf e e d b a c k t h i s p r o v i d e dt h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g ya n d t h et h e o r yf o rt h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y k e yw o r d s ：t u n n e l ；v a c a n c y ；g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ；t r e a t m e n tt e c h n o l o g y ；m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 采空区的探测技术2 1 2 2 采空区的处治技术4 1 3 主要研究内容5 1 3 1 采空区探测技术的研究5 1 3 2 隧道采空区治理技术研究5 1 3 3 采空区处治结果监控技术的研究5 第二章采空区探测技术6 2 1 依托工程概况一6 2 2 地质雷达测试方案8 2 2 1 地质雷达探测技术简介8 2 2 2 地质雷达在本工程中的应用9 2 3 测试结果分析1 2 2 4 小结15 第三章采空区施工处治措施16 3 1 处治方案选择原则和设计要求1 6 3 1 1 采空区处治方案选择原则1 6 3 1 2 采空区处治的设计要求1 6 3 2 采空区处理常用方法1 6 3 3 处治方案的施工数值模拟18 3 3 1 有限元建模基本理论18 3 3 2 有限元的分析过程18 3 4 具体方案的设计与施工2 6 3 4 1 墩台设计2 7 3 4 2 钢拱支架和轻型材料设计2 7 3 4 3 防排水设计2 7 3 5 小结。2 9 第四章处治效果分析3 0 4 1 概述3 0 4 1 1 隧道监控量测工作目的3 0 4 1 2 隧道监控量测工作内容。3 0 4 1 3 量测数据处理3 0 4 1 4 量测数据的应用3 1 4 2 监控量测数据分析3 1 4 2 1 周边位移量测。3 1 4 2 2 拱顶位移量测3 9 4 3 结论4 0 第五章结论与建议4 4 5 1 主要研究结论4 4 5 2 建议4 5 参考文献4 6 致 射。4 9 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着经济和社会的发展，国家对基础设施投资力度不断加大，公路交通网 越来越密集，经常出现公路设计路线穿过各种采空区的现象，尤其在山区，还经常出现 隧道穿越采空区的现象，特别在华北、东北及其它地区的一些老矿区和新建矿区的待采 区范围内，如石家庄一太原高速公路、晋焦高速公路、乌鲁木齐一奎屯高速公路均遇到 采空区问题。采空区是指地下矿产被采出以后留下的空洞区。矿产被开采后，岩层的原 始应力平衡状态受到破坏，采空区周围的岩体失去支撑，上覆岩层便会产生变形、离层、 裂缝甚至是破坏塌落等现象，岩层和地表将会发生移动，移动过程将会发展到所有被采 动岩层都达到新的平衡为止，此过程称为“矿山开采沉陷”，该范围称为开采沉陷( 塌) 区。开采沉陷与周围岩层的性质、产状、埋深、开采的规模和方法以及顶板的管理方法 以及岩层破坏的持续时间等因素有关。采空区对公路的危害主要有如下几个方式：采空 区发生失稳冒落，使地表剧烈变形，产生陷坑、台阶等；路基沉陷，造成路基、路面局 部开裂，使其承载力下降，使用条件降低，或造成路面低洼积水破坏：倾斜使坡度发生 变化，导致行驰车辆重心偏移，在弯道处最易发生事故：水平变形和曲率使路面受拉伸 开裂、受压缩隆起，使路面发生波浪起伏及路面与路基间的局部离层，其对公路工程的 破坏程度主要取决于地质采矿等因素，如矿山的开采深度、采高、开采方法、覆岩岩性 及顶板管理方法等n 3 6 1 。 随着科学技术的发展，特别是采空区探测技术和和治理技术的提高，随着土地资源 的日益紧张，为了提高矿区土地资源利用率，各国科技人员开展了采空区土地资源的开 发和利用工作，在采空区上方兴建各种建筑物和构筑物的成功实例日益增多，隧道穿越 采空区的例子也比比皆是。实践证明，只要人们掌握了采空区的形状、岩层的变化和破 坏规律，按照严格、科学的探测程序，进行正确有效地处治和效果评价，对不同类型的 采空区进行有针对性的处理措施，也可以实现在采空区上方或下方修建各类建筑物和构 筑物。 近些年来，随着我国经济的发展，交通事业也迎来蓬勃的发展期，越来越多的隧道 出现在山区公路上。对于不可避免要穿越采空区的隧道，若探测和治理技术不当，采空 第一章绪论 区产生沉降和不均匀变形，则会对隧道工程造成巨大的影响和破坏。根据采空区在隧道 的位置不同，采空区对隧道的影响分为两种：一是当采空区位于隧道上部时，采空区破 坏产生会较大的冲击压力，使隧道顶部产生破坏变形、塌落等；二是采空区位于隧道的 下部时，由于采空区的塌落，使隧道整体产生不均匀的变形、裂缝或者部分坍塌。所以， 查明隧道区域内采空区的各种情况，并对其科学合理地治理，对于保证隧道在设计年限 内的安全运营有着重要意义位朋3 。 1 2 国内外研究概况 目前，无论是在交通系统，还是在煤炭和水利系统，有关采空区的探测、处置加固 技术及治理效果评价方面已经积累了一些经验，但都没有形成系统的理论和实践经验， 在对隧道采空区方面的研究也还只是处于探索阶段。 1 2 1 采空区的探测技术 由于采空区深埋地下，上面又常有松散覆盖物，再加上人们对矿山无序地开采，多 数采空区的埋藏情况不十分清楚。为了对采空区进行科学有效地探测，下文将对国内外 采空区探测技术、方法及取得的经验进行简要介绍。 目前，对于采空区探测，国内外主要以采矿情况调查、工程钻探和物理勘探为主， 变形观测和水文试验为辅的方法实施。其中以地球物理勘探技术的应用最为广泛。地球 物理探测是指使用专门的仪器对地球物理场的分布和变化等情况进行观测，再结合已有 的地质资料进行研究，推断出地下岩层的性质，从而达到解决地质问题的目的。主要有 电法探测、电磁法探测、地震探测等。 ( 1 ) 电法探测 电阻率法主要以岩石的导电性差异为基础，通过测量和分析地下电场分布变化规 律来研究矿区地质问题。更准确的说，就是利用采空区与围岩的电性差异来研究采空区 的形态、分布、大小等。目前主要方法有：电测深法、高密度电阻率法、层测深法等。 电阻率法早期主要应用于溶洞的探测方面，由于该法具有较好的垂向分辨率，从而 取得了较好的应用效果。 从九十年代开始，在煤炭系统，比如煤炭科学总院西安分院、淮北矿务局、峰峰矿 务局、河北煤研所、中国矿业大学、铁道勘察研究院等单位采用高密度电法、层测深法、 微分测深法在陕北、淮北、邯郸、北京煤头沟、山东等地进行了采空区和陷落柱等探测。 2 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 电磁探测 电磁法根据激发场的类型，可分为两类：一类是磁场激发：一类是电场激发。国内 国土资源部地质技术经济研究中心对该勘探方法进行了长期地科学研究，结果显示：电 场激发探测深度比磁场激发探测的深度更大，可达5 一- 1 0 m k ，而且观测方便，效率高， 异常分辨率强。 电磁法可以实现对采空区的分布范围的探测，快速简便，效率高，成本较低，但是 该法受地表覆盖物影响较大。目前，地质雷达日益成为采空区探测的常规必备方法。该 法具有很高的分辨率，精度较高，在低导覆盖区域尤为适用，但其有效探测深度一般较 浅，一般探测深度在1 5 m 4 0 m ，多用在对较小目标体和复杂多变的探测。 ( 3 ) 地震探测 地震探测法主要有地震折射波法、高分辨率反射波法和钻孔地震层析成像法等。地 震折射波法具有操作简单、快捷、成本低廉等优点。对埋深较浅的采空区探测效果较好， 但探测精度有限。2 0 世纪7 0 年代中期，美国就用该法对高速公路下伏采空区进行了大 量的地质调查。在国内，有关机构对地震探测中的瑞雷面波探测技术进行了大量的研究 和试验，开发出了瑞雷波探测器，该技术达到了世界先进水平。 近年来，美国利用高分辨率地震反射法来探测隧道采空区，利用其产生的绕射波来 确定隧道采空区的埋深和位置，结果显示该法可以探测坚硬围岩中的采空区。在中国， 中科院地质所、煤炭科学研究院、中国矿业大学等采用高分辨率地震反射法对煤矿和金 属矿床等各类采空区进行探测，取得良好效果，积累了丰富的经验。 ( 4 ) 微重力勘探 微重力探测早期在美国、前苏联及一些欧美国家主要用于寻找油气田、地热资源等。 仅在近几年，微重力探测才逐渐用于探测溶洞、矿山采空区、陷落柱不良地质等。但由 于该探测方法干扰因素多，如：地形起伏、密度变化、表层不均匀性、固体潮等因素的 影响，一般不能进行很精确地调整，从而大大地影响了它的应用效果。在对未塌陷的地 下空洞探测方面，微重力勘探有一定效果，但当探测深度加大时，只能对体积比较大的 溶洞或采空区有一定的效果。 随着重力仪的快速发展和微重力仪的问世，微重力测量也逐渐成为采空区探测的一 种有效手段。国家地震局于1 9 8 8 年成功地查明了青藏铁路的下伏溶洞，国家地震局地 球物理所曾用微重力测量寻找古墓道，中国矿业大学曾在山西晋城用微重力测量探测煤 矿陷落柱、采空区等h h 到。 第一章绪论 分为两种：构筑物抗变形措施和地下采空区治理措施。就国内 而言，目前人们对构筑物下伏采空区的研究较多。构筑物下伏采空区处治方案主要可归 纳为3 类： ( 1 ) 地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合 措施，以吸收和抵抗变形。 ( 2 ) 采空区地基处理措施，预防和控制地表残余沉陷的发生。如对山西省平定县 西郊一旧关段柏井采空区进行了采空区治理的试验工程，在采空区勘察设计、施工等多 方面取得了宝贵经验，随后又在山西省平定县寿阳一西郊段冶西联营煤矿采空区的注浆 充填治理工程进行试验，也取得了良好的效果，这为今后类似工程的治理起了积极的指 导作用。 ( 3 ) 注浆加固和加强采空区围岩结构刚度和强度，充填被采动的覆岩断裂带和弯 曲带的岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，从而有效地抵 抗老采空区塌陷的继续发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物和建筑 物的安全陆瑚1 。 在美国，各主要采煤州都设有处理采空区沉陷的专门机构，并有专门治理采空区的 岩土公司，在研究和处理采空区方面积累了丰富的理论和实践经验。在抗变形设计方面， 美国和英国所采取的措施都是将建筑物和构筑物设计成刚性或柔性结构。国外对老采空 区处理采取的主要措施是全部充填采空区覆岩、注浆或开挖回填法、跨越法等，其中， 以注浆法为主。 根据相关资料可知，构筑物下伏采空区处理方法主要有以下几种：水诱导沉陷法、 充填加固法、片石回填法、跨越法等，其中以灌浆法应用最为广泛，但没有形成相应的 理论技术规范，处理后的地面也主要用来建设居民区。美国某些州因煤矿开采形成大片 的采空区，采用灌浆处理技术以后，从而控制了建筑物和构筑物的大面积沉降；前苏联 也是采用该法成功处理了瓦赫鲁夫锅炉房下浅井和别理科夫矿井大楼下伏采空区。但针 对隧道采空区的处理还没有形成成熟的理论和经验。国内方面，也是最近几年以来，在 西北、华北等地修建隧道时，才遇到隧道采空区处理问题，如在石太高速公路就遇到隧 道穿越煤矿采空区，但也没有形成科学的理论和技术方法口h 们。 隧道工程因其自身的特点与要求，比如埋置在地层的衬砌结构所承受的荷载比地面 结构复杂、对拱顶沉降和周边收敛要求严格、附属设施较多等。虽然处理穿越采空区的 4 长安大学硕士学位论文 隧道可以借鉴处理其他构筑物下伏空洞的方法，但因隧道工程的特点与要求，处理方法 选取的原则和技术规范也有别于其他建筑物或构筑物。因此，研究不同隧道采空区的处 理技术和方法，为隧道工程的设计和施工提供科学的技术方法，对采空区隧道的建设有 着重要意义。 隧道采空区处理一般采取以下解决方法n 钆删： ( 1 ) 支撑式加固法该法与煤柱支撑式开采原理相同，主要包括注浆柱、井下砌筑 墩柱和大直径钻孔桩柱等。当采空区内具备人工作业条件时，可采用柱墩式支撑构件支 撑采空区顶板；否则，可以钻孔将混凝土用泵送入采空区内，在采空区顶板和底板之间 形成柱墩式支撑。但需注意的是，由于采空区内柱墩截面不易控制，施工工艺较复杂， 质量难以保证，所以此工法需慎重使用。 ( 2 ) 充填式加固法就是使用外来材料填充采空区，承担起原来矿层应承担的应力， 可分为局部填充和全部填充两种情况。采空区内具备人工施工时，可采用干砌或浆砌片 石填充；否则可以通过钻孔灌入水泥浆、水泥砂浆、水泥粉煤灰浆及其他材料的拌合浆， 以填充整个采空区和上部岩体破裂带。 ( 3 ) 采空区结构围岩加固法该法采用注浆加固采空区上部裂隙带和弯曲变形带， 从而使围岩成为一个刚度大、整体性良好的岩板结构，能有效抵抗采空区塌陷向上发展 的趋势，使地表只产生相对均衡的沉降。嵋一1 1 3 主要研究内容 1 3 1 采空区探测技术的研究 以灵石隧道采空区为工程依托，重点介绍地质雷达在隧道采空区探测中的应用，说 明地质雷达在短距离精确探测方面具有的优势。 1 3 2 隧道采空区治理技术研究 简要介绍隧道采空区施工处理原则，重点阐述通过灵石隧道采空区实例，运用a n s y s 有限元软件选取合理处治方案，然后进行具体方案的设计和施工。 1 3 3 采空区处治结果监控技术的研究 简要介绍隧道监控量测的目的和意义，对监控量测数据作出详细分析，从而说明采 空区处治方案的可行性，为隧道下道工序施工提供依据。 第二章采空区探测技术 2 1 依托工程概况 第二章采空区探测技术 大运公路介休至霍州段改建工程全长约2 3 5 k m ，是1 0 8 国道的重要组成部分，它修 建对于改善周边煤炭运输条件有着非常重要的作用，同时也极大地改善了山区人民的出 行条件。 灵石隧道属于本改建工程第三合同段，全长1 6 6 5 m ，属长隧道，位于灵石县城西北 角，呈东北至西南走向，最大埋深为8 0 m 。隧道按一级公路设计，净宽9 7 5 m ，限高5 o m ， 设计时速为6 0 k m h 。 具体施工设计图见2 1 、2 2 、2 3 。虽然前期对采空区的调堪也在该图上进行了标 定，但和实际情况可能有所出入。为了准确掌握采空区的详细信息，采用地质雷达对隧 道全线跟踪探测，以便对出现的不良地质情况提前掌握n 1 j 力。 三l口r 惭 t 麓2 ” ；。m_ l - _ “ 慧鼍警_ 一 _ _ i 嬲 脚 弘脚 雾_雾嚣艘 帆 舻 一 _ ： ， ：_ ：i m q _ d 葺- - f - o 蝴霸萄_ i 枷f 翻i a -“一。- _ - 一! 。盎- - h _ _ “l r 谲；1 1 一一：驾手丁0萎= 善一f = r n _ 丁盖一：麓i r 14 r 1 一i；：i ：1 一i r 了i 茹二1 r r l r _ ； 善ll孚； ：； 雾 ：z l；j # # 署 ；互，o ；： ； i：；： “1 一 “ 。 霉 膏 孳 一妻 ， t ； _ t t l “嚣扣；，。 _ f 。一 i 垂茜毛宠随象话蠢摹圹鼓；7 训。：z 笛1 “ 一一兰至壁! 噻 群露叠簪 萱矿l 毒；誊 盂移 毒k - 自。舒事蟛和蕾f 摹群。：王：篓孝；：5 4 7 图2 1 灵石隧道地质纵断面图1 6 图2 2 灵石隧道地质纵断面图2 图2 3 灵石隧道地质纵断面图3 7 第二章采空区探测技术 表2 1 工程地质和水文地质 名称内容 隧址区位于吕梁块隆与沁水块坳的结合部，表现为灵石突起，其东为太岳山脉， 西为吕梁山支脉老虎山，中间为汾河峡谷，地势总体由北向南倾斜，根据地表 地形地貌 形态特征及其成因类型将地貌单元划分为构造剥蚀中低山谷，微地貌为基岩黄 土梁、冲沟陡坎、植被较发育。 隧址区出露地层由老至新依次有：奥陶系上统峰峰组( 0 2 f ) 、石炭系中统本溪 地层岩性 组( c 2 b ) 、第四系上更新统残坡积物( q 3 6 h 1 ) 、第四系全新统洪坡积物( q 4 9 m ) 。 隧址区位于汾河西岸，未发现地下水出露，地形陡，切割强烈，泻水能力强， 水文地质条件石膏矿在开采过程仅局部有少量滴水，对隧道工程无影响。洞体围岩为奥陶系 中统峰峰组地层，地表有第四系地层披盖，富水性较弱。水文地质条件简单。 隧址区位于吕梁与沁水块坳的结合部位，构造形态主要表现为单斜构造，岩层 地质构造 产状3 0 0 - 3 3 0 。么铺。，节理裂隙发育两组，产状3 5 。l 7 8 。和2 6 5 。l 4 0 。 2 2 地质雷达测试方案 2 2 1 地质雷达探测技术简介 随着交通事业的不断发展，采空区问题作为交通建设的不良地质问题日益突出，特 别是隧道工程建设项目对质量要求更高，非常需要精度高、系统性强、经济适用的采空 区探测技术，以详细探测隧道采空区的实际情况，这将直接关系到隧道工程建设的质量 和经济效益。在众多探测技术中，地质雷达以快速、方便、效率高、成本低等优点，在 隧道采空区探测中的应用日益广泛。 地质雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 是利用宽带高频时域电磁脉冲 波反射探测目标体。该探测技术是利用高频电磁波探测方法，电磁波可近似为均匀平面 电磁波，当波在介质中传播时，其电场能量波动方程见式2 - 1 。 e = e o e 一川c o s ( o d t a d ) ( 2 1 ) 其中：e x 一在时间t 和传播距离d 时的电场的强度： e 。r 当时间t = o 和传播距离d = o 时电场的强度； r 衰减系数： q 一相位系数； 8 长安大学硕士学位论文 一电磁波角频率。 雷达电磁波在不同介质中传播时，会遇到各种波阻抗分界面，此时将产生反射波和 折射波，反射波的能量取决于反射系数。使用地质雷达对隧道进行地质超前预报时，在 通常情况下，相对不良地质体，隧道围岩属于高抗阻物质体，所以反射系数f 和折射系 数z 可以表示如下： f ：1 c ：- c 了： 0 c l + _ c 2 z = 蒜 2 ， 其中：卜反射系数； z _ 折射系数； c 厂围岩介电常数； c 广界面介电常数。 一般情况下，在隧道施工阶段，不良地质体相对围岩来说，其岩性较软弱，同周围 岩体形成显著的物性差异界面，当雷达电磁波传播至此界面时，各类介质层的衰减系数 r 、反射系数f 、折射系数z 不同，将会出现反射回波的各种参数( 如振幅、相位等) 异 常突变现象，由此即可确定不良地质体的位置、大小等元素。 综上所述，地质雷达探测就是根据不同岩体的波阻抗差异形成的界面对电磁波反射 的原理，对探测物进行成像，能够探测出隧道掌子面前方一定范围内的溶洞、采空区等 不良地质体的分布情况和周围岩性的变化情况。在采空区探测方面，相对其他探测方法， 地质雷达具有以下优点：抗干扰能力强，基本不受外界条件限制；探测时间段，基本不 影响隧道正常施工；工程投入费用小，大大节省施工费用；现场采集数据，资料提交及 时，效率高。 不论从探测理论，还是从探测技术来分析，在隧道施工时，采用地质雷达对良地质 体进行探测，是完全可行的。因此，使用基于电磁波的反射和折射理论上的地质雷达探 测技术完全可以实现对隧道不良地质体( 如采空区、断层等) 的预报。n 3 1 4 1 5 1 2 2 2 地质雷达在本工程中的应用 隧道是建筑在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，潜在、无法预知的地质因素较 多：多变的地质条件；地层破碎带断层；岩溶；富水岩层。 在灵石隧道采空区探测中，使用的是s i i 卜2 0 型地质雷达探测仪。s i 卜2 0 型地质 q 第二章采空区探测技术 机、显示器和天线三部分组成，采集时窗、扫描速率灵活可变，扫描速率最高 扫描每秒；数据采集时有多种增益控制形式和滤波形式供选择，因此可以采集 效的数据；配备有多种频率的天线，可根据实际需要选择使取，以达到需要的 探测深度，地质雷达的探测精度也就是分辨率与天线的中心频率有关，中心频 率越大，探测精度越高，最大刺探深度就越浅；使用专用软件，经过对原始数据处理后， 可获得雷达波形图像，以获取各种地质情况信息。 s i r 系列雷达仪相对于其他类型的雷达，具有体积小、操作方便快捷、抗干扰信噪 比高等优势，并且其数据处理软件配套功能较强。见图2 6 和2 7 灵石隧道地质条件比较复杂，所经山体暗含形状和范围不明确的采空区，同时山体 周围还存在大大小小多个采石场和采矿场。虽然勘察单位已进行了前期地质勘察，但是 采空区的位置和大小同实际情况还存在一定出入。 在使用地质雷达对隧道进行地质超前预报时，要根据隧道围岩情况，对地质雷达各 种参数进行调整，一般可探测到隧道掌子面前约1 5 3 5 m 的地质情况，如溶洞、采空区、 断层等；同时根据雷达波形图变化及掌子面特征揭示前方围岩类别和状况，再根据所探 异常地质情况解读分析结果。本次探测纵向测试区间布置如图2 4 。 图2 4 超前预报测区布置图 地质雷达测线布置 图2 5 地质超前预报测线、测点示意 i 0 长安大学硕士学位论文 超前地质预报地质雷达测点布置图见图2 5 所示。 s i r 2 0 型地质雷达的参数选择见表2 2 表2 2s i r 一2 0 雷达参数表 天线频率1 0 0 m h z1 0 0 m h z4 0 0 m h z 采集模式连续( 线测试)点测试连续( 线测试) 测程 4 0 0 - - 6 0 0 n s4 0 0 - - 6 0 0 n s1 0 0 n s 样点数 5 1 21 0 2 45 1 2 数据位 1 61 61 6 增益点数 555 垂直高能滤波 2 5 m h z2 5 n m z1 0 0 z 垂直低通滤波 3 0 0 m h z3 0 0 m h z8 0 0 m h z 每秒扫描数 1 61 6 6 4 测试有效范围 5 - - - - 3 0 m5 - 一3 0 m1 - - 5 m 参数说明： ( 1 ) 天线频率：中心频率与天线型号是相对应的，地质预报一般使用1 0 0 m h z 的 屏蔽天线，其有效探测距离为5 - 3 0 m ，前5 米是测试模糊区，故采用1 0 0 m h z 的天线和 4 0 0 m h z 的天线共同分别来完成测试。 ( 2 ) 预报长度：预报长度不是定值，同介质有密切关系。电磁波在坚硬均匀完整 性好的的岩体中传播时，其透射能力较强；当遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电 磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。 ( 3 ) 增益调整：增益调整是根据经验得出的，目前商无定值，不同的仪器也有差 异。因此，一般采用原位调整法，就是在掌子面上现场自动增益，获取自动值，再采取 手动均化调整，大体跟雷达波的衰减率成反比即可。 ( 4 ) 天线布设：测试时天线要贴在掌子面上，其布设因时因地而异，可分两种， 一种是连续测试( 即线测试) ，将天线竖立于从掌子面左侧离地一米处，从左到右匀速 平移至右侧，即完成一次测试；另一种是点测试，可在掌子面上多方位进行测试，只要 是平整的面贴上测试即可。布点时建议在拱顶拱脚和掌子面正中均布置到至少两个点。 施工过程中，根据探测到的不良地质体的具体情况，作出不同级别的预警，再根据 工地实际情况，施工方提前做好隧道围岩支护和加固方案，保证施工安全，避免事故发 生。 第二章采空区探测技术 图2 6s 珉2 0 型地质雷达图2 7s i r - 2 0 型地质雷达在现场工作 隧道所在的山系富含石膏层，该山体是当地石膏的重要来源地之一，由于当地居民 长期对山体的无秩序开采，因此在山体内留下大量的未塌落的、呈不规则形状、结构不 稳定的采空区，而且采空区的形状、位置和范围都不确定，所以准确探测影响隧道穿越 山体的采空区及其位置和分布是本次探测的重点工作之一。隧道所在山体遗留的采空区 内充填物主要成分是空气，由于空气和围岩介质的物理性质存在差异，这种差异形成的 电性分界面是地质雷达判定采空区的理论基础，所以探测出这个界面的要素情况，也就 清楚了采空区的位置、范围、深度等。 2 3 测试结果分析 2 0 0 8 年7 月2 5 日，地质超前预报人员在对灵石隧道k 2 1 + 5 9 5 处掌子面进行地质雷 达探测时，现场得到图2 8 的原始雷达剖面图，图2 9 是经处理后的雷达剖面图。从图 2 8 原始雷达剖面上可以看出，地质雷达剖面出现了强反射，在雷达波形同相轴产生异 常，而此处掌子面岩性以白云质灰岩石英石膏互层为主，整体呈厚层状，为硬、软岩互 层，干燥，稳定性较差，推测掌子面前方约1 5 2 0 m 处( 即k 2 1 + 6 0 0 k 2 1 + 6 1 5 ) 出现采空 区分界面。随后又经技术处理，截取了雷达反射波波幅变化图像，如图2 1 0 ，2 1 l ，在 地质雷达波形图像上出现了反射波波幅与反射波组随空洞( 或采空区) 的变化横向上出 现一定异常现象，波形图的特征为界面反射为强反射，反射波波形呈高幅、高频、细密 现象，且单道雷达波形呈现长距离大幅震荡状态。 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 8k 2 1 + 5 9 5 原始雷达剖面图图2 91 ( 2 1 + 5 9 5 处理后雷达剖面图 图2 1 0 雷达反射波波幅变化图像 图2 1 1 雷达反射波波幅变化图像 根据雷达波形图和现场地质情况，确定在k 2 1 + 6 1 4 处存在采空区坍塌体。后经开挖 证实，自k 2 1 + 6 1 4 处出现采空区，垂直高度约为4 m ，水平宽度约2 0 5 ，纵向延伸至k 2 1 + 6 7 5 处结束，采空区底板位于隧道顶板o 7 m ，对隧道危害较大，是一个呈不规则状的规模 较大的石膏采空区，见图2 1 2 。 第二章采空区探测技术 图2 1 2 采空区 隧址处石膏矿隶属灵石县矿业有限责任公司，石膏矿层赋存于奥陶系上统峰峰组 ( 0 2 f ) 白云质泥灰岩内，房柱式平硐炮采，采厚2 6 m ，开采4 0 m ，预留1 5 m 。采空区 内平面范围和空间高度极不规则，工作面掘进随意性比较大。矿物运输采用改装拖拉机， 运输巷道无任何支护措施，宽度约3 5 m ，高度约4 - - - 6 m 。采空区周围岩体未出现塌落， 无积水出现，地表也未出现裂缝。 在使用地质雷达对灵石隧道全程进行地质超前预报探测过程中，雷达探测到的采空 区位置结果与实际开挖后的情况基本是一致的，除了探测到上述的k 2 1 + 6 1 4 处的采空区 外，在k 2 2 + 1 2 5 和k 2 2 + 6 7 0 处都探测出类似采空区的反映。后经实际开挖证实，在 k 2 2 + 1 2 5 k 2 2 + 1 9 5 为石膏矿现用通道，巷道位于隧道拱顶之上约1 4 - , 1 6 m 处。巷道宽度 和高度在3 - - 6 m 不等，未采取支护措施；而在k 2 2 + 6 7 0 处掌子面中下部是采空区，向前 延伸至k 2 2 + 7 2 0 处结束，详见图2 1 3 图2 1 3 隧道与采空区平面位置关系 1 4 长安大学硕士学位论文 因为隧道空间所限，对于较大的采空区或空洞，要采用地质雷达精确地预报其空间 尺寸和形状比较困难，但应用地质雷达可以确定掌子面前方不良地质体的位置及其类 型，这对于施工安全及调整隧道围岩支护方案起到了重要作用。在整个地质超前预报过 程中，各单位要通力合作，并及时进行信息交流，预报才能取得较好的结果。施工方根 据预报结果，提前预防，并做好支护措施，使隧道顺利穿越不良地质地段，取得了很好 的经济和社会效益。 2 4 小结 对采空区的探测有多种方法，但地质雷达探测有快速、方便、效率高、成本低等优 点。以灵石隧道为工程依托，重点阐述采用s i r 2 0 型地质雷达探测采空区的原理、参 数选择、现场操作、处理步骤以及对探测结果的分析。使用地质雷达在施工现场测到图 像信息，然后根据对雷达图像的分析，通过观测地质雷达波形图，波形图出现了反射波 异常的现象，其中在图2 1 0 中的第9 个点异常突起，在图2 1 1 在第8 个点中也有类似 现象出现，再结合掌子面揭露的工程地质情况，基本上能确定不良地质体的分布位置、 规模等信息。使用地质雷达探测采空区时，在波形图上显示出，只在边界上出现反射界 面，整体波形变化不是太大，波幅相对较平缓。但应注意的是，使用地质雷达探测的同 时，尽量也采用其他探测方法，从而提高预报准确率。 1 5 第三章采空区的施工处治措施 第三章采空区施工处治措施 3 1 处治方案选择原则和设计要求 3 1 1 采空区处治方案选择原则 目前，在地下采空区处治方面，尤其是隧道采空区，还没有形成成熟的技术理论和 规范，但在治理构筑物下伏空洞方面，已有一些成功的工程实例，如跨越法、开挖回填 法、灌浆充填加固法、片石回填法等。 采空区治理的原则是：根据工程具体特点，要充分考虑采空区的形状、大小、地质 条件及施工技术等因素，通过对待选的几种方案在经济、技术及施工条件等方面的综合 比选，选择一个或几个在经济上合理、技术方面可行、又满足施工进度要求的处治方法。 3 1 2 采空区处治的设计要求 采空区既是矿山生产的重大危险源，也对交通设施的修建构成很大威胁。对采空区 的设计，既要满足地基强度和沉降变形要求，又要考虑到经济和技术方面实际情况，是 一个复杂的系统问题。根据采空区的具体特点，通过概率积分法、有限元法等稳定性评 价方法设计方案进行分析评估和演算，或通过现场沉降观测和试验进行确定。 隧道采空区设计的总要求是：对穿越采空区的隧道，应根据采空区的分布范围、空 间大小、埋藏深度、顶板岩层厚度、地质构造、及其对隧道的危害程度等因素，采取加 固、回填、封闭地表塌陷等综合处置措施。对采空区进行治理后，隧道的承载力和变形 稳定性应满足施工质量和安全要求，且保证在隧道使用年限内，不发生超过隧道工程规 定的允许变形界限值和强度破坏埔1 。 3 2 采空区处理常用方法 目前，国内外处理开采遗留采空区经常采用的方法有封闭法、崩落法、加固法和充 填